冯立明,王钥  李　伟(山东建筑工程学院材料系,山东济南250101)
   0　前　言
    锡具有阳极保护作用,因而Ni-Sn-P镀层耐蚀性优于Ni-P。锡具有较低的摩擦系数、滞留油特性及良好的延展性能,Ni Sn P镀层具有优异的耐磨性;锡的钎焊性好,又使Ni-Sn-P具有较好的可焊性。我国锡资源丰富,锡盐无毒,其主盐造价低,用Ni-Sn-PP镀层代替Ni-P,综合性能优异、市场潜力大、应用范围广(如汽车制造业、航空航天、计算机,电子元件等),此外还可作为触点合金用于开关等电器元件,在通电情况下,镀层耐熔性、耐磨性等都有所提高。因此,研究开发化学镀Ni-Sn-P工艺具有重要的应用价值。
    目前,对化学镀Ni-Sn-P工艺进行了一些研究[1～5],但由于金属锡不具有自催化活性,镀速较慢,镀液稳定性有待进一步提高。本研究采用化学镀镍磷合金复合稳定剂[6]作为稳定剂,PdCl2催化试验均在2h以上,解决了镀液稳定性问题,重点考察了甘氨酸、丙酸、丁二酸等有机酸促进剂对化学镀Ni-Sn-P镀速、镀层硬度、耐蚀性等性能的影响规律,并通过正交试验进行优化。
    1　试　验
    (1)材料:A3钢,40mm×40mm×1mm。
    (2)仪器:HVS 1000型数显显微硬度计;AB104 N型电子分析天平;DK 98 I型电热恒温水浴锅;PHS 3C型精密pH计。
    (3)方法:采用氯化钯加速试验法[7]测试镀液稳定性;采用称重法[7]测试沉积速率;采用贴滤纸法[8]测定镀层孔隙率。    基础液组成:25g/LNiSO4·6H2O,28g/LNaH2PO2·H2O,13g/LNaAc·3H2O,15g/LSnCl4·3H2O,5g/L酒石酸钾钠,15g/L柠檬酸三钠,35mL/L乳酸,稳定剂由KI与烯丙基硫脲复合形成[7],pH=4.8～5.0。
    2　结果与分析
    2.1　甘氨酸对镀速、镀层性能的影响
    甘氨酸是结构最简单的氨基酸,对化学镀镍磷合金具有一定加速作用。通过改变在镍锡磷配方中的用量,考察其对化学镀镍锡磷工艺的影响。
。
    图1、图2、图3表明,甘氨酸浓度在0～10mg/L内,随浓度增加镀速增加显著,当浓度为10mg/L时,镀速最大;此时,镀层硬度提高,孔隙率显著下降;当甘氨酸浓度为100mg/L时镀层硬度最高,浓度为40mg/L时镀层孔隙率最低;浓度继续增加时,镀速下降,硬度降低,孔隙率增加。这表明在低浓度范围内,甘氨酸对Ni Sn P镀层生成具有较好的催化作用,能使镀层硬度和致密性提高。
    2.2　丙酸对Ni Sn P镀液及镀层性能影响
    丙酸为小分子羧酸,也是化学镀镍磷合金常用的加速剂。对化学镀Ni Sn P工艺的试验表明,当丙酸用量为4mL/L时,加速作用最显著(见图4),而此时镀层孔隙率最小(见图5)。由图6看出,丙酸对镀层显微硬度影响不大,当用量超过4mL/L时,显微硬度基本不变。

    2.3　丁二酸对化学镀Ni Sn P影响
    由图7看出,丁二酸的加入对化学镀Ni Sn P的镀速基本没有影响。图8、图9表明,丁二酸浓度在0～1g/L内,其用量增加,镀层孔隙率降低,当用量超过1g/L时,孔隙率变化较小;当用量在0～4g/L时,浓度提高,硬度增大;当丁二酸用量为3g/L时,显微硬度最高,由460HV0.5N提高到525HV0.5N,用量再提高,硬度下降。

    2.4　优化作用
    为使以上3种促进剂达到最佳匹配,提高镀层的综合性能,结合各因素对镀液及镀速的影响规律,设计了3因素4水平正交试验L16(43)(见表1)。由于采用了复合稳定剂,镀液稳定性非常高。为突出解决镀速问题,以镀速为主要考察指标,兼顾镀层孔隙率对各因素进行优化,结果见表2。

    2.5　机理分析
    从3种促进剂对化学镀镍锡磷镀速、镀层孔隙率和镀层硬度影响规律看出,促进剂加速越显著,镀层孔隙率越低、显微硬度越高,其原因主要是3种促进剂对镀层的形成有催化作用,同时对金属离子还有一定配位作用。当促进剂用量较低时,以催化作用为主,镀速快,形成晶核多,结晶细致均匀,因此镀层孔隙率低、硬度高;当用量增加至一定程度时,配位作用占主导地位,镀速下降,初期晶核数量降低,镀层致密性下降,因而引起镀层孔隙率提高、硬度降低。
    3　结　论
    (1)甘氨酸和丙酸对化学镀Ni Sn P的镀速影响显著,而丁二酸没有显著的加速作用;当甘氨酸浓度为10mg/L、丙酸浓度为4mL/L时,镀速最快。
    (2)甘氨酸和丁二酸的加入对镀层硬度都有所提高,而丙酸对Ni Sn P镀层硬度影响较小。如单独使用,甘氨酸浓度100mg/L、丁二酸浓度为3g/L时,镀层硬度最高。
    (3)甘氨酸、丙酸和丁二酸对化学镀Ni Sn P镀层的孔隙率都有不同程度降低,其中甘氨酸和丙酸作用显著;当甘氨酸浓度为40mg/L、丙酸为4mL/L时,镀层孔隙率最低。
    (4)通过正交试验对3种促进剂优化,当甘氨酸浓度25.0mg/L、丙酸浓度4.0mL/L、丁二酸浓度为2.5g/L时,镀速提高至14～15μm/h,硬度在480～550HV0.5N之间,孔隙率几乎为0。
    (5)促进剂对镀层的镀速、孔隙率和硬度有相互影响作用,促进剂加速越显著,镀层孔隙率越低、硬度越高。