碳鋼化學鍍鎳工藝研究論文

PAGE17設(shè)計題目：碳鋼化學鍍鎳工藝研究學生姓名：所在院系：機電學院所學專業(yè)：機電技術(shù)教育導師姓名：完成時間：摘要本文主要通過對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機玻璃)表面進行預(yù)處理：去應(yīng)力——除油——粗化——敏化——活化。去應(yīng)力工藝使有機玻璃表面能均勻金屬化，并且結(jié)合力良好，這里使用化學的方法進行去應(yīng)力；有機玻璃表面是疏水的，這使得在其表面進行化學處理發(fā)生困難。為了使后面的各項工序順利進行，除油是必不可少的工序，它可使粗化過程得到最佳效果；有機玻璃表面光滑,雖然經(jīng)過前面的除油工序表面已無油污,但光滑的表面是無法得到結(jié)合力良好的鍍層的，因此必須進行粗化處理,使表面失去原來的光澤,變成均勻細致的毛面；敏化的目的是為了在非金屬表面建立起以貴金屬為核心的催化中心準備條件，因此敏化劑也還是還原劑；在進行活化工藝時，考慮到活化方法的多樣性，本實驗采用多次試驗的方法以選擇最優(yōu)方案。預(yù)處理后采用含穩(wěn)定劑、緩沖劑及絡(luò)合劑配合使用的低溫酸性化學鍍的方法,在有機玻璃表面得到鎳鍍層。該工藝具有沉積溫度低(60～70)℃,鍍速高,鍍液穩(wěn)定等特點。實驗結(jié)果表明：該鍍層與基體結(jié)合力良好，耐磨性、耐蝕性良好。關(guān)鍵字：有機玻璃,預(yù)處理,化學鍍,鎳鍍層。AbstractInthispaper,mainlythroughthepolymethylmethacrylate(PMMA,commonlyknownasplexiglass)surfacepretreatment:tostress-removal-ofcrude-sensitization-activation.Tostresstheplexiglasssurfaceofmetalcanbeuniform,andagoodcombinationofpower,wheretheuseofchemicalmethodstostress;plexiglasssurfaceishydrophobic,whichmakesthesurfaceforchemicaltreatmentdifficult.Inordertomaketheprocessbehindthesmoothconductoftheoilremovalprocessisessential,itcanberoughprocessbest;plexiglasssurfacesmooth,despitetheremovalprocessinfrontofthesurfacethereisnooilpollution,butthesmoothThesurfaceisunabletogetagoodcombinationofthecoating,andthereforetheneedforroughtreatment,thelossoftheoriginalshinysurface,auniformanddetailedhairsurface;sensitizationisaimedatnon-metallicsurfaceinordertoestablishapreciousmetalsasthecoreCentrepreparedbytheconditions,so-reducingagentoragentshave,duringactivationprocess,takingintoaccounttheactivationofthediversityofways,thisexperimentusedseveralmethodstotesttheoptimalchoiceofprogrammes.Pretreatedwithastabilizingagent,bufferandcomplexingagentwiththeuseofthelow-temperatureacidicchemicalplatingmethods,intheplexiglasssurfacebynickel.Theprocesshasdepositedalowtemperature(60~70)℃,platingrate,bathstabilityandsoon.Theresultsshowedthat:thecoatingandsubstratecombinationofgoodwearresistance,corrosionresistancegood.

Keyword:plexiglass,pretreatment,chemicalplating,nickelcoating.目錄1前言 12化學鍍鎳的基本原理 23試驗材料和方法 33.1試驗材料 33.2試驗方法 33.2.1工藝流程 33.2.2化學鍍鎳鍍液穩(wěn)定性的測定 53.2.3化學鍍鎳的主要技術(shù)指標 63.2.4正交試驗設(shè)計及評價依據(jù) 63.2.5化學鍍鎳溶液組成及配方 63.2.6試驗步驟 104試驗結(jié)果與分析 114.1各工藝條件對化學鍍層的影響 114.1.1鍍液溫度的影響 114.1.2pH值的影響 124.1.3施鍍時間的影響 124.2正交試驗結(jié)果與分析 124.3鍍層質(zhì)量分析 165結(jié)論 16致謝 16參考文獻 171前言化學鍍鎳技術(shù)是采用金屬鹽和還原劑，在材料表面上發(fā)生自催化反應(yīng)獲得鍍層的方法?；瘜W鍍與電鍍相比具有許多優(yōu)點：以往煤礦綜采支架上用的立柱、千斤頂、油缸的防腐均采用鍍鉻及鍍鋅，由于受幾何形狀的影響，只能對活塞桿、活塞、導向套等簡單部件進行電鍍，稍微復雜一點的內(nèi)孔、溝槽就很難采用電鍍的方法來解決防腐問題，且鍍液廢水對環(huán)境污染嚴重。化學鍍鎳在以往煤礦綜采支架油缸上還未使用過，也不敢輕易變更防腐工藝。通過實際考察和檢驗，該方法完全可行，只要對產(chǎn)品鍍層的質(zhì)量嚴格控制，完全能保證產(chǎn)品的使用性能。經(jīng)該工藝處理后的金屬表面為非晶態(tài)鍍層，有許多優(yōu)良性能[1-3]：（1）均鍍、深鍍能力強。（2）硬度高。鍍層硬度在鍍態(tài)時為HV500～600，經(jīng)不同溫度不同保溫時間的熱處理后，鍍層的硬度可達HV1100，可與堆焊硬化層、陶瓷相媲美。（3）耐磨性能好。在無潤滑條件下，鍍層對鋼的摩擦系數(shù)為0.38。（4）耐蝕性能好。由于鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，消除了晶態(tài)合金中的晶界、位錯及偏析等缺陷，進一步改善了合金的耐蝕性能。（5）結(jié)合力強。鍍層與金屬的結(jié)合力非常好，一般在低碳鋼上為343～412MPa，在不銹鋼上為156～196MPa，鍍層熱處理后可進一步提高結(jié)合力。（6）良好的可焊性。（7）具有電磁波屏蔽性能，當鍍層中的磷含量達到12%以上，鍍層是非磁性的，屏蔽效果很好。（8）大規(guī)模應(yīng)用成本低、操作簡便、具有清潔生產(chǎn)的環(huán)境效應(yīng)。80年代，歐美等工業(yè)化國家在化學鍍技術(shù)的研究，開發(fā)和應(yīng)用得到了飛躍發(fā)展，平均每年有15–20%表面處理技術(shù)轉(zhuǎn)為使用化學鍍技術(shù)，使金屬表面得到更大的發(fā)展，并促使化學鍍技術(shù)進入成熟時期。為了滿足復雜的工藝要求，解決更尖端的技術(shù)難題，化學鍍技術(shù)不斷發(fā)展，引入多種合金鍍層的化學復合技術(shù)，即三元化學鍍或多元化學鍍技術(shù)，得到了一些成果。例如在Ni-P(鎳—磷)鍍層中，引入PTFE的復合鍍層比單一的Ni-P鍍層有更佳的耐磨性及自潤滑性能；在Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入金屬鎢，使到Ni-W-P(鎳—鎢—磷)鍍層進一步提高硬度[4]，在耐磨性能方面得到很好的效果；有Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入銅，使Ni-Cu-P鍍層較好的耐蝕性能；還有Ni-Fe-p(鎳—鐵—磷)、Ni-Co-p(鎳—鈷—磷)、Ni-Mo-p(鎳—鉬—磷)等鍍層在電腦硬碟及磁聲記錄系統(tǒng)中及感測器薄膜電子方面得到廣泛的應(yīng)用[5]。化學鍍技術(shù)由于工藝本身的特點和優(yōu)異性能，用途相當廣泛。中國在80年代才開始在化學鍍方面進行探討，國家在1992年分布了國家標準（GB/T13913—92），稱之為自催化鎳—磷鍍層。中國已將化學鍍技術(shù)廣泛用在汽車工業(yè)、石油化工行業(yè)、機械電子、紡織、印刷、食品機械、航空航太、軍事工業(yè)等各種行業(yè)，由于電子電腦、通訊等高科技產(chǎn)品的應(yīng)用和迅速發(fā)展，為化學鍍提供了廣闊的市場。2000年以后，一方面由于國家注重環(huán)保，另一方面中國的工業(yè)發(fā)展了對金屬表面處理要求提高了，加快了化學鍍這一技術(shù)的發(fā)展，國家的高新技術(shù)目錄也新增了化學鍍?；瘜W鍍雖然在中國的起步比較晚，但近年發(fā)展相當快，有些性能的技術(shù)指標完全可以與歐美的化學鍍比美，加上價格低、適應(yīng)中國企業(yè)的工藝流程，發(fā)展前景備受注目。目前中國化學鍍研究在北方，推廣應(yīng)用主要在廣東。在廣東應(yīng)用化學鍍的企業(yè)占全國三分之一以上，其中一些上規(guī)模的企業(yè)，具有技術(shù)抗衡，同時價格具有相當?shù)木範幜?。正是由于化學鍍鎳層上述的諸多優(yōu)點，本文主要通過在碳鋼表面進行化學鍍鎳。碳鋼是含碳量小于1.35%，除鐵、碳和限量以內(nèi)的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)外，不含其他合金元素的鋼。碳鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳鋼使用最早，成本低，性能范圍寬，用量最大。在碳鋼表面化學鍍鎳是提高碳鋼綜合性能的一種有效方法,不但可以有效提高碳鋼表面的硬度、耐磨和耐蝕性，還可以改善碳鋼表面的某些工藝性能，如釬焊性、可拋光性等。目前,雖然碳鋼已在很多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，但是由于鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，使其塑性和沖擊性降低；當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞；碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。由于碳鋼的這些特點使得碳鋼在某些領(lǐng)域(如電子電器等)的應(yīng)用受到了很大的限制，如何提高碳鋼表面的耐腐蝕性就成為當今碳鋼表面處理技術(shù)研究的一個熱點。目前以次亞磷酸鈉作為還原劑的化學鍍鎳溶液應(yīng)用的最廣，其中采用酸性鍍液沉積速度快，可以獲得耐腐蝕性好的鍍層。這類鍍液一般含有4—7g/L鎳離子，15—35g/L的次亞磷酸鈉，PH值4.6—5.2，溫度88—95℃，因此本文采用酸性化學鍍鎳工藝對提高碳鋼表面耐腐蝕性能的研究。2化學鍍鎳的基本原理碳磷化學鍍鎳的基本原理是以此亞磷酸鹽為還原劑，將鎳鹽還原成鎳，因此使鎳層中含有一定的磷。沉淀的鎳膜具有自催化性，可使反應(yīng)自動進行下去。關(guān)于Ni—P化學鍍的具體反應(yīng)機理，目前尚無統(tǒng)一認識，現(xiàn)在為大多數(shù)人所接受的是原子氫態(tài)理論[7-9]：（1）鍍液在加熱時，通過次亞磷酸鹽在水溶液中脫氫，而形成亞磷酸根，同時放出初生態(tài)原子氫，即：H2PO2-+H2O→HPO32-+H++2[H]（1）（2）初生態(tài)的原子氫吸附催化金屬表面而使之活化，使鍍液中的鎳陽離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳，即：Ni2++2[H]→Ni0+2H+（2）（3）隨著次亞磷酸根的分解，還原成磷，即：H2PO2-+[H]→P+H2O+OH-（3）（4）鎳原子和磷原子共同沉積而形成Ni—P固溶體。由此得出，其基本原理是通過鎳液中的離子還原，同時伴隨著次亞磷酸鹽的分解而產(chǎn)生磷原子進入鍍層，形成過飽和的Ni—P固溶體。3試驗材料和方法3.1試驗材料本次實驗所采用的主要試劑有：硫酸鎳、硫酸鎘、十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸、次亞磷酸鈉、復合穩(wěn)定劑及復合絡(luò)合劑。本次實驗所用施鍍基體材料:碳鋼試片；本次實驗要用到的儀器有：BT-B電子天平（可以方便的測出所用的化學藥品的重量，精度為0.01g）；PHB系列筆型pH計；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋（提供實驗時所要求的溫度）一列二孔；數(shù)顯千分尺（精度為0.001mm）。3.2試驗方法3.2.1工藝流程本文采用的工藝流程為:機械除油除銹→水洗→化學除油→水洗→酸洗（除銹）→水洗→酸性化學鍍鎳→水洗→烘干。（1）機械除油除銹一般的工件表面都有油污和銹蝕,大量油污可用干布擦凈,銹蝕的部位用水砂紙打磨。有的工件表面有銹皮、焊渣、舊漆層等，則需進行機械拋光、振光或噴砂處理。（2）化學除油①除油液配方：氫氧化鈉20g/L碳酸鈉30g/L磷酸鈉30g/LOP-101g/②工藝條件：溫度：60-80℃時間：3-5分鐘（3）酸洗①酸洗液配方：30%稀鹽酸（體積比）①工藝條件：溫度：室溫時間：15-30分鐘（4）酸性化學鍍液成分分析為了保證化學鍍鎳的質(zhì)量，必須始終保持鍍浴的化學成分、工藝技術(shù)參數(shù)在最佳范圍（狀態(tài)）。1）Ni2+濃度鍍液中鎳離子濃度常規(guī)測定方法是用EDTA絡(luò)合滴定,紫脲酸胺為指示劑。①試劑：濃氨水（密度：0.91g/mL）。紫脲酸胺指示劑（紫脲酸胺：氯化鈉=1：100）。EDTA溶液0.05mol，按常規(guī)標定。②分析方法：用移液管取出10mL冷卻后的化學鍍鎳液于250mL的錐形瓶中，并加入100mL蒸餾水、15mL濃氨水、約0.2g指示劑，用標定后的EDTA溶液滴定，當溶液顏色由淺棕色變至紫色即為終點。③鎳含量的計算：CNi2+=5.87M·V(g/L)式中M—標準EDTA溶液的摩爾濃度；V—耗用標準EDTA溶液的毫升數(shù)。2）還原劑濃度次亞磷酸鈉NaH2PO2·H2O濃度的測定：其原理是在酸性條件下，用過量的碘氧化次磷酸鈉，然后用硫代硫酸鈉溶液反滴定自剩余的碘，淀粉為指示劑。①試劑： 鹽酸1：1；碘標準溶液0.1mol按常規(guī)標定。淀粉指示劑1%；硫代硫酸鈉0.1mol按常規(guī)標定。②分析方法：用移液管量取冷卻后的鍍液5mL于帶蓋的250mL錐形瓶中；加入鹽酸25mL碘標準溶液于此錐形瓶中，加蓋，置于暗處0.5h（溫度不得低于25℃）；打開瓶蓋，加入1mL淀粉指示劑，并用硫代硫酸鈉標準溶液滴定至藍色消失為終點。③計算：CNaH2PO2·H2O=10.6(2M1V1－M2V2)(g/L)（4）式中M1—標準碘溶液的摩爾濃度；V1—標準碘溶液毫升數(shù)；M2—標準硫代硫酸鈉溶液的摩爾濃度；V2—耗用標準硫代硫酸鈉溶液毫升數(shù)。3）NaHPO3·5H2O的濃度化學鍍鎳浴還原劑反應(yīng)產(chǎn)物中影響最大的是次亞磷酸鈉的反應(yīng)產(chǎn)物亞磷酸鈉。其他種類的還原劑的反應(yīng)產(chǎn)物的影響較小甚至幾乎無影響，如DMAB。其測定原理是在堿性條件下，用過量的碘氧化亞磷酸鈉，但次亞磷酸鈉不參加反應(yīng)；然而，用硫代硫酸鈉反滴定剩余的碘，淀粉為指示劑。①試劑：碳酸氫鈉溶液5%；醋酸98%；其余試劑同前。②分析方法：用移液管量取冷卻后的鍍液5ml于250mL的錐形瓶中（可視NaHPO3含量多少決定吸取鍍液體積），加入蒸鎦水40mL。加入碳酸氫鈉溶液50mL，使用移液管量取40mL標準碘溶液于錐形瓶中，加蓋，放置暗處1h。開啟瓶蓋，滴加醋酸至PH<4，搖勻，用硫代硫酸鈉滴定至溶液呈淡黃色，加入淀粉試劑1mL，繼續(xù)滴定至藍色消失1min即為終點。③計算：CNaHPO3=12.6(2M1V11－M2V2)(g/L)（5）式中M1—標準碘溶液的摩爾濃度；V1—標準碘溶液毫升數(shù)；M2—標準硫代硫酸鈉溶液的摩爾濃度；V2—耗用標準硫代硫酸鈉溶液毫升數(shù)。3.2.2化學鍍鎳鍍液穩(wěn)定性的測定取試驗化學鍍鎳液50mL，盛于100mL的試管中，浸入已經(jīng)恒溫至60±1℃的水浴中，注意使試管內(nèi)溶液面低于恒溫水浴液面約2cm。半小時后，在攪拌下，使用移液管量取濃度為100×10-6的氯化鈀溶液1mL于試管內(nèi)。記錄自注入氯化鈀溶液至試管內(nèi)，化學鍍浴開始出現(xiàn)混濁（沉淀）所經(jīng)歷的時間，以秒表示。這是一種測定化學鍍鎳浴穩(wěn)定性的加速試驗方法，可作為鑒別不同化學鍍鎳浴穩(wěn)定性時的參考；亦可用于化學鍍鎳浴在使用過程中穩(wěn)定性的監(jiān)控，如果上述試驗出現(xiàn)混濁時間明顯加快，說明化學鍍鎳浴處于不穩(wěn)定狀態(tài)。3.2.3化學鍍鎳的主要技術(shù)指標（1）鍍層厚度10-60μm（2）硬度HV550-1100（相當于HRC55～72）（3）結(jié)合強度大于15kg/mm（4）耐腐蝕性能大大優(yōu)于不銹鋼。3.2.4正交試驗設(shè)計及評價依據(jù)在已確定化學鍍鎳主配方的基礎(chǔ)上，為了進一步提高化學鍍液的穩(wěn)定性，改善鍍層性能以及提高鍍速，本次試驗采用正交試驗法優(yōu)選出一組新型四元復合劑。該復合劑包括十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸、硫酸鎘作為正交試驗的四個因素進行4因素×3水平正交試驗,即L9（34）,各因素和水平設(shè)計見表1。正交試驗主要評價依據(jù)為碳鋼在鍍鎳過程中的反應(yīng)速度來進行具體評價。表1正交試驗因素水平表水平因素（g/L)硫酸鎘十二烷基磺酸鈉蘋果酸丁二酸10.00050.0255520.001250.05101030.0020.07515153.2.5化學鍍鎳溶液組成及配方（1）化學鍍鎳溶液組成及其作用為了使鍍液穩(wěn)定，鍍速適當及鍍層質(zhì)量優(yōu)良，在化學沉積鎳磷合金的過程中，除了需要及時地補充所消耗的主鹽外，還需要在鍍液中加入適量的絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑、緩沖劑、促進劑、穩(wěn)定劑、光亮劑、潤濕劑等。1）主鹽化學鍍鎳溶液中的主鹽就是鎳鹽，如硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳等，由它們提供化學鍍反應(yīng)過程中所需要的鎳離子。早期曾用過氯化鎳做主鹽，但由于氯離子的存在不僅會降低鍍層的耐蝕性，還產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以目前已很少有人使用。同硫酸鎳相比用醋酸鎳做主鹽對鍍層性能是有益的。但因其價格昂貴而無人使用。其實最理想的鎳離子來源應(yīng)該是次磷酸鎳，使用它不至于在鍍浴中積存大量的硫酸根，也不至于在使用中隨著補加次磷酸鈉而帶入大量鈉離子，同樣因其價格因素而不能被工業(yè)化應(yīng)用。目前應(yīng)用最多的就是硫酸鎳，由于制造工藝稍有不同而有兩種結(jié)晶水的硫酸鎳。因為硫酸鎳是主鹽，用量大，在鍍中還要進行不斷的補加，所含雜質(zhì)元素會在鍍液的積累，造成鍍液鍍速下降、壽命縮短，還會影響到鍍層性能，尤其是耐蝕性。所以在采購硫酸鎳時應(yīng)該力求供貨方提供可靠的成分化驗單，做到每個批量的質(zhì)量穩(wěn)定，尤其要注意對鍍液有害的雜質(zhì)尤其是重金屬元素的控制。2）還原劑用得最多的還原劑是次磷酸鈉，原因在于它的價格低、鍍液容易控制，而且合金鍍層性能良好。次磷酸鈉在水中易于溶解，水溶液的pH值為6。是白磷溶于NaOH中，加熱而得到的產(chǎn)物。目前國內(nèi)的次磷酸鈉制造水平很高，除了國內(nèi)需求外還大量出口。3）絡(luò)合劑化學鍍鎳溶液中除了主鹽與還原劑以外，最重要的組成部分就是絡(luò)合劑。鍍液性能的差異、壽命長短主要取決于絡(luò)合劑的選用及其搭配關(guān)系。

絡(luò)合劑的第一個作用就是防止鍍液析出沉淀，增加鍍液穩(wěn)定性并延長使用壽命。如果鍍液中沒有絡(luò)合劑存在，由于鎳的氫氧化物溶解度較小，在酸性鍍液中便可析出淺綠色絮狀含水氫氧化鎳沉淀。硫酸鎳溶于水后形成六水合鎳離子，它有水解傾向，水解后呈酸性，這時即析出了氫氧化物沉淀。如果六水合鎳離子中有部分絡(luò)合劑存在則可以明顯提高其抗水解能力，甚至有可能在堿性環(huán)境中以鎳離子形式存在。不過，pH值增加，六水合鎳離子中的水分子會被OH根取代，促使水解加劇，要完全抑制水解反應(yīng)，鎳離子必須全部結(jié)合以得到抑制水解的最大穩(wěn)定性。鍍液中還有較多次磷酸根離子存大，但由于次磷酸鎳溶液度較大，一般不致析出沉淀。鍍液使用后期，溶液中亞磷酸根聚集，濃度增大，容易析出白色的NiHPO3.6H2O沉淀。加入絡(luò)合劑以后溶液中游離鎳離子濃度大幅度降低，可以抑制鍍液后期亞磷酸鎳沉淀的析出。

絡(luò)合劑的第二個作用就是提高沉積速度，加絡(luò)合劑后沉積速度增加的數(shù)據(jù)很多。加入絡(luò)合劑使鍍液中游離鎳離子濃度大幅度下降，從質(zhì)量作用定律看降低反應(yīng)物濃度反而提高了反應(yīng)速度是不可能的，所以這個問題只能從動力學角度來解釋。簡單的說法是有機添加劑吸附在工件表面后，提高了它的活性，為次磷酸根釋放活性原子氫提供更多的激活能，從而增加了沉積反應(yīng)速度。絡(luò)合劑在此也起了加速劑的作用。

能應(yīng)用于化學鍍鎳中的絡(luò)合劑很多，但在化學鍍鎳溶液中所用的絡(luò)合劑則要求它們具有較大的溶解度，存在一定的反應(yīng)活性，價格因素也不容忽視。目前，常用的絡(luò)合劑主要是一些脂肪族羧酸及其取代衍生物，如丁二酸、檸檬酸、乳酸、蘋果酸及甘氨酸等，或用它們的鹽類。在堿浴中則用焦磷酸鹽、檸檬酸鹽及銨鹽。不飽和脂肪酸很少使用，因不飽和烴在飽和時要吸收氫原子，降低還原劑的利用率。而常見的一元羧酸如甲酸、乙酸等則很少使用，乙酸常用作緩沖劑，丙酸則用作加速劑。4）穩(wěn)定劑化學鍍鎳溶液是一個熱力學不穩(wěn)定體系，由于種種原因，如局部過熱、pH值提高，或某些雜質(zhì)影響，不可避免的會在鍍液中出現(xiàn)一些活性微?！呋诵模瑰円喊l(fā)生激烈的均向自催化反應(yīng)，產(chǎn)生大量Ni—P黑色粉末，導致鍍液短期內(nèi)發(fā)生分解，逸出大量氣泡，造成不可挽救的經(jīng)濟損失。這些黑色粉末是高效催化劑，它們具有極大的比表面積與活性，加速了鍍液的自發(fā)分解，幾分鐘內(nèi)鍍液將報廢生效。穩(wěn)定劑的作用就在于抑制鍍液的自發(fā)分解，使施鍍過程在控制下有序進行。穩(wěn)定劑是一種毒化劑，即毒性催化劑，只需加入痕量就可以抑制鍍液自發(fā)分解。穩(wěn)定劑不能使用過量，過量后輕則減低鍍速，重則不再起鍍。大致把我們從前用的穩(wěn)定劑分為四類：①第六主族元素S、Se、Te的化合物；②某些含氧化合物；③重金屬離子；④水溶性有機物。以上所說的是以次磷酸根作還原劑為例子，但其基本原理在胺基硼化物浴中同樣適用。但強堿性的硼氫化鈉浴及90℃溫度下，有些穩(wěn)定劑往往會分解、沉淀而失效。另外，硝酸鉈還能增加較低溫度下鍍浴的沉積速度。鉈鹽能在Ni—B鍍層沉積，有時高達6%的含量。5）加速劑為了增加化學鍍的沉積速度，在化學鍍鎳溶液中還加入一些化學藥品，它們有提高鍍速的作用而被稱為加速劑。加速劑的作用機理被認為是還原劑次亞磷酸根中氧原子可以被一種外來的酸根取代形成配位化合物，或者說加速劑的陰離子的催化作用是由于形成了雜多酸所致。在空間位阻作用下使H-P鍵能減弱，有利于次磷酸根離子脫氫，或者說增加了次磷酸的活性。實驗表明，短鏈飽和脂肪酸的陰離子及至少一種無機陰離子，有取代氧促進次磷酸根脫氫而加速沉積速度的作用。化學鍍鎳中許多絡(luò)合劑即兼有加速劑的作用。6）緩沖劑化學鍍鎳過程中由于有氫離子產(chǎn)生，使溶液pH值隨施鍍進程而逐漸降低，為了穩(wěn)定鍍速及保證鍍層質(zhì)量，化學鍍鎳體系必須具備PH值緩沖能力，也就是說使之在施鍍過程中pH值不至于變化太大，能維持在一定pH值范圍內(nèi)的正常值。某些弱酸（或堿）與其鹽組成的混合物就能抵消外來少許酸或堿以及稀釋對溶液pH值變化的影響，使之在一個較小范圍內(nèi)波動，這種物質(zhì)稱為緩沖劑。緩沖劑緩沖性能好壞可用pH值與酸濃度變化圖來表示，酸濃度在一定范圍內(nèi)波動而pH值卻基本不變的體系緩沖性能好?；瘜W鍍鎳溶液中常用的一元或二元有機酸及其鹽類不僅具備絡(luò)合鎳離子的能力，而且具有緩沖性能。在酸性鍍浴中常用的HAC-NaAC體系就有良好的緩沖性能，但醋酸根的絡(luò)合能力卻很小，它一般不做絡(luò)合劑用。7）其它組份與電鍍鎳一樣，在化學鍍鎳溶液中加入少許的表面活性劑，它有助于氣體的逸出、降低鍍層的孔隙率。另外，由于使用的表面活性劑兼有發(fā)泡劑作用，施鍍過程中在逸出大量氣體攪拌情況下，鍍液表面形成一層白色泡沫，它不僅可以保溫、降低鍍液的蒸發(fā)損失、減少酸味，還使許多縣浮的臟物夾在泡沫中而易于清除，以保持鍍件和鍍液的清潔。表面活性劑是這樣一類物質(zhì)，在加入很少量時就能大幅度地降低溶劑的表面張力、界面張力，從而改變體系狀態(tài)。在固—液界面上由于固體表面上原子或分子的價鍵力是未飽和的，與內(nèi)部原子或分子比較能量相對較高，尤其金屬表面是屬于高能表面之列，它與液體接觸時表面能總是減小的。換句話說，金屬的固—氣界面很容易被固—液界面代替（潤濕定義就是固體表面吸附的氣體為液體取代）。（2）化學鍍鎳溶液工藝及配方化學鍍鎳鍍液主要由金屬鹽、還原劑、pH值緩沖劑、穩(wěn)定劑和絡(luò)合劑等組成。鎳鹽用得最多的是硫酸鹽，還有氯化物或者乙酸鹽。還原劑主要是亞磷酸鹽、硼氫化物等。pH值緩沖劑和絡(luò)合劑通常采用的是氨或氯化銨等。次亞磷酸鈉作為還原劑的化學鍍鎳是目前使用最多的一種。其反應(yīng)的機理如下：在酸性環(huán)境：Ni4++H2PO2-+H2O→Ni+H2PO3-+2H+（6）在堿性環(huán)境：[NiXn]2++H2PO2-+3OH-→Ni+HPO32-+nX+2H2O（7）磷的析出反應(yīng)如下:H2PO2-+2H+→P+2H2O（8）2H2PO2+→P+HPO32-+H++H2O（9）H2PO2-+4H+H+→PH3+H2O（10）在酸性環(huán)境里，可以用只含鎳離子和次亞磷酸鹽的溶液進行化學鍍鎳。但是為了使工藝穩(wěn)定，必須加入緩沖劑和絡(luò)合劑。因為化學鍍鎳過程中生成的氫離子使反應(yīng)速度下降，乃至停止。常用的有醋酸鹽緩沖體系，也有用檸檬酸鹽、乳酸鹽等。絡(luò)合物可以在鍍液的pH值增高時也保持其還原能力。酸性體系里的絡(luò)合劑多數(shù)采用的是乳酸、檸檬酸、羥基乙酸及其鹽。有機添加劑對鎳的還原速度有很大影響，其中許多都是反應(yīng)的加速劑，如丙二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸以及氟離子。但是，添加劑也會使沉積速度下降，特別是穩(wěn)定劑，會明顯降低沉積速度。在配制化學鍍鎳鍍液時一定要注意所用的化學原料最好用化學純以上的材料，如果采用工業(yè)級材料，一定要先將不含還原劑的部分先溶解，例如主鹽、絡(luò)合劑等，然后加溫，再加入活性炭進行處理，過濾后再加入也經(jīng)過過濾處理的還原劑等。即使是用化學純配制，也要將還原劑與主鹽溶液分開溶解，最后才混合。并注意配制時所用容器的干凈問題，就是不能有金屬雜質(zhì)或活化性化合物殘留在容器內(nèi)，避免在工作時引發(fā)自催化反應(yīng)而使鍍液失效。配制完成后，不要急于調(diào)pH值，而是在化學鍍之前再調(diào)pH值。本次試驗采用的是正交試驗法，共需9組試驗，下表2中列出了本次試驗所需要化學鍍鎳液的配方：表2化學鍍液工藝及配方工藝及成分123456789硫酸鎳33g次亞磷酸鈉30g復合穩(wěn)定劑20g復合絡(luò)合劑47g溫度88—95PH值4.6—5.0硫酸鎘0.0005—0.002g/L蘋果酸5—15g/L十二烷基磺酸鈉0.025—0.075g/L丁二酸5—15g/L3.2.6試驗步驟（1）現(xiàn)將9塊碳鋼試樣進行機械除油除銹，然后水洗，風干。（2）將處理后的試樣放入氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉組成的配方進行化學除油10分鐘左右。如果一次除油不徹底，應(yīng)用水沖洗后再浸入除油液中，如此反復操直至油除凈為止。油除凈的標準是基體表面達到完全潤濕狀態(tài)，能形成均勻水膜，無掛珠水洗。（3）將試樣放入30%的稀鹽酸溶液里進行酸洗15-30分鐘，酸洗后要求工件表面無銹。然后將試樣水洗，風干。（4）將試樣放入10%的硫酸中進行活化，一般要求當工件表面有大量細小均勻氣泡溢出時停止活化。然后將試樣進行水洗，風干；然后用數(shù)顯千分尺測量碳鋼試樣反應(yīng)前的厚度，并記錄下數(shù)據(jù)。（5）配制酸性化學鍍鎳溶液：1）先在1燒杯中加入乳酸21g/L，再加入50mL的蒸餾水，均勻攪拌溶液，待乳酸稀釋后再加入26g/L的檸檬酸，再次用玻璃棒攪拌直到檸檬酸顆粒完全溶解2）在另一燒杯2中加入50mL蒸餾水，然后加入33g/L的硫酸鎳。用玻璃棒均勻攪拌，當硫酸鎳完全溶解后將其倒入1燒杯中。3）先加入醋酸5g/L，然后加入50mL蒸餾水，待醋酸稀釋后再加入15g/L醋酸鈉，用玻璃棒攪拌待醋酸鈉完全溶解后加入硫酸鎘、十二烷基酸鈉、蘋果酸及丁二酸這四種因素，待溶液完全溶解后倒入（6）將1燒杯中的化學鍍鎳液放入電熱恒溫水浴鍋中進行加熱，由于該試驗采用的是酸性化學鍍鎳配方，測得其PH值在1.8—2.0左右，但該試驗所需PH值為4.6—5.0，需加入氨水來調(diào)節(jié)化學鍍鎳溶液的PH值，使其達到5.0左右。當溫度達到88℃以上時，把經(jīng)過處理后的試樣放入化學鍍鎳液中進行鍍鎳，反應(yīng)時間為2小時，每隔10鐘觀察其溫度及PH值的變化情況。（7）2小時后將經(jīng)過鍍鎳后的碳鋼試樣從鍍液里取出，并用清水沖洗干凈。風干后用數(shù)顯千分尺測量試樣鍍后的厚度。（8）用反應(yīng)后試樣的厚度減去反應(yīng)前試樣的厚度得到的差值除以4，就是碳鋼在鍍鎳過程中的反應(yīng)速度。（9）試驗結(jié)束，下面通過正交試驗來分析試驗結(jié)果。4試驗結(jié)果與分析4.1各工藝條件對化學鍍層的影響4.1.1鍍液溫度的影響溫度是影響化學動力學的重要參數(shù)[10-11]。在化學鍍液中,它不僅是影響鍍速的重大因素,還是影響鍍液穩(wěn)定性的重要因素。溫度對鍍速及穩(wěn)定常數(shù)的影響如圖1所示?？梢钥闯?溫度升高,鍍速呈直線上升,而穩(wěn)定性呈逐漸下降。對于酸性鍍液,溫度小于60℃,鍍速太慢；溫度大于95℃時,會導致鍍液蒸發(fā)速度加快,鍍液的穩(wěn)定性急劇下降。因此,施鍍溫度最佳范圍在88℃—95℃,最佳值為90±2℃，另外,施鍍溫度的均勻性也對鍍液的穩(wěn)定性有較大影響,如果局部過熱,會在溫度高的區(qū)域產(chǎn)生自反應(yīng),進而會導致鍍液分解。此外，化學鍍過程中溫度波動太大，會形成磷含量不同的層狀鍍層，從而降低鍍層的結(jié)合力。圖1溫度對鍍速和穩(wěn)定常數(shù)的影響4.1.2pH值的影響pH值對鍍速及穩(wěn)定常數(shù)的影響如圖下頁圖2所示?？梢钥闯觯琾H值升高，鍍速幾乎呈線性增長，當pH值大于5.5時，鍍速增長已趨平緩。從化學鍍鎳總反應(yīng)式可知，沉積1molNi2+產(chǎn)生4molH+，鍍液H+增加，pH值必下降。因此，pH值高，必將有更多的OH-和H+使反應(yīng)平衡向正方向移動，導致鍍速加快，而氯化鈀實驗結(jié)果和穩(wěn)定常數(shù)都隨pH值升高而下降。pH值越高，鍍液越不穩(wěn)定。因此最佳的PH值范圍在4.6—5.0。圖2pH值對鍍速和穩(wěn)定性常數(shù)的影響4.1.3施鍍時間的影響有效化學鍍時間太短，鍍層達不到一定的厚度，鍍層的強度下降。實驗發(fā)現(xiàn)，如果有效化學鍍時間太短，即使鍍液的溫度較低，拿出晾干時，鍍層也會起皺，這是因為有機玻璃表面的熱膨脹系數(shù)相對鎳-磷鍍層小得多，鍍層從高溫鍍液拿出到室溫會產(chǎn)生拉應(yīng)力所致；足夠厚度的鍍層，從鍍液中直接拿出，吸取表面鍍液然后自然晾干，或用自來水輕輕沖洗后的鍍層仍然完整，結(jié)合力較好。本文施鍍2h，得到的鍍層均光亮，平整，結(jié)合力較好。4.2正交試驗結(jié)果與分析本次試驗有四個因素，每個因素都有三個水平，如果每個因素的每個水平都相互配合著進行全面試驗必須做試驗34=81次。進行81次試驗要花費很多時間，耗費不少的人力物力，我們想要減少試驗次數(shù)，但又不能影響試驗的結(jié)果。因此不能隨便地減少試驗，應(yīng)該有代表性的搭配保留下來。為此，我們將從81個試驗中選出9個，這9個試驗中各因素的每個水平的搭配都是均衡的，每個因素的每個水平都做了3次試驗；每兩個因素的每一種水平都做了一次試驗。從這9個試驗結(jié)果就可以分析清楚每個因素對試驗指標的影響。碳鋼化學鍍鎳正交試驗[12]的結(jié)果分析見表2，并且設(shè)4個因素硫酸鎘、十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸分別為A、B、C、D；設(shè)碳鋼試樣鍍前的厚度為S1，鍍后的厚度為S2,鍍速為，平均鍍速為。表2碳鋼化學鍍鎳正交試驗結(jié)果序號四因素數(shù)據(jù)ABCDS1（mm）S2（mm）(μm/h)111116.3566.3847212226.7176.77013.25313336.6586.6979.75421236.6886.76118.25522316.6366.69113.75623126.6496.69411.25731326.6346.68713.25832136.6086.67817.5933216.6466.70915.75K13038.535.7536.5T=119.75=T=13.31K43.2544.547.2537.75K346.536.7536.7545.5注：k=A—D（指四因素）上表中須計算的數(shù)值詳細計算過程如下：已知每組試驗反應(yīng)兩小時，即t=2h，則由=(S2-S1)/2t（11）得，1=7，2=13.25，3=9.75，4=18.25，5=13.75，6=11.25，7=13.25，8=17.5，9=15.75；第1列中,A1=1+2+3=30；A2=4+5+6=43.25；A3=7+8+9=46；第2列中，B2=1+4+7=38.5；B2=2+5+8=44.5；B2=3+6+9=36.75；第3列中，C3=1+6+8=35.75；C3=2+4+9=47.25；C3=3+5+7=36.75；第4列中,D4=1+5+9=36.5；D4=2+6+7=37.75；D4=3+4+8=45.5；T=K1+K2+K3==119.75；（12）公式中T代表9次試驗的總鍍速；則平均鍍速為：=T=13.31；(13)從正交試驗結(jié)果可以看出：9個試驗中鍍速最高的最優(yōu)方案是：A2B1C2D3,正交試驗總共有43=81次實驗，我們只做了9次，還有72次試驗沒有做。在剩余的試驗中可能會出現(xiàn)更好的方案。下面通過效應(yīng)分析法[13]來分析正交試驗的最優(yōu)方案:1)正交設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由于本實驗為四因素3水平，其數(shù)學模型為：Xijkl=+i+j+k+1+ijkl；=0；=0；=0；=0；ijkl~N(0,2)，且相互獨立。按9個試驗分別寫出有：X1=+1+1+1+1+1；X2=+1+2+2+2+2；X3=+1+3+3+3+3；X4=+2+1+2+3+4；X5=+2+2+3+1+5；X6=+2+3+1+2+6；X7=+3+1+3+2+7；X8=+3+2+1+3+8；X9=+3+3+2+1+9；這里，1、2、3表示因素A的效應(yīng)，1、2、3表示因素B的效應(yīng),1、2、3表示因素C效應(yīng)，1、2、3表示D的效應(yīng)。2)正交試驗中的效應(yīng)計算采用小二乘法分析，可得出相應(yīng)的效應(yīng)值，其公式分別為：i=i-；（14）j=j-；（15）k=k-；（16）j=l-；（17）由上面公式可得：A的效應(yīng)估計值為：1=1-=30/3-13.31=-3.31；2=2-=43.25/3-13.31=1.11；3=3-=46.5/3-13.31=2.2；B的效應(yīng)估計值為：1=1-=38.5/3-13.31=-0.48；2=2-=44.5/3-13.31=1.52；3=3-=36.75/3-13.31=-0.48；C的效應(yīng)估計值為：1=1-=35.75/3-13.31=-1.39；2=2-=47.25/3-13.31=2.44；3=3-=36.75/3-13.31=-1.06；D的效應(yīng)估計值為：1=1-=36.5/3-13.31=-1.43；2=2-=37.75/3-13.31=-0.72；3=3-=45.5/3-13.31=1.86；從效應(yīng)的大小可以確定影響大小的主次順序為：C、A、D、B，選取最優(yōu)方案以效應(yīng)值大的好，所以應(yīng)選C2A3D3B2。3)最優(yōu)方案下指標值的預(yù)估計通過效應(yīng)計算分析法算出最優(yōu)方案為C2A3D3B2，C是最重要的因素，取C2；A是次重要因素，取A3；D是第三重要因素，取D3這時模型變成Xijkl=+i+k+1+ijkl；最優(yōu)方案下的指標值的點估計為：優(yōu)=+3+2+3。由于=，3=2.2，2=2.44，3=1.86則優(yōu)=13.31+2.2+2.44+1.86=28.81通過預(yù)估計得到最優(yōu)方案鍍速為28.81μm/h。4)驗證試驗由