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(完整版)铝合金化学镀镍
铝合金化学镀镍
前言：所谓化学镀就是指不使用外电源,而是依靠金属的催化作用,通过可控制的氧化-还原反应，使镀液中的金属离子沉积到镀件上去的方法，因而化学镀也被称为自催化镀或无电镀。化学镀液组成一般包括金属盐、还原剂、络合剂、pH缓冲剂、稳定剂、润湿剂和光亮剂等。当镀件进入化学镀溶液时，镀件表面被镀层金属覆盖以后，镀层本身对上述氧化和还原反应的催化作用保证了金属离子的还原沉积得以在镀件上继续进行下去.目前已能用化学镀方法得到镍、铜、钴、钯、铂、金、银、锡等金属或合金的镀层。化学镀既可以作为单独的加工工艺,用来改善材料的表面性能，也可以用来获得非金属材料电镀前的导电层。化学镀在电子、石油化工、航空航天、汽车制造、机械等领域有着广泛的应用。化学镀具有以下优点：表面硬度高,耐磨性能好；硬化层的厚度及其均匀，处理部件不受形状限制，不变形，特别是适用于形状复杂,深盲孔及精度要求高的细小及大型部件的表面强化处理；具有优良的抗耐蚀性能,在许多酸、碱、盐、氨和海水中具有良好的耐蚀性，其耐蚀性要比不锈钢优越的多；处理后的部件，表面光洁度高，表面光亮，不需要重新的机械加工和抛光,可直接装机使用；镀层与基体的结合力高，不易剥落，其结合力比电镀硬铬和离子镀要高；可处理的基体材料广泛。〔1〕
化学镀分类（广义分类）：
1.置换镀(离子交换或电荷交换沉积）：一种金属浸在第二种金属的金属盐溶液中，第一种金属的表面上发生局部溶解，同时在其表面自发沉积上第二种金属上。在离子交换的情况下，基体金属本身就是还原剂。
2。接触镀:将欲镀的金属与另一种或另一块相同的金属接触，并沉浸在沉积金属的盐溶液中的沉积法.当欲镀的导电基体底表面与比溶液中待沉积的金属更为活泼的金属接触时，便构成接触沉积。
3.真正的化学镀：从含有还原剂的溶液中沉积金属〔1〕.
日前工业上应用最多的是化学镀镍和化学镀铜。可以使用化学镀进行表面加工的金属及合金有很多,下面以铝合金镀镍为例进行说明,而铝合金化学镀镍属于化学镀的第三种即真正的化学镀.
铝合金简介
铝合金具有机械强度高、密度小、导热导电性好、韧性好、易加工等特点,因而在工业部门，特别是航空航天、国防工业，乃至人们的日常生活中，都有较广泛的应用。铝合金表面覆盖一层致密的氧化膜,它可将铝合金与周围环境隔离开来，避免被氧化。但是这层氧化膜易受到强酸和强碱的腐蚀，同时铝合金易产生晶间腐蚀，表面硬度低,不耐磨。化学镀是赋予铝合金表面良好性能的新型工艺手段之一，它不仅是其抗蚀性、耐磨性、可焊性、和电接触能得到提高，镀层与铝合金机体间结合力好，镀层外观漂亮，而且通过镀覆不同的镍基合金，可以赋予铝合金各种新性能，如磁性能、润滑性等.〔2〕
铝合金化学镀镍原理：
化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂次亚磷酸钠的作用下，使镍离子还原成金属镍，同时次磷酸钠分解析出磷，因而在具有催化表面的镀件上，获得镍磷合金镀层。
对于次磷酸钠还原镍离子的总反应可以写成：
3NaH2PO2+3H2O+NiSO4—---—3 NaH2PO3+H2SO4+2H2+Ni
同样的反应可写成如下离子式：
2 H2PO2—+ Ni2++2H2O--—-—2 H2PO3-+ H2+2H++ Ni
或写成另一种形式：Ni2+＋H2PO2-＋H2O------H2PO3-＋Ni＋2H+
所有这些反应都发生在催化活性表面上,需要外界提供能量，即在较高温度（60≤T≤95℃）下，除了金属镍之外，还形成分子氢。此外，形成的氢离子使镀液变得更加酸性,同时还生成亚磷酸离子H2PO3—。〔1〕
化学镀镍溶液的组成及作用：
（1）镍盐 通常采用的镍盐为硫酸镍，但也可以是氯化镍、碳酸镍等。提高镀液中镍盐的浓度可以提高沉积速度，但镀液的稳定性下降。
(2）还原剂 次亚磷酸钠，镀液中次磷酸钠的用量主要取决于镍盐浓度，镍盐与次磷酸钠含量比过低时,镀层发暗，镀液稳定性下降，比值过高时沉积速度很慢。这一比值还直接影响镀层中的磷含量,比值越低，磷含量越高。
(3）络合剂 络合剂通过和镍产生成稳定的络合物，阻止氢氧化镍和亚磷酸镍沉淀的生成，从而避免镀液的自然分且有利于得到结晶细致光亮的镀层。镀液中常用的络合剂有柠檬酸、乳酸、乙醋酸、苹果酸、琥珀酸、焦磷酸钠、氯化铵等。
（4)pH缓冲剂 出于化学镀镍溶液的稳定性、沉积速度及镀层质量受镀液pH的影响很大，需加入pH缓冲剂以稳定镀液的pH。常用的pH缓冲剂有醋酸钠、硼酸、氯化铵和柠檬酸钠等。
(5)稳定剂 化学镀镍溶液中常有一些胶粒和固体微粒存在，它们作为催化中心将加速镀液的自分解.为此,常在镀液中加入微量稳定剂，它们优先吸附在胶粒和固体微粒表面，阻碍了镍在这些粒子上的还原,从而提高了镀液的稳定性。常用的稳定剂有硫代硫酸盐、硫脲、磺原酸乙酯、钼酸盐、铅离子、镉离子等。
(6）光亮剂 化学镀镍是一种功能性镀层，通常为半光亮外观，然而近年来人们对化学镀银的光亮性的要求越来超高。由于化学镀镍体系操作温度一般较高，而且位于镀液中工件的表面要大量不断地析出氢气，特别是与电镀不同，工件不被阴极极化，因而无论酸性镀液还是碱性镀液，其光亮剂的选择都是十分困难和重要的。
7)促进剂 化学镀镍溶液中的配位剂和稳定剂往往会使沉积速率下降.因此，常常在镀液中添加少量的能提高沉积速率的物质，即所谓促进剂,也称为加速剂.促进剂的加入,能促使次磷酸盐分子中氢和磷原子之间键变弱,使氢在被催化表面上更容易移动和吸附.也可以说促进剂能起活化次磷酸根离子的作用。可用作促进剂的物质有氨基羧酸、可溶性氟化物和某些溶剂等.
（8）镀液的pH值
（9）温度
化学镀液的配制：
(1）称取计算量的镍盐、还原剂、络合剂、pH缓冲剂和添加剂，将它们分别用蒸馏水溶解。
（2)将络合剂和缓冲剂溶液相互混合，然后将镍盐溶液加入并充分搅拌。
(3)在搅拌状态下将除还原剂以外的其他溶液依次加入并搅拌均匀.
(4）在强搅拌下加人还原剂溶液。
（5)用蒸馏水稀释至规定体积，再用酸或碱调溶液pH至规定体积。
（6)过滤溶液。
铝合金化学镀镍工艺流程（浸锌预镀层法）:
铝合金零件-除油—浸蚀-第一次浸锌-硝酸退除—第二次浸锌—碱性化学欲镀镍—烘烤—成品〔3〕
铝合金化学镀镍配方（碱性):
硫酸镍 33g∕L;次磷酸钠15 g∕L;柠檬酸钠 50 g∕L；pH为8;温度90℃〔5〕
铝合金化学镀镍主要工艺过程:
由于铝合金是一种难镀的金属基体，其表面极易生成氧化膜，这种氧化膜与镀层的结合力很差；此外，铝的标准电极电位很负，在镀液中容易与电位较正的金属离子发生置换反应生成疏松层，也会影响镀层与铝基体的结合力，鉴于此，铝合金化学镀镍的前处理尤为重要.〔4〕
一般铝合金化学镀镍前处理主要用浸渍的方法，它包括蒸汽脱脂，喷水和流动水洗，酸洗等工序.除油最好用超声波的方法.但也可以用搅拌或移动零件的方法。碱性除油是在高温下进行，效果也很好.在进入化学镀镍前最好在高温水中清洗。若水洗槽温度达不到化学镀镍槽的温度，可以用高温预镀槽进行几分钟化学镀，再进行正式的化学镀镍。〔5〕
两次浸锌均在室温下进行，采用相同的溶液,其组成为：120 g∕L ZnO;，500 g∕L NaOH,1 g∕L FeCl3，15 g∕L KNaC4H4O6 。第一次浸锌时间40～50s,此时锌层颜色深，均匀性差，需采用硝酸进行退锌处理后再进行第二次浸锌（时间为30s）两次浸锌后所得的锌膜层致密,色泽均匀。〔6〕
镀后热处理：一般认为镀态的镀层,是由镍和磷的原子随机排列堆积起来的，还有些微晶区为无定形的非晶态,此时镀层抵抗局部塑性变形能力差,硬度较低，为HV500～600左右。使非晶态转化为晶态〔7〕,才能提高硬度.
镀层硬度随热处理温度的升高而升高.当温度到400℃以后，硬度随温度升高反而下降。热处理温度应根据工件的用途来选择,若需要防腐蚀，可低于200℃低温处理;若需要高硬度，以提高耐磨性，可用400℃热处理。对镀后热处理，国外采用真空炉或控气氛炉,在400℃，保温1h，硬度900～1000。我们对工件进行技术保护后，在空气电阻炉中保温1h，硬度可达HV1100~1200.〔8〕
铝合金化学镀镍磷镀层的性能：
这种镀层具有厚度均匀,硬度高，脆性大，光滑，易于钎焊和耐蚀性好等特点.是一种独特的工程材料。镀层经低温处理后可弥散强化,获得不同硬度，提高耐磨性。因此，镀镍磷镀层在工业中得到广泛应用，并可代替贵重金属和不易加工的合金。〔6〕
化学镀镍层厚度的均匀性很好,是电镀层无法比拟的.化学镀镍只要表面能通过液槽都可获得均匀的厚度，无论形状多么复杂，均可得到均匀厚度的镀层.只有在沉积过程中气泡在表面聚集，阻碍槽液到达零件表面,才会造成镀层厚度不均,所以在放零件时要避免上诉情况的出现。在多数情况下，化学镀层能精确控制厚度，所以可以省去镀后加工的问题。〔6〕
对于铝合金这种易钝化的金属基体，开始时表面不发生置换反应，附着力差,但经过适当的处理和活化，镀层的键合强度大大增强,在使用高强度铝合金外的其他铝基体零件，经化学镀镍后,必须在200℃左右下处理1。5h，用以提高镀层和基体的结合力。镀后热处理即可使镀层与基体间相互扩散，也有除氢的作用。若铝基零件不进行处理，对其结合强度有很大的影响.〔6〕
硬度和耐磨性在工程上是非常重要的指标。未经任何热处理的化学镀镍层与许多硬化合金钢的硬度差不多.若经过热处理，由于镀层的时效硬化，它的硬度可达到1100HV100，与常用的镀硬铬层强度相等。有时，镀层不允许高温热处理，因为在高温条件下可使零件变形或可能降低零件的强度。所以，有时在较低温度下经过较长时间的热处理也可能获得所需要的硬度。〔6〕
因为化学镀镍层的硬度高,所以，不管镀层是否经过热处理，它都具有较好的耐磨损性和耐腐蚀性。〔6〕
磁性能：化学镀镍的磁性能取决于含磷量和热处理温度。含磷量超过8％的镀层是弱磁性的，含磷量在11。4％以上，完全没有磁性；含磷量低于8％的镀层才具有磁性，但它的磁性比电镀镍层小，热处理后磁性能有显著提高.〔10〕
电阻率：化学镀镍的电阻率与含磷量有关,一般含磷量越高，则电阻率越大。在碱性溶液中所获得的化学镀镍层，其电阻率要比在酸性溶液中所获得的化学镀镍的电阻率小。化学镀镍的电阻率经热处理后会明显下降。〔10〕
铝合金在实际应用中在高温状态或瞬时高温时易烧蚀破坏，在铝合金表面进行化学镀镍是一种很好的表面强化方法，它可以使铝合金表面具有高的硬度、高的防腐蚀性和高的耐磨性。化学镀镍工艺作为铝合金一种重要的表面改性技术，能够弥补铝合金易腐蚀、不耐磨、高温性能差等缺点。〔9〕
化学镀镍磷合金膜层好坏有很多的影响因素,例如在碱性化学镀镍液中,镍盐的浓度在20g／L以下时，提高镍盐浓度使化学沉积速度有明显的提高；但当镍盐的浓度高于25g／L以上时，虽继续提高镍盐含量,其沉积速度趋于稳定.
铝合金化学镀镍层性能检测方法
硬度检测：严格按照国标GB5934—86轻工产品金属镀层的硬度测定方法。仪器为71型显微硬度计，载荷为490cN，放大倍数为400×.
镀层结合力测定:根据GB2933—86的规定，采用锉刀法、划痕法、砂轮机打磨法,手锯等方法进行试验，镀层均无剥落现象.
孔隙率测定：按照GB5935—86的规定进行测定。
耐磨性能测定：在M-200型磨损试验机上进行，试验条件：载荷49N,400r／min，机油润滑2h。〔8〕
小结
在表面处理技术过程中,化学镀占有很重要的位置,它主要是利用的还原剂使溶液中的金属离子有选择性的在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法.
在化学镀中，金属离子是依靠在溶液中得到所需的电子而还原成金属。
还原剂的有效程度是用它的标准氧化电位来推断，若标准氧化还原电位太小或为负值，则金属还原将难以发生。化学镀溶液的组成或其相应工作条件必须是反应只限在具有催化作用的制件，或溶液不应自己本身发生氧化还原，以避免自然分解，造成溶液过快地失效。
较成熟的化学镀是镀铜和镍,现在，化学镀镍已形成较完善的工艺，由于化学镀镍具有较好的耐磨性和抗腐蚀性，镀层均匀、结晶细、孔隙率低，使某些金属和非金属表面具有钎焊和锡焊能力；镀液深镀能力好，化学稳定性高,操作简单等优点。〔5〕
参考文献:
1.化学镀的特点、原理及应用；
2。张天顺，张晶秋，张琦 铝及铝合金化学镀Ni—P工艺研究〔J〕，电镀与涂饰，2006，25（8)；41—43；
3。赵斌，董世知 铝合金化学镀Ni-—-P合金的研究进展 电镀与涂饰，2008，1；24-26；
4。孙华，马洪芳，刘科高，刘义 铝合金镀Ni—P前处理工艺的优化，表面技术，2010，2；67—70；
5.胡传炘 化学镀 表面处理技术手册，北京工业大学出版社,284;
6.梁平 铝合金化学镀Ni-P合金层及其耐蚀性研究 表面技术 2010，2；34-36；
7.陈亨元 络合金电子机壳的化学镀镍〔J〕；电镀与涂饰，1996,15（3）;
8.刘英，张瑞杰 Al及Al合金化学镀Ni—P工艺性能研究;郑州纺织工学院学报，1999,6；17-19;
9。杨艳波，蔡刚毅，陈宇，吕广庶 高强度铝合金的化学镀镍镍层性能研究 有色金属(冶炼部分）2009, 45—48；
10．化学镀 百度文库
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