在复合涂层化学沉积工艺中，Ni-P基础镀液的优化的过程是怎样的？
工件准备概念
工件预处理也叫初步处理，如果试样预处理方法得当，则所得到的镀层与基体结合紧密，即结合强度好。如果工件预处理不当，很可能出现镀不上镀层或者结合强度差，一碰就掉的情况，严重影响镀层的性能。
有数据显示，80%的电镀问题如气泡、起皮、不平整等都是由于工件前处理存在问题而引起的，一旦工件表面有未处理的锈蚀、油层、氧化层等，就会立即无法镀上去或者即使镀上了也会造成结合力差。
工件准备步骤
以下是工件预处理的具体步骤：
（1）降低表面粗糙度。不同的表面粗糙度对涂层性能和附着力有重要的影响。使用200、400、800目的石英砂纸来改变基材的粗糙度。
（2）基体表面脱脂。基体在加工、运输和贮存过程中不可避免地沾有油脂、污物。除油的方法很多，如有机溶剂脱脂、碱性脱脂、电化学脱脂、超声波脱脂、酸性脱脂、乳化剂脱脂等。
本次试验采用碱性脱脂法，所用脱脂配方如下表所示，脱脂温度约85℃，时间为10-20min，然后用去离子水清洗，放入超声波清洗器中清洗2min。
（3）酸洗除锈。酸洗是除油后除去金属表面氧化膜、氧化皮和铁锈的工艺过程。盐酸对金属氧化物有很强的溶解性，能缓慢地溶解钢铁基体。酸洗后表面清洁，但酸雾较大，对设备有腐蚀性。硫酸对基体的腐蚀也较小，酸雾也较少，但易发生过度腐蚀和氢脆。本试验采用15%硝酸与5%磷酸的混合溶液作为酸洗液。
（4）活化。活化的目的是为了去除酸洗后基体表面极薄的氧化膜，使基体金属均匀呈现，镀层在表面均匀生长。本次试验采用5%盐酸进行活化，活化温度为25±2℃，活化时间为2min。活化后放入超声波清洗1min，然后进行施镀。
Ni-P基镀液的配置
电镀液所用的化学药品一般包括主盐（镍盐）、络合剂、还原剂、缓冲剂、稳定剂、光亮剂及其它化学药品。
（1）主盐
镍盐是化学Ni-P基镀液中的主盐，化学沉积反应过程中所需的金属Ni2+由主盐提供。
常见的主盐有硫酸镍NiSO4、醋酸镍、氯化镍NiCl2、磺酸镍等，目前最常用的镍盐是硫酸镍。从反应速度可以看出，主盐含量越低，镀层沉积速度越慢，生产效率越低；反之，主盐含量越高，沉积速度越快，生产效率越高。
但主盐浓度过高也会产生不良影响。
例如主盐含量过高，则表面沉积层晶粒较大，稳定性较低，且易分解，因此，在电镀过程中应慎重选择硫酸镍。
试验前期采用氯化镍，试验后期发现Cl-对镀层腐蚀性能有削弱作用，同时在镀层内产生局部拉应力。硫酸镍制备简单、价格低廉，且容易得到高纯度产品。综合以上考虑，确定硫酸镍为本次试验最佳主盐。
（2）还原剂
根据镀液的环境工作条件，特别是pH值条件不同，由于酸碱度不同，所获得的镀层性能也不同，因此所选用的还原剂也不同。制备Ni-P镀层选用次磷酸钠作还原剂，化学镀Ni-B选用硼化物作还原剂。
还原剂是将主盐离子还原为原子的试剂。
最常用的还原剂为次磷酸钠和二甲胺硼烷，其次为二乙胺硼烷，一般不使用肼等有害物质。次磷酸钠是最常用的还原剂，因为它具有采购价格低、易溶于水、镀液易控制、镀层性能优良等优点。
目前，我国次磷酸钠制造工艺在国内外十分盛行，由于其价格低廉，加入镀液时容易控制，最常用的还原剂就是次磷酸钠。与其他还原剂相比，使用次磷酸钠作为还原剂可以提高沉积速度和镀层硬度。因此，本次试验所选用的还原剂为次磷酸钠。
（3）稳定器
电镀过程中镀液的稳定性可以通过稳定剂来实现，但化学镀在电镀过程中容易受到污染，还可能造成局部过热，属于热力学不稳定体系。
如果镀液的pH值发生较大的变化，就会对镀液中具有催化性质的固体粒子产生影响，从而导致镀液失效。化学镀体系是一个不稳定体系，当镀液在电镀过程中生成一些具有催化活性的粒子时，很容易在试样外部产生一系列的反应，导致镀液失效。稳定剂的加入可以解决这一问题。稳定剂可以降低粒子表面的活性催化反应，从而使镀液更加稳定，保证化学镀液只在基体表面发生反应，不会在镀液外部分解失效。
因此，要控制镀液的自发分解，只需加入少量的稳定剂即可。虽然加入适量的稳定剂是必要的，但加入量不宜过多，否则会降低镀液的活性，降低沉积速度，造成镀层失败。常用的稳定剂有硫脲、KIO3、钼酸盐、六亚甲基四苯甲酸酯等。本实验选择的稳定剂为硫脲。
（4）络合剂
在化学沉积过程中，除主盐和还原剂外，络合剂也起着重要作用。
由于氧化镍溶解度较小，当镀液呈酸性水解时，会产生淡绿色絮状镍沉淀，络合剂可以很好的解决这个问题，因此络合剂在化学镀液中占有重要地位，其主要作用就是阻止络合镍离子反应生成沉淀。
因为随着镀液中化学反应的不断进行，生成的亚磷酸根离子数量也随之增多，而亚磷酸根离子会与镀液中的镍离子结合生成亚磷酸镍，饱和镀液而沉淀。络合剂的作用就是“包覆”镍离子，形成复杂的络合离子群，减少亚磷酸镍的过量生成，有效避免沉淀的形成。碱性镀液中常用的有焦磷酸盐、柠檬酸盐等。本实验化学镀选用的络合剂为柠檬酸钠。
络合剂的工作原理是在电镀过程中，络合剂能与金属离子通过沉积反应形成络合物，从而达到降低金属离子浓度，减少水解反应，避免镀液分解，提高镀液稳定性的目的。
（5）光亮剂
光亮剂无疑是一种能够增强化学镀层亮度的药剂，增强镀层亮度可以使镀件具有一定的装饰效果，丁炔二醇和炔丙醇是两种常用的光亮剂。
此外，在镀液中添加糖精、脂肪醇、磺酸盐等也能增强光亮效果。除光亮剂外，化学镀时通常还需要在溶液中添加适量的应力剂和pH调节剂，如硫酸、氨水、盐酸、氢氧化钠等，以提高沉积效果。
Ni-P基础镀液的配置是整个实验的基础，镀液需要按照一定的配置顺序进行配制，具体配置过程如下：
(1)计算主盐的量，用精密天平称量药物置于烧杯中，加入适量去离子水，用磁力搅拌器使药物完全溶解，此烧杯标记为1号烧杯；
(2)计算络合剂1、2的用量，用精密天平称量药物，置于烧杯中，加入适量去离子水，用磁力搅拌器使药物完全溶解，此烧杯标记为2号烧杯；
（3）计算缓冲液的量，用精密天平称量药物，置于烧杯中，加入适量去离子水，用磁力搅拌器使药物完全溶解，此烧杯标记为3号烧杯。
(4) 计算稳定剂的量，用精密天平称量药物，置于烧杯中，加入适量去离子水，用磁力搅拌器使药物完全溶解，此烧杯标记为4号烧杯。
(5) 计算还原剂的量，用精密天平称量药物，置于烧杯中，加入适量去离子水，用磁力搅拌器使药物完全溶解，此烧杯标记为5号烧杯；
（6）将溶液1、2、3、4、5依次注入加热到规定温度的烧杯6中，充分混合；
（7）用去离子水使体积小于规定体积；
（8）用5%硫酸和10%氢氧化钠溶液调节pH值到设定范围内；为了配置步骤简单方便，可以将主盐、络合剂、还原剂、缓冲剂等试剂配置成一定比例的浓溶液，减少镀液重复配置的步骤，提高测试效率。
正交试验设计是一种研究多因素、多水平的设计方法，它依据正交性从综合试验中选取一些代表点进行试验，这些代表点具有“分散均匀、整齐、可比”的特点。正交试验设计是分析因子设计的主要方法，是一种高效、快速、经济的试验设计方法。
正交试验的设计方法是利用正交表安排多水平多因素试验并对结果进行分析。正交试验是从所有水平因素组合中选取最具代表性的水平因素组进行试验，从而找出最佳配方的组合。此方法最有效、最省时，已在多方面得到推广。本试验在研究电镀液组合过程中采用正交设计试验，利用正交表对工艺组分进行优化。
正交因素-水平表设计为了使实验结果具有代表性和科学性，本实验将采用正交设计试验，通过正交试验寻找最佳镀液配方。考虑到各因素之间的相互影响，在多次查阅相关文献及相关资料后，得到了本实验三水平四因素的正交试验。
如表中所示，主盐NiSO4含量为28g/L，还原剂次磷酸钠含量在25-35g/L之间，络合剂乳酸含量为18ml/L，稳定剂硫脲含量在0.5-1.5mg/L之间，温度在80、85、90oC之间，pH值在4.4-5.2之间。
正交试验结果分析如下：
试件1镀层表面光滑，略显暗淡，镀后溶液呈淡绿色，无沉淀，平均镀层增量为0.；试件2镀层表面光滑，分布均匀，镀时反应强烈，镀后溶液呈淡绿色，无沉淀，平均镀层增量为0.6214g；试件3镀层表面光滑，分布均匀，镀过程中，由于温度过高，产生大量灰色沉淀。
镀后溶液呈淡绿色，平均镀层增量为0.6022g；试样4镀层表面平整，镀后溶液因镀层过程中温度较高，产生大量灰白色沉淀，镀层增量为0.4353g；试样5镀层表面平整，分布均匀，镀后溶液呈淡绿色，无沉淀。
平均镀层增量为0.5892g；试件6镀层表面平整、分布均匀，镀层反应强烈，镀后溶液呈淡绿色，无沉淀。平均镀层增量为0.；试件7镀层表面平整、分布均匀，由于温度较高，镀层反应强烈，镀后溶液呈灰白色。
平均镀层增量为0.5314g；试件8镀层表面平整、分布均匀，镀层过程中因温度较高产生大量气泡，镀后溶液呈淡绿色，并有大量灰白色沉淀产生，平均镀层增量为0.5314g；试件9镀层表面平整、分布均匀，颜色略暗，镀后溶液呈淡绿色，无沉淀产生，平均镀层增量为0.5314g。
综上所述，通过正交试验确定的最佳配方为配方2：硫酸镍28g/L、次磷酸钠25g/L、乳酸18ml/L、无水乙酸钠5.2g/L、硫脲0.8mg/L、柠檬酸钠3.2g/L、pH值4.8、温度85℃、施镀时间1.5h。
此配方镀层较厚且分布均匀，镀速较快，90分钟镀出0.6214g，且磷含量较高，硬度较理想。
为了优化Ni-P镀层性能的表征方法，将试件切取一小块，用金相方法测量镀层厚度。镀层厚度测量结果。
下图为涂层的截面形貌，从表中可以看出，涂层的平均厚度为26.13µm，从截面形貌可以看出涂层厚度比较均匀，波动不大，涂层性能优良。
利用能谱仪测定镀层中的磷含量。优化高磷化学镀，因为高磷状态下的晶粒为非晶态，在热处理过程中发生结晶，镀层的硬度会更高。因此，磷含量的检测必不可少。从检测结果可以看出，磷的比例最高为12.67％，镍的比例为87.33％。
采用HVS-1000显微硬度计测量涂层硬度，载荷为200g，测试时间为10s，在涂层不同位置重复测试3次，取平均值。