酸性锌镍合金电镀工艺参数对镀层镍含量的影响

秦锐，张骐 ，骆晨，詹中伟，张凯，孙志华，宇波，李秀敏

（1.上海飞机制造有限公司，上海 200436；2.北京航空材料研究院中国航空发动机集团航空材料先进腐蚀与防护重点实验室，北京 100095）

电镀锌镍合金工艺是目前最有可能替代镉镀层的表面处理工艺之一。锌镍镀层的镍含量一般为5% ～15%，具有很高的耐蚀性和优良的机械性能，极具发展前途。目前，锌镍合金电镀工艺主要分为酸性和碱性两大体系，其中酸性体系具有镀液成分简单、阴极电流效率高、镀液稳定等优点，尤其适合替代常规电镀镉工艺。

通常认为锌镍合金镀层在镍的质量分数为13%左右时具有最好的耐蚀性。而酸性氯化物电镀锌镍合金的工艺特性决定了镀层中镍含量会随着镀液使用时间的延长而不停地波动，因此电镀锌镍合金工艺需要持续调整，才能保证镀层中镍含量始终保持在一个合适的范围内[1-2]。

本文研究了酸性氯化物电镀锌镍合金工艺中镀液镍锌比(即镀液中镍离子与锌离子的浓度比)、电镀温度、阴极电流密度、氯化铵含量、电镀方式[3]等因素对镀层镍含量的影响，为镀层镍含量的调整提供指导。

1 实验

1.1 工艺流程

以40 mm × 60 mm × 2 mm的300M(40CrNi2Si2MoVA)钢板为基材，工艺流程为：除油→吹干→吹砂→水洗→电镀锌镍合金→水洗→吹干。

1.1.1 除油

采用北京航空材料研究院的RJ-1型清洗剂，室温下超声30～120 s。

1.1.2 吹砂

采用干式喷砂机，100目的白刚玉砂，喷砂压力约0.4 MPa，喷砂距离约100 mm。

1.1.3 电镀锌镍合金

镀液成分包含无水氯化锌、六水合氯化镍、氯化铵、氯化钾、硼酸及微量表面活性剂。

电镀使用锌板和镍板为阳极，其面积比为(5～1)∶1。以2台电源分别控制锌板及镍板的电流密度，其中83%的电流通过锌阳极，17%的电流通过镍阳极。

1.2 镀层镍含量测试方法

使用FEI公司的Quanta 600扫描电子显微镜(SEM)配备的能谱仪(EDS)测定镀层的镍含量。

2 结果与讨论

2.1 镍锌比对镀层镍含量的影响

在保证镀液中锌、镍离子总浓度为1.239 mol/L不变的情况下，考察镍锌比对镀层镍含量的影响。无水氯化锌及六水合氯化镍的含量见表1，实验结果见图1。当镍锌比低时，镀层镍含量随镍锌比的升高而升高；随着镍锌比的增大，镀层镍含量改变不明显，即镍含量−镍锌比曲线出现平台区(30 °C时，平台区为0.5～0.9；35 °C时，平台区为0.7～1.0；40 °C时，平台区为0.7～1.0)，经过平台区后，镀层镍含量随着镍锌比的增大而显著升高。

表1 镍锌离子比的选取及对应主盐含量Table 1 Selection of the ratio of nickel to zinc and the content of the corresponding main salt

2.2 电镀温度对镀层镍含量的影响

以35 °C为中心向上下每隔3～4 °C选择一个试验点进行实验，结果如图2所示。随着温度的升高，镀层的镍含量始终处于上升的状态，未出现镍含量相对稳定的平台区。

图1 镀层镍含量随镍锌比的变化Figure 1 Variation of nickel content of coating with the concentration ratio of nickel to zinc

图2 镀层镍含量随镀液温度的变化Figure 2 Variation of nickel content of coating with bathtemperature

2.3 阴极电流密度对镀层镍含量的影响

以阴极电流密度0.3 A/dm2为起点，向上每隔0.4 A/dm2选择一个试验点。如图3所示，当阴极电流密度较小时，随着阴极电流密度的升高，镀层中镍含量有所下降；但当阴极电流密度为1.5～2.7 A/dm2时，出现平台区，镀层镍含量在此区域内稳定；进一步增大电流密度后，镀层的镍含量降低。

2.4 氯化铵含量对镀层镍含量的影响

如图4所示，镀层镍含量随着氯化铵含量的升高而轻微降低。

图3 镀层镍含量随阴极电流密度的变化Figure 3 Variation of nickel content of coating with cathodic current density

图4 镀层镍含量随氯化铵含量的变化Figure 4 Variation of nickel content of coating with the content of ammonium chloride

2.5 电镀方式对镀层镍含量的影响

对比研究了常规直流电镀、磁力搅拌下的直流电镀和脉冲电镀对镀层镍含量的影响，结果如图5所示。可见磁力搅拌对镀层镍含量几乎无影响，而脉冲电镀可以显著提高镀层的镍含量。

图5 镀层镍含量随电镀方式的变化Figure 5 Variation of nickel content of coating with electroplating mode

3 结论

弱酸性氯化物体系电镀锌镍合金中各主要组分及工艺参数对镀层镍含量的影响趋势如下：

(1) 在较低的镍锌比下，镀层镍含量随镍锌比的升高而升高；镍锌比达到一定程度时，镀层镍含量变化不明显，即镍含量−镍锌比曲线出现平台区；过了上述平台区后，镀层镍含量随着镍锌比的升高而显著升高。

(2) 随着镀液温度的升高，镀层的镍含量一直上升。

(3) 当阴极电流密度较低时，随着阴极电流密度的升高，镀层镍含量有所下降；继续增大阴极电流密度，镀层镍含量在一定范围内稳定；当进一步增大阴极电流密度，镀层镍含量降低。

(4) 镀层镍含量随着氯化铵含量的升高而轻微降低。

(5) 磁力搅拌对镀层镍含量几乎无影响，而脉冲电镀可以显著提高镀层的镍含量。