摘要：研究以常用的工业纯铝L2为实验材料,采用硫酸交流电阳极氧化和电镀黑镍工艺来降低成本,着重分析温度、电流密度、镍离子的质量浓度等对黑色膜层性能的影响。通过SEM表征、EDS及性能测试表明:在优化的电镀黑镍工艺条件下可以获得与工业纯铝L2基体结合力良好,且耐蚀性、耐热性、吸光性均较好的黑镍镀层。
关键词：铝合金;硫酸;交流电;阳极氧化膜;电镀黑镍
中图分类号：TQ153文献标识码：A 文章编号：1000-4742(2010)02-0037-04
前言
铝合金黑色膜层不仅具有美丽的外观,其光学、耐磨、耐湿性能也很好,而且具有高集热效率及使用寿命长等优点;因此,被广泛应用于光学仪器、仪表、医疗器械、军事装备及照相机膜层等领域。黑色涂(镀)膜技术在国内起步较晚,对于黑色膜层的研究和应用正逐步展开,很多学者在铝合金黑色膜技术的工艺研究及应用方面做了大量的工作。本文以常用的工业纯铝L2为实验材料,采用硫酸交流电阳极氧化和电镀黑镍工艺来降低工艺成本;着重分析温度、电流密度、镍离子的质量浓度等对黑色膜层性能的影响;探求在铝合金表面进行硫酸交流电阳极氧化和电镀黑镍的最佳工艺条件。
1 实验
1.1 实验试样及主要试剂
实验试样为工业纯铝L2(各成分的质量分数:Fe≤0.35%,Si≤0.25%,Cu≤0.05%,Mn≤0.03%,Al≥99.60%)。试样面积为3cm×5cm,厚度为1mm。
主要实验试剂为硫酸、氧化铝、氢氧化钠、碳酸钠、十二烷基磺酸钠、硝酸、磷酸、氧化铬、硼酸、硫酸镍、硫酸锌、硫氢酸铵。以上试剂均为分析纯。
1.2 主要实验设备
主要实验设备为IM6E电化学工作站,德国ZAHNER公司;DZF-1B真空干燥箱,上海跃进医疗器械厂;401MVD维氏显微硬度计,上海光学仪器厂;SSX-500扫描电子显微镜,日本岛津公司;紫外可见近红外分光光度计,美国PE公司。
1.3 交流电阳极氧化及电镀黑镍
先对铝试样碱洗处理,碱洗液的组成及工艺参数为:氢氧化钠30g/L,碳酸钠10g/L,十二烷基磺酸钠0.002~0.003g/L,50~60℃,1~3min。再用体积浓度为500mL/L的浓硝酸,在室温条件下对铝试样酸洗3~5min。然后,将试样放入交流电阳极氧化槽液中进行阳极氧化。交流电阳极氧化液配方及工艺条件:
2 结果与讨论
2.1 镀液温度对黑镍镀层耐蚀性的影响
对镀液温度分别为15℃,25℃,35℃,45℃下制备的镀层进行点滴实验,观察基体暴露时间,以考察黑镍镀层的耐蚀性。图1为温度对黑镍镀层耐蚀性的影响。
由图1可知:在温度研究范围内,黑镍镀层的耐蚀性随镀液温度的上升呈现先增加后减小的趋势,在温度为35℃时,耐蚀性达到极大值。其原因是:(1)镀液温度是盐类溶解度、电导率以及镍离子向阴极扩散速率的重要影响因素。镀液温度的升高增大了金属离子由于热运动而产生的扩散速率,削弱了浓差极化,加快了金属离子脱水的过程,增强了金属离子和阴极表面的活性,降低了电化学的极化作用。(2)镍的析出量及晶粒尺寸随镀液温度的升高而增大,而且阴极的极化作用因随镀液温度的升高而降低,使镀层结晶粗糙而松软,进而降低了耐蚀性。因此,镀液温度对黑镍镀层的质量产生很大的影响。研究结果表明:镀液温度为32~38℃下,可获得具有较高耐蚀性能的黑镍镀层。
2.2 电流密度对黑镍镀层表观形貌的影响
目视法观察不同电流密度条件下制备的黑镍镀层表观形貌。实验结果,如表1所示。
由表1可知:阴极电流密度过低,由于Ni2+在阴极上的大量还原,使镀层中镍的质量分数提高而显灰色。阴极电流密度过高,镀层结晶粗糙有毛刺,且边缘位置出现烧焦。这是由于放电金属的水化离子在高电流密度下来不及脱水,带着水化膜中的水一起沉积于镀层中,阻碍了晶体的正常生长,从而影响了镀层组织,导致镀层烧焦。因此,电流密度对黑镍镀层的表观形貌产生较大的影响。研究结果表明:电流密度为0.66A/dm2下,可以获得表面均匀、平整的黑镍镀层。
2.3 硫酸镍的质量浓度对黑镍镀层成分的影响
图2为硫酸镍的质量浓度对黑镍镀层成分的影响。由图2可知:实验条件下制备的黑镍镀层中含有的非金属相的质量分数>30%。镀层中Zn,Ni,S的总质量分数随硫酸镍的质量浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。硫酸镍的质量浓度为105g/L时,Zn,Ni,S的总质量分数达到最高值,为65.9%。
综上所述,初步判定电镀黑镍的优化工艺条件为:NiSO4·6H2O105g/L,ZnSO4·7H2O45g/L,NH4SCN40g/L,H3BO330g/L,温度32~38℃,电流密度0.66A/dm2。为进一步确定该工艺条件的优化性,可对交流电阳极氧化膜黑镍镀膜试样进行SEM,EDS测试,并对黑色氧化膜的结合力、电化学阻抗、耐热性及光谱吸收率性能进行测试,加以认证。
2.4 SEM和EDS分析结果
图3为优化工艺条件下制备的试样的横截面SEM照片。其中,左为铝基体,右为膜层。
由图3可知:优化工艺条件下制备的镀膜致密、均匀,且与基体之间结合紧密。
图4中(a),(b),(c)分别是对元素Al,元素Ni和Zn,元素S,O,Ni,C的线扫描图。从图4可知:随着与基体的距离由近到远,Al的质量分数迅速下降,Ni,S的质量分数迅速上升的部分为阳极氧化膜沉积黑镍层;之后在Al的质量分数几乎保持不变,而Ni,Zn,S的质量分数继续升高达到最大值的这一部分为黑镍镀层。
2.5 黑色氧化膜的性能测试
对黑色氧化膜进行结合力测试。划格实验测试结果为2级;折弯4次,膜层断口无起皮剥落等现象,但有微小裂纹。
对黑色氧化膜进行电化学阻抗测试,实验结果如图5所示。图中Z′和Z″分别代表阻抗Z的实部和虚部。由图5可知:黑镍镀层呈现出近似半圆形的单一容抗弧。这说明镀层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀过程为电化学控制过程。较大的圆弧直径,表明黑镍镀层的耐蚀性能较好。
将交流电阳极氧化膜电镀黑镍的试样,置于200℃的马弗炉中恒温2h,结果未见有表层起皮、脱落等现象发生。这说明优化工艺条件下制备的黑镍镀层具有较好的耐热性。
采用紫外可见近红外分光光度计,测定黑镍镀层表面的全反射率,实验结果,如图6所示。经计算得到电镀黑镍膜的光谱吸收率为93.3%,说明优化工艺条件下制备的黑镍镀层对光的吸收性较好。
3 结论
通过对电镀黑镍过程中镀液温度、电流密度、硫酸镍的质量浓度对黑镍镀层影响的分析,得到工业纯铝L2交流电阳极氧化膜电镀黑镍的优化工艺条件:NiSO4·6H2O105g/L,ZnSO4·7H2O45g/L,NH4SCN40g/L,H3BO330g/L,温度32~38℃,电流密度0.66A/dm2。SEM表征、EDS及性能测试结果表明:在该优化工艺条件下可以获得具有良好结合力,而且耐蚀性、耐热性、吸光性均较好的黑镍镀层。