无氰电镀铜锡合金代镍工艺研究

论文摘要

镍镀层由于其优良的装饰性和防护性获得了广泛的应用。随着工业的发展,世界上镍的用量越来越大,而镍的资源有限,因此镍的价格不断上升。80年代后期,研究发现金属镍接触人的皮肤会引发镍敏感症状。铜锡合金作为代镍镀层受到人们的关注。含锡高达40-55%的铜锡合金称为白铜锡,其结构属金属键化合物,镀层平整而光亮度好,色泽较逼真,装饰效果好,良好的耐蚀性和适宜的硬度,能阻止底层金属向表面层扩散,具有防止金属镀层变色等优点,因而在许多电镀应用领域中,电镀白铜锡合金工艺是代镍镀层的最佳选择。目前电镀铜锡合金的镀液有氰化物、低氰化物和无氰三种类型。氰化物镀液体系工艺成熟,获得的铜锡合金镀层结晶细致,结合力好,孔隙率低,抗蚀性强,产品的质量容易控制,但工作温度高,对环境污染大,危害工人身体健康。无氰镀液体系目前主要有焦磷酸盐、柠檬酸盐-锡酸盐和HEDP等,大多数集中在获得低锡的铜锡合金镀层方面。焦磷酸盐镀液体系电镀铜锡合金也有一些报道,但工艺仍不成熟。本文采用Hull槽试验等电化学方法研究了焦磷酸盐溶液体系电镀白铜锡工艺的基础镀液组成,探讨了溶液组成、pH值和温度等因素对镀液覆盖能力与合金镀层成分及厚度的影响。研究结果表明,较优的镀液组成为Cu2P2O7·3H2O 30 g/L、Sn2P2O7 4 g/L、K4P2O7·3H2O 200-250 g/L、K2HPO4·3H2O 80 g/L、pH值8.8,在温度28-30℃、阴极电流密度0.6-1.0 A/dm2的工艺条件下电镀所得白铜锡镀层表面均匀白亮,锡含量为40%-50%,抗变色能力强,与铜基体结合力好,表面可镀三价铬,可替代镍镀层。在基础镀液的研究基础上,通过筛选,选择了JZ-1光亮剂,研究镀液各组成浓度、光亮剂浓度及工艺条件对镀液覆盖能力与合金镀层成分及厚度的影响。研究表明: JZ-1号光亮剂可用于焦磷酸盐体系电镀白铜锡,焦磷酸盐镀液体系电镀白铜锡的较佳镀液组成与工艺条件为:Cu2P2O7·3H2O 30-35 g/L、Sn2P2O7 35-45 g/L、K4P2O7·3H2O 200-240 g/L、K2HPO4·3H2O 60-100 g/L;JZ-1号光亮剂0.2-0.6 mL/L;pH=8.0-9.0;镀液温度20-30℃;阴极电流密度0.5-1.5 A/dm2。JZ-1号光亮剂的最佳用量是0.4 mL/L,该光亮剂可以促进Cu2+的析出。在阴极电流密度为0.8-1.2 A/dm2条件下,电镀20min获得的方槽试片,可获得镀层厚度5μm、镀层表面均匀白亮,锡含量为45%-55%的白铜锡镀层。金相显微形貌测试表明:在电流密度0.5-1.5 A/dm2下获得的白铜锡镀层表面平整,无微裂纹的存在。镀层粉末XRD分析结果表明:镀层主要以CuSn和Cu41Sn11结构形式存在。SEM测试结果表明:电流密度0.5-1.5 A/dm2下镀层结晶细致,晶格排列规则紧密;随着电流密度的增大,晶粒变大。EDX测试结果表明:在阴极电流密度0.5-2 A/dm2下电镀20min获得的白铜锡镀层中含有为40%-60%Cu,40%-55%Sn,及微量的C和O。镀层性能测试结果表明:镀层的显微硬度为372 HV,白铜锡镀层比相同条件的镍镀层耐蚀性更强,且合金镀层与酸铜的结合力合格,表面可镀三价铬且结合力合格,可替代镍镀层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 合金共沉积
• 1.2.1 合金共沉积的发展
• 1.2.2 合金镀层的应用
• 1.2.3 电镀合金的特点
• 1.2.4 合金共沉积的条件
• 1.2.5 合金电沉积的类型
• 1.2.6 合金共沉积的影响因素
• 1.3 电镀铜锡合金
• 1.3.1 电镀铜锡合金概述
• 1.3.2 电镀铜锡合金的研究进展
• 1.4 电镀铜锡合金的各种体系
• 1.4.1 氰化物体系
• 1.4.2 低氰体系
• 1.4.3 无氰电镀铜锡合金的主要体系
• 1.5 本文研究的背景及研究内容
• 第二章 基础镀液组成研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 镀液的配制方法
• 2.2.4 赫尔槽实验
• 2.2.5 方槽电镀实验
• 2.2.6 工艺流程
• 2.2.7 镀层厚度与成分测试
• 2.2.8 镀层结合力测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 基础镀液的正交试验
• 2.3.2 基础镀液组成的研究
• 2.3.3 基础镀液的工艺条件研究
• 2.3.4 镀层组成与性能测试
• 2.4 本章小结
• 第三章 电镀白铜锡工艺研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 光亮剂的制取
• 3.2.2 赫尔槽实验
• 3.2.3 方槽电镀实验
• 3.2.4 试验工艺流程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 添加剂的用量与镀液组成的的协调关系研究
• 3.3.2 使用添加剂的最佳溶液组成与工艺条件研究
• 3.4 镀层组成与性能测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 镀层结构与性能测试
• 4.1 实验仪器
• 4.2 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 镀层微裂纹的检测
• 4.3.2 镀层结构分析
• 4.3.3 镀层表面相貌
• 4.3.4 镀层成分分析
• 4.3.5 硬度测试
• 4.3.6 盐雾试验
• 4.3.7 结合力测试
• 4.3.8 镀液性能测试
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件