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ABS塑料表面镀Ni-W镀层工艺与性能及机理研究

郭振伟  
【摘要】: ABS塑料质轻,无毒,具有良好的成型加工性,制品表面光洁度高,且具有良好的涂装性和染色性,容易进行电镀加工,但ABS塑料也有它不足之处如:不耐磨、不导电、硬度低等。正是这一些缺陷限制了ABS塑料在工业上的应用,使其不能满足某些工业上的特殊应用。Ni-W合金镀层具有优良的硬度和耐磨性同时具备良好的外观形貌和光泽。对ABS进行Ni-W合金电镀可以大大提高镀层的硬度和耐磨性,并赋予ABS表面金属光泽,扩展ABS塑料的应用范围。 本文首次将Ni-W合金镀层应用到ABS塑料表面上,先后采用除油、粗化、敏化、离子型活化、化学镀铜、加厚镀铜,使ABS表面金属化,通过实验确定表面金属化最佳工艺。对金属化后的ABS塑料进行合金电镀,并通过显微观察、表面硬度测试、表面形貌判定、结合力测试等手段研究了工艺参数的改变对电沉积速度、试样表面硬度的影响;应用EDS能谱分析和X射线衍射等现代材料测试技术研究了镀层的组成及结构,分析研究镀层中不同W含量的Ni-W合金的结构形式。 ABS塑料表面金属化实验结果和理论分析表明: 1)通过反复实验,确定了ABS塑料合金电镀的工艺流程:除油、粗化、敏化、活化、化学镀铜,使ABS表面金属化,再进行加厚电镀铜,最后电沉积Ni-W合金镀层。 2)对常用的粗化工艺和活化工艺进行探讨,综合考虑成本及效果,确定了采用高铬酐型粗化液和硝酸银离子型活化液。 3)对塑料表面金属化过程的化学镀铜工艺进行了实验,论述了化学镀铜对ABS塑料基体的影响,并探讨化学镀铜参数对镀液稳定性及镀层与基体结合力的影响。 根据实验结果,确定了化学镀铜工艺及工艺参数。 Ni-W合金电镀试验结果和研究表明: 1)随着镀液中硫酸镍含量的提高,镀液中镍离子数量增加,阴极表面集聚的镍离子比氢离子越来越多,析氢反应减少,镀速、表面硬度也随之提高,表面形貌也变佳。而随着钨酸钠含量的提高,镀液中的WO_4~(2-)离子增多,可被诱导析出的金属钨增加,但相对的Ni~(2+)离子浓度便减少,从而影响到阴极表面的镍原子析出,也减少钨诱导析出的可能,使得镀速先增后减;同时随着钨酸钠增加,Ni-W固溶体晶格畸变增大,硬度提高,但当Ni-W合金从纳米晶态过渡到非晶态后,晶体容易发生滑动,表面硬度降低;钨酸钠含量过高,镍诱导共沉积的能力有限,过多的钨酸钠存在则不利于镀层形成致密的外观,使试样形貌质量下降。柠檬酸作为络合剂,其含量的影响主要体现在当其含量偏低时,不能满足镀液中金属离子形成更多络合物的需要,影响镀速,柠檬酸含量充足即有利于电镀效果,过多的柠檬酸对电镀效果不会带来更大的提高。 2)阴极电流密度对试样硬度有直接影响,这是由于镀层的合金晶粒生长受到高镀速的影响,向小尺寸方向发展,表面硬度则因此一直提高增加;随着电流密度增大,电极表面析出的物质就越多,阴极表面沉淀的合金就越多,镀速增加,但析氢随着电流密度增加而变得愈加剧烈,反而阻碍镀速增加,同时金属沉积速度存在上限,镀速趋于稳定;另外过大的电流密度使得在阴极附近电解液中消耗的沉积离子来不及进行补充,导致试样外观质量下降。 3)镀液的pH值对试样表面形貌的影响相对其他条件要直接些,在偏酸性条件下得到的镀层外观光亮细致,而随着pH升高,析氢减少,电流效率升高,从而使得镀速、试样硬度增大,但过高的镀速阻碍Ni-W晶粒的细化,所以随着pH继续升高,试样硬度平稳发展不再升高。 4)镀液温度升高,金属离子扩散能力增强,增加了阴极扩散层中金属离子的浓度,不仅利于镀速加快,也利于Ni-W晶粒的细化和表面致密,提高表面硬度和外观形貌,但温度过高造成了络合剂及添加剂的分解和挥发,镀液变得不稳定,对镀速、试样表面硬度和形貌造成不良影响。 5)通过Ni-W镀层进行XRD的测试,观察和计算证明镀层中Ni-W合金是以Ni为溶剂、W为溶质的置换型固溶体,而且晶粒尺寸为20~40nm之间,镀层为纳米晶镀层,而随着W含量的增加,Ni-W合金结构逐渐向非晶态转变,当W含量为45.56%时,Ni-W合金镀层即为非晶态镀层。 6)通过正交实验结果,分析表明:硫酸镍/钨酸钠的含量比对试样表面硬度的影响最大,对耐磨性和表面形貌都具相当重要影响作用;镀液温度对表面硬度、耐磨性及表面形貌的影响都是四个因素中最小的;镀液的pH值对耐磨性的影响最为显著,对表面硬度的影响也较大,对表面形貌的影响则较小;阴极电流密度对表面硬度、耐磨性的影响较大,对表面形貌的影响则不太显著。 7)通过正交试验优化得到最佳的Ni-W合金电镀配方为:硫酸镍60g/L,钨酸钠150g/L,柠檬酸130g/L,镀液温度65℃,pH值为5,电流密度20A/dm~2,施镀时间30min。合金镀层表面硬度达到668.25HV,为纯镍镀层的2.94倍,以纯镍镀层为参考基准,Ni-W合金镀层的相对耐磨性可达4.2,结合力测试结果表明镀层与基体结合程度好,镀层外观细致平整较有光泽。


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