低磷化学镀镍稳定剂的筛选及补加工艺的研究

论文摘要

化学镀镍是目前应用最广、最成熟的表面处理技术之一,大规模地应用在石油、采矿、化学工业等诸多领域。其中低磷化学镀镍层具有较高的熔点和较好的脱模性,而且它的耐碱腐蚀能力很强,主要应用于电子元件的焊接和高硬度处理方面。本文从工业实用化角度出发,采用之前研究的基础配方,用扫描电子显微镜（SEM）、全谱等离子体发射光谱（ICP）、线性电位扫描（LSV）和循环伏安（CV）等方法研究了不同稳定剂的加入对镀液和镀层性能的影响,建立了本课题所选用的化学镀镍配方的补加体系,并研究了不同补加方式对镀液和镀层性能的影响,同时,对稳定剂的加入抑制镀层磷含量的机理进行了讨论。选择了硫脲（TU）、3-S异硫脲丙烷磺酸盐（UPS）、碘化钾、碘酸钾和硫酸铜作为稳定剂的研究对象,分别研究了不同稳定剂的加入对镀速、稳定系数、磷含量、可焊性、热处理前后硬度以及对镍离子的还原和次亚磷酸根的氧化的影响。研究发现除硫酸铜之外,其它添加剂都起到了稳定镀液的作用;而UPS和硫酸铜的加入都能降低镀层的磷含量。最终选择UPS、碘化钾和硫酸铜作为优选稳定剂组合。以镀速、磷含量和镀液稳定系数作为评价指标,对三种稳定剂的组合进行正交实验,得到最优组合为UPS:5mg/L,碘化钾:6mg/L,硫酸铜:10mg/L。为了适用于工业生产,对镀液的补加体系进行了研究。通过分析化学的方法,确定了补加液的组成,其中添加剂随补加液补加,每周期循环补加一次。对周期实验初期出现的镀液分解的现象进行了分析,并提出了可行的解决方案。为了研究不同补加方式对镀液和镀层的影响,分别采用按时补加和在线补加两种方法,研究了不同补加方式对镀液的镀速、周期稳定系数、镀层磷含量、可焊性、硬度、表面微观形貌、孔隙率和耐蚀性的影响,发现在线补加方式除耐蚀性外,其它镀液镀层性能均高于按时补加或与按时补加持平。研究发现通过选择合适补加工艺,可以使镀液在经过4个周期（MTO）后,稳定性保持良好;镀速始终保持在15μm/h以上;镀层中磷含量低于4.5mass%;保证良好的镀层可焊性。但在第四周期,两种补加方式得到的镀层磷含量都有较大的升高,虽然镀层仍为低磷镀层,但工艺还有待进一步优化。硫酸铜和UPS的加入不仅能够提高镀层的光亮性和镀液稳定性,而且能够有效的降低镀层的磷含量。通过对镀液中硫酸铜和UPS的物理化学行为的研究,认为两者降低镀层磷含量的机理不同,其中硫酸铜是通过电子竞争沉积到镀层中,进而通过增大反应活化能的方式降低了镀层的磷含量;而UPS则是通过吸附在镀层表面,通过竞争作用抑制了次亚磷酸根的吸附,降低反应物浓度,进而抑制磷的析出;但由于次亚磷酸根还原的电位无法直接测出,UPS对镍还原也有影响,因此,反应机理还有待进一步讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 化学镀镍机理
• 1.3 化学镀镍的热力学体系
• 1.4 稳定剂作用机理
• 1.4.1 置换机理
• 1.4.2 吸附机理
• 1.5 化学镀镍液的寿命及循环周期的研究
• 1.6 本课题主要研究的内容
• 1.6.1 稳定剂的优选及作用机理的研究
• 1.6.2 对补加液和补加方式的研究
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 化学试剂、材料和试验仪器
• 2.1.1 化学试剂和材料
• 2.1.2 试验仪器
• 2.2 镀液及镀层性能测试
• 2.2.1 沉积速度的测定
• 2.2.2 镀液稳定系数的测定
• 2.2.3 镀液中镍离子含量的测定
• 2.2.4 镀液中次亚磷酸钠含量的测定
• 2.2.5 镀层磷含量的测定
• 2.2.6 镀层孔隙率的测定
• 2.2.7 镀层可焊性的测定
• 2.2.8 镀层表面形貌的测定
• 2.2.9 镀层硬度值的测定
• 2.3 周期试验测试
• 2.4 电化学测试
• 2.5 化学镀镍工艺流程
• 第3章 低磷化学镀镍稳定剂的确定及优化
• 3.1 低磷化学镀镍稳定剂的确定
• 3.1.1 硫脲对低磷化学镀镍液的影响
• 3.1.2 3-S 异硫脲丙烷磺酸盐对低磷化学镀镍液的影响
• 3.1.3 碘化钾对低磷化学镀镍液的影响
• 3.1.4 碘酸钾对低磷化学镀镍液的影响
• 3.1.5 硫酸铜对低磷化学镀镍液的影响
• 3.1.6 稳定剂的最终选择
• 3.2 正交实验及最终配方的确定
• 3.3 本章小结
• 第4章 低磷化学镀镍的补加工艺
• 4.1 补加液的组成的确定
• 4.2 周期补加实验工艺初探
• 4.2.1 补加过程中出现的问题
• 4.2.2 镀液分解原因分析
• 4.2.3 镀液分解的解决方案
• 4.3 周期实验中不同补加方式的研究
• 4.3.1 不同补加方式的工艺流程
• 4.3.2 不同补加方式对镀液和镀层性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 稳定剂抑制磷含量机理的初步讨论
• 5.1 硫酸铜的作用机理研究
• 5.1.1 硫酸铜在低磷化学镀镍体系中的作用
• 5.1.2 硫酸铜的在低磷化学镀镍体系中的行为
• 5.1.3 硫酸铜抑制磷含量假说的建立
• 5.2 UPS 的作用机理的研究
• 5.2.1 UPS 在低磷化学镀镍体系中的作用
• 5.2.2 UPS 的在低磷化学镀镍体系中的行为
• 5.2.3 UPS 抑制磷含量假说的建立
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢