2006年9月貴金屬Sep. 2006第27卷第3期.Precious MetalsVol. 27, No.3電鍍鎳組合添加劑研究馮拉俊，樊菊紅，雷阿利(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048)Study of Compound Additives for Nickel ElectroplatingFENG Lajun, FAN Juhong, LEI Ali( School of Materials Science and Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an, Shanxi 710048, China )Abstract: The influences of the additives of para toluene sulfonate, butynediol, and sodium allylsulfonate with different concentrations and process parameters on the quality of nickel electroplatingwere studied using Lz2(9x3) orthogonal table. The best additives were screened out with the index ofthe lightness of coating, the current efficiency, deposition rate and dispersing power of solution, theyare para toluene sulfonate 0.1g/L, butynediol 0.2g/L and sodium allyl sulfonate 0.5g/L. The resultsindicated that besides the additives the process parameters should be chosen appropriately so that thebest effects can be got.Keywords: Plating; Nickel plating; Brighter; Brightness; Orthogonal摘要:采用Lzr(9x3)混合正交體系，系統(tǒng)地研究了對甲苯磺酰胺、1,4丁炔二醇和烯丙基磺酸鈉3種鍍鎳添加劑在不同工藝參數(shù)和不同添加配比情況下對鍍鎳質(zhì)量的影響,以鍍層的光亮度，鍍液的電流效率、沉積速度和分散能力為評價(jià)指標(biāo)，篩選出最佳的電鍍鎳添加劑為:對甲苯磺酰胺0.1g/L，1,4丁炔二醇0.2g/L,烯丙基磺酸鈉0.5g/L。研究結(jié)果表明,電鍍鎳除了添加較好的添加劑之外，還應(yīng)選擇較佳的電鍍工藝參數(shù)，才可達(dá)到電鍍過程沉積速度快、分散能力好、電流效率高、鍍層光亮性好的效果。關(guān)鍵詞:電鍍;鍍鎳;光亮劑;光亮度;正交中圖分類號: TQ153.1*2文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 1004-0676(2006)03-0030-05電鍍鎳層作為耐蝕涂層、耐磨涂層、防護(hù)裝飾性涂層和其它功能性涂層獲得廣泛應(yīng)用,對于要求在銅或銀鍍層基元件上鍍金的低電阻接觸零件,為防止銅或銀向金膜層的打散，銅或銀鍍層基體上的鍍鎳層是重要的擴(kuò)散阻擋層。電鍍鎳是-種傳統(tǒng)工藝，發(fā)展已有上百年的歷史"，但仍在進(jìn)行添加劑的研究。單獨(dú)添加某- -種添加劑不能達(dá)到提高綜合性能的目的，組合添加劑是電鍍添加劑研究的熱門課題。作者選用對甲苯磺酰胺、1,4丁炔二醇和烯丙基磺酸鈉鍍鎳光亮劑進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),以鍍液的分散能力、沉積速度和電流效率為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出性能優(yōu)異的光亮劑配比，為電鍍鎳添加劑的應(yīng)用提供依據(jù)。中國煤化工MHCNMHG收稿日期: 205-11-22基金項(xiàng)目:陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.220075)。作者簡介:馮拉俊，男，博士，教授,主要研究方向?yàn)楦g與防護(hù)。E-mail: fenglajun@ xau.edu.cn第3期馮拉俊等:電鍍鎳組合添加劑研究311實(shí)驗(yàn)1.1設(shè)備及材料實(shí)驗(yàn)以60V, DF1701S多路可調(diào)的穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電源為電鍍電源，采用玻璃燒杯作電鍍槽,加熱源為DZKW-C型水浴鍋;干燥設(shè)備為DGB20003臺(tái)式干燥箱;稱重儀器為TG328A電子天平(精度0.0001g);電鍍試樣為30x20x0.5的紫銅矩形試片。1.2 鍍液根據(jù)文獻(xiàn)資料, Watts鍍液具有很好的電鍍效果。故本實(shí)驗(yàn)采用Watts液作為基礎(chǔ)鍍液。1.3測試方法依據(jù)目測經(jīng)驗(yàn)評定法對光亮度進(jìn)行分級，該分級參考標(biāo)準(zhǔn)為2: 1級(鏡面光亮)鍍層光亮如鏡,能清晰分辨人的五官和眉毛; 2級(光亮)鍍層表面光亮，能看出人五官和眉毛，但眉毛部分不夠清晰; 3級(半光亮)鍍層表面光亮較差,但能看出人的五官輪廓，眉毛部分模糊; 4級(無光亮)鍍層基本上無光澤,看不清人的面部五官輪廓。電流效率的檢測方法是在電鍍回路中，串聯(lián)一高精度的電流 表，由電流大小和時(shí)間計(jì)算出電鍍消耗的電量。由沉積金屬的電化學(xué)當(dāng)量計(jì)算出金屬沉積的電量，電流效率的計(jì)算公式為:mηk= x100% .................... (1)ItK式中: m-被電鍍試片的增重(g); 1--電 鍍時(shí)所用的電流(A); t --電鍍時(shí)所用的時(shí)間(h); K-陰極析出物的電化學(xué)當(dāng)量,對于鎳，K=1.095g/A.h。分散能力的測定采用遠(yuǎn)近陰極法B。遠(yuǎn)近陰極與陽極的距離為2:1,即K=L/L2=2。本實(shí)驗(yàn)以單位時(shí)間內(nèi)的增重作為電鍍鎳的沉積速度(mg/h),其計(jì)算公式為:沉積速度(mg/h)=M:-M的-x1000.v/60式中: Ms. Mm--陰極試片鍍后和鍍前的質(zhì)量(g), t--電鍍時(shí)間(min)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)采用Lz(9x3)混合正交表，選取的因素分別是電流密度、對甲苯磺酰胺濃度、1,4丁炔二醇濃度、烯丙基磺酸鈉濃度、溫度和時(shí)間，各因素的水平取值如表1所示。評價(jià)指標(biāo)為鍍層的光亮度、電鍍鎳的沉積速度、電流效率和分散能力,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表1正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test電流密度對甲苯磺酰胺1,4-丁炔二醇烯丙基磺酸鈉溫度時(shí)間因素(A/dm2)(g/L)(C)(min)水平1,1.5,2, 2.5,3,3.5, 4, 4.5,5，0.1,0.2, 0.30.2, 0.3, 0.40.5, 1.0, 2.0.30, 40, 503,6, 102.2結(jié)果分析中國煤化工正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示。將各因素相同水平所,YHc N M H G直除以相同水平的個(gè)數(shù)得到k值,它反映了各因素的各個(gè)不同水平對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響。極差則反映了各因素對各指標(biāo)影響的大小。32貴金屬第27卷表2 L2(9x3)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Data sheet of L2(9x35) orthogonal test電流密度對甲苯磺1,4丁炔烯丙基磺 溫度時(shí)間光亮度 沉積速度電流效率分散能力實(shí)驗(yàn)號(A/dm2)酰胺(g/L) 二醇(g/L) 酸鈉(g/L)_ (C)__ (min)_ (級數(shù))(mgh)(%)).10.23(3091.32 .33.3320.34085.2412.120.4501050.4 .76.7134.83.50.10.0.54(9293.3518.525(85.286.4532.48.3308423.08118.890.4142.2414-86.7629.87).310781.4356.362.513984.6316.9811).215091.3221.8312514246.15167.484.937.114.218013.511589.819.25163.50086.987420990.893.88l8205.889.532.3819244.893.1530.362023489.0440.632124025.612227642.862326489.2931.99241(27392.3410.122529890.7251.426297.690.5950.91274C306 .36.722.2.1電流密度對各指標(biāo)的影響:由表3可看出，對光亮度影響最大的因素是電流密度和溫度,這2個(gè)因素的極差最大，都為0.67。對沉積速度、電流效率中國煤化工是電流密度,其極差分別為245.07. 7.24、33.06。由此可見,電流密度對MHC N M H G著決定性的作用，如何選擇電鍍鎳的電流密度至關(guān)重要。由表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,當(dāng)電流密度為4.5A/dm2時(shí)，光亮度指數(shù)為1.33 級，沉積速度為271mg/h,電流效率為91.66%，分散能力為28.32%?？梢赃_(dá)到滿意的第3期馮拉俊等:電鍍鎳組合添加劑研究33電鍍效果。2.2.2對甲苯磺酰胺濃度對各指標(biāo)的影響:由表3可見,對甲苯磺酰胺對沉積速度和分散能力的影響最小，對光亮度和電流效率的影響也比較小，綜合考慮對甲苯磺酰胺對4個(gè)指標(biāo)的影響,其濃度取0.1g/L較為合適。此時(shí)光亮度指數(shù)為1.56級,沉積速度為177.33 mg/h,電流效率為89.87%，分散能力為35.2%。2.2.3 1,4-丁炔二醇濃度對各指標(biāo)的影響:由表3可見，其極差對各指標(biāo)而言都不是最大的，也就是說，它對各指標(biāo)的影響程度比較小，當(dāng)其含量為0.2g/L時(shí)，綜合效果較好，光亮度指數(shù)為1.44級,沉積速度為176.8 mg/h,電流效率為89.97%，分散能力為35.04%。2.2.4烯丙基磺酸鈉濃度對各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,烯丙基磺酸鈉對沉積速度和電流效率的影響僅次于電流密度，對光亮度和分散能力的影響較小。從烯丙基磺酸鈉對沉積速度和電流效率的重要性綜合考慮，其含量為0.5g/L時(shí)，光亮度指數(shù)為1.33級，沉積速度為180.98 mg/h,電流效率為91.71%，分散能力為22.86%。因此，烯丙基磺酸鈉的添加量為0.5g/L較合理。2.2.5電鍍溫度對各指標(biāo)的影響:由表3看出，電鍍溫度對光亮度的影響最為重要,其極差與電流密度的極差都為0.67,這說明溫度和電流密度對光亮度的影響同等重要。但溫度對其它各指標(biāo)的極差都沒有對光亮度的極差大,因此，追求電鍍光亮性時(shí),溫度取50C較好。此時(shí),光亮度指數(shù)為1級,沉積速度為175.38mg/h,電流效率為87.74%，分散能力為39.13%。2.2.6電鍍時(shí)間對各指標(biāo)的影響:由表3可見，電鍍時(shí)間對電流效率的極差最小,即它對電流效率的影響最小。電鍍時(shí)間對光亮度的影響比較大，其極差大小僅次于電流密度(和溫度),因此，當(dāng)主要考慮電鍍光亮度，兼顧沉積速度和分散能力時(shí)，電鍍時(shí)間取10min最佳，此時(shí)，光亮度指數(shù)為1.22級，沉積速度為177mg/h,電流效率為88.38%，分散能力為 29.14%。表3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Tab.3 Results of orthogonal test電流密度對甲苯磺酰胺1,4丁炔二醇 烯丙基磺酸鈉溫度時(shí)間(Adm2)(mg/L)(C)(min)1.56,1.44,1.33,1.67,1.33.1.67,1.33,1.33, 1,1,光亮度ky1.67,1.33, 1.671.441.22,(級數(shù))1.221.33R0.670.330.110.4455.47,87.07,113.27,177.33,176.8,180.98,177.6,沉積速度kg143.67,174.8,204.93,176.64,175.62,177.64, .177.13, 175.78,239.6,271.300.53176.13177.69171.49175.38177245.071.22.079.492.221.5684.42,88.35,86.2,89.87,89.97,91.71,89.41,89.29,電流效率kj87.47.88.68,89.12,88.99,87.98,89.05,89.03,88.52,(%)91.17,91.66,91.4987.3388.2485.4387.7488.387.242.541.996.291.6726.76,24.69.42.82,35.2,m oc.24.2,37.79,中國煤化工分散能力ky28.32,13.29,36.75,26.36,29.84. 26.23,32.2,28.32.46.3431.61[YHCNMH G39.1329.1433.068.8417.82214.4614.9411.5634貴金屬第27卷3結(jié)論通過上述研究得出，電鍍鎳時(shí),當(dāng)以對甲苯磺酰胺、1,4丁炔二醇和烯丙基磺酸鈉為添加劑時(shí)，電流密度是-一個(gè)主要的工藝參數(shù)，它不僅影響電鍍鎳的光亮性，而且影響著電鍍鎳的沉積速度、分散能力和電流效率。綜合考慮，電流密度取4.5A/dm2較理想;對甲苯磺酰胺對電鍍鎳的沉積速度、分散能力和光亮性影響較大;烯丙基磺酸鈉對沉積速度和電流效率影響較大; 1,4丁炔二醇對電鍍鎳性能的影響較弱。作者選定的最佳電鍍鎳的添加劑配方、工藝參數(shù)及電鍍效果如表4所示。表4最佳的電鍍鎳工藝參數(shù) 與添加劑配方Tab.4 The best process parameter and additives for Ni plating電流對甲苯1,4-丁烯丙基沉積分散溫度時(shí)間光亮度密度磺酰胺炔二醇磺酸鈉速度效率能力4.50.10.20.55001277.293.76%27.34%(A/dm)(g/L)(C)(min)(級)(mg/h)采用表4的條件電鍍鎳，所獲得的鍍層表面平整、光亮如鏡，而且在保證電流效率不降低的情況下使沉積速度提高到277.2mg/h。同時(shí)使得高溫下的分散能力達(dá)到接近30%的水平。將這種組合添加劑與單一的對甲苯磺酰胺、1,4- 丁炔二醇以及烯丙基磺酸鈉相比較，光亮度提高了1~2級，分散能力提高了5.39%~ 18.25%。對于需要在銅或銀鍍層基體上鍍金的弱電接觸零件,光亮鎳層除了可作為銅或銀的有效擴(kuò)散阻擋層外;還可減薄金鍍層的厚度，降低電鍍成本,提高鍍金零件的使用可靠性和壽命。參考文獻(xiàn)[1]高燦柱,姜力夫,耿佃正等.光亮鍍鎳添加劑Q95的研究[].山東化工, 1998, (2):9 -10.[2]張景雙，石金聲石磊等.電鍍?nèi)芤号c鍍層性能測試[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003. 8.[3]安茂忠.電鍍理論與技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2004. 46.中國煤化工MYHCNMHG