No.10081
Ron Parkinson
1 前言
本文汇集了金属表面处理领域的资深专家所撰写的论文和提供的资料作为工程师冶金学家设计人员和其它选材人员应用化学镀镍的指南
本文阐述了化学镀镍层的重要特性并通过实例说明了各种工业领域如何成功地应用这些特性来解决材料问题通过本文那些不熟悉化学镀镍广泛特性的人将看到化学镀镍镀层应用的新机遇由此促进这一领域的发展 2 简介
化学镀镍是不通电而将镍合金从水溶液沉积到基体上的一种工艺它与电镀不同电镀是外加直流电将电解液中的镍离子还原到基体上成为镍金属而化学镀镍是通过化学还原将溶液中的镍离子还原为镍金属的化学过程最常用的还原剂是次磷酸钠其它的如氢硼化钠二甲胺甲等极少用到据估计99%的化学镀镍采用次磷酸钠作还原剂因此本文中仅提到此种还原剂的应用
本文不打算过多提供化学镀镍工艺的具体细节而是重点评述镀层特性及其成功的应
用化学镀镍的某些独特性能如厚度均匀性硬度耐腐蚀性和磁感应性使其在许多不同的工业领域得到应用尽管如此并不是所有的设计师工程师冶金学家和其它负责选材的人士都了解化学镀镍作为工程或功能性镀层的价值然而化学镀镍在电子石油和天然气航空航天和汽车工业等领域作为功能镀层是无需质疑的它在许多其它领域也被认识并得到有效应用而且应用的数量不断增加 本文以下的篇幅讲述了化学镀镍的工程特性并通过具体应用说明如何应用这些特性来解决材料的问题本文所包含的信息应当为那些选材决策者提供足够的背景知识以使他们能作出成本效益决定某些决定将有利于化学镀镍因此可使工业界获益并保证化学镀镍的持续发展
3 化学镀镍的特性
3.1 组成与结构
电镀镍与化学镀镍的主要差别在于纯度和结构方面的较大差异例如电镀镍的纯度一般高于99%但化学镀镍使用次磷酸钠作还原剂镀层的典型组成为92%的镍和8%的磷磷含量对镀层性能有重要影响它可在3%~12%的宽范围内变化工业上通常根据镀层磷含量的不同来区分化学镀镍镀层如
低磷磷含量2%~5%
中磷磷含量6%~9%
高磷磷含量10%~13%
所以一旦确定了对镀层的性能要求必须确定适当的化学镀镍类型正如后面将谈到的低磷和高磷镀层的耐腐蚀性和硬度有很大的差别
化学镀镍的结构决定了其某些独特性能与电镀镍的晶体结构有很大不同化学镀镍通常是非晶结构或是包含超细微晶的结构随着磷含量的增加镀层中非晶结构占主导当磷含量大于10.5%时镀层完全是非晶结构由于化学镀镍没有明确的晶体结构消除了电镀镍晶态镀层出现的晶间腐蚀的可能因此化学镀镍提供了更有效的屏蔽层而使基体免遭腐蚀 对镍磷镀层进行热处理将引起性能和结构的显著改变X 射线衍射检测表明出现了显著的晶化并且镀层析出截然不同的两相镍金属和镍的磷化物Ni 3p 的细小微晶某种程度的体积缩小与再结晶有关它会导致高磷和中磷镀层出现裂纹 图 成分对镀层密度的影响
3 2 物理性质
32 1 密度
纯镍的密度是8.9克/厘米3化学镀镍的密度不是恒定不变的它随着磷含量的增加而明显下降例如含磷3%的镀层其密度为8.25克
/厘米3而含磷11%时密度仅为7.75克/厘米3图1表明了磷含量与密度的关系 32 2 熔点
化学镀镍不具备纯镍的高温特性即高温抗氧化性纯镍的熔点为
1455而化学镀镍中磷含量对熔点有非常大的影响见图2最终熔
点曲线从1455几乎呈线性地下降到含磷11%
时的
880这是镍磷体系的最低共熔点在这一温度
不管磷含量是多少只要大于
0.2%就会发生一定程度的熔化 3 2 3 厚度均匀性
化学镀镍在其所有的应用中有一个非常重要的特性就是它形成厚度十分均匀的镀层这一点在镀覆具有极限尺寸的复杂零部件如球阀或螺纹件时显然很有利由于化学镀不涉及电流相关的电流分布问题不存
在所以有这一远胜过电镀镍的优势电镀不容易获得均匀的厚度镀件形状越复杂越难于获得厚度均匀的镀层通过选择适当的电镀液使用辅助阳极和屏蔽罩以及优化挂具设计可以改善电流分布但几乎可以肯定对复杂部件进行电镀将无法获得化学镀镍所得到的厚度均匀性由于化学镀镍是不涉及电流的化学过程只要镀液条件保持一致则镍的沉积速度在所有表面应当是相等的温度pH 值搅拌和镀液组成是控制沉积速度的参数若这些参数在被镀部件表面保持不变就可得到均匀的厚度化学镀镍之所以能被广泛接受并不断发展部分归结于其
突出的沉积均匀性即使在复杂部件上也如此图3是电镀镍和化学镀镍厚度均匀性差异的一个例子
图 成分对熔点的影响
32 4 电学特性
汽车杯
高纯镍的比电阻是7.810-6欧姆厘米但化学镀镍镀层的比电阻是前者的10倍这是由于高纯镍的规则点阵结构被磷的共沉积破坏比电阻随磷含量的增加而增大
图4给出了低中高磷含量
镀层的比电阻一般在3010-6100
10-6欧姆厘米范围内
对化学镀镍层进行热处理会降低它的比电阻在低至150的温度
下就会发生这种情况但最明显的
变化一般发生在260280的温度
下此温度下由于析出了镍的磷化物而使结构发生变化 32 5 磁性能
化学镀镍的磁性能是极其重要
的因为这一特性决定了高磷镀层的一个最大应用即在储存磁盘生产中用作磁性涂层的打底层 图 成分对比电阻的影响 化学镀镍的磁感应随磷含量的不同而明显不同如图5所示随着磷含量的增加高纯d型管
镍的铁磁性急剧下降当镀层含磷
量达到11%
时镀层基本上已无磁性即使经
260短时间热处理之
立体交叉桥
后
也能保持这种状态但是一旦
析出镍的磷化物造成结构改变铁磁性将增加
图 成分对磁性的影响 32 6 热性能
化学镀镍层的热膨胀系数在含
磷3%时的22.3
m/(m )到含磷
11%时的11.1
m/(m )之间变化
相比之下电沉积高纯镍的热膨胀
系数范围是1417
m/(m ) 3机械性能 33 1 硬度 注本文中的硬度采用参考文献中所作用的单位表示未进行单位转换 化学镀镍层的硬度在其许多成功
的应用事例中有一个非常重要的因素
在镀态条件下硬度受磷含量的影响很大如图6所示但所有化学
镀镍层都比电镀镍层的硬度大一般
前者的努式显微硬度值为鸟笼灯
500~720
K 100而后者仅为150~400HK 100
此外对化学镀镍层的硬度最为关心的是热处理的影响由于再结晶
和晶粒长大电镀镍层的硬度经热处理后大大下降但化学镀镍层经热处
理后硬度急剧上升达到类似于电镀硬铬的水平
正是由于这个原因在要
求镀层具有高硬度和耐腐蚀性的应用中化学镀镍正在逐步取代电镀硬铬由于化学镀镍层
优异的厚度均匀性以及电镀铬引起的严重的
环境问题使得化学镀镍的应用场合大大增加
热处理的最佳温度范围是
345~400
对含磷1%到大于10%的化学镀镍层在这个温度
范围进行1小时热处理结果如图7所示可以看出低磷镀层的镀态硬度较大而所有镀
层的硬度都急剧增加到850~950HK 100的范围 在较低温度下增加硬度需要较长时间磷含量也是影响硬化速度的一个因素延长高磷
镀层的热处理时间对其硬度几乎没有
工业机柜空调
什么影响因为主要的析出相是本身就硬的镍的磷化物如图8所示
低磷镀层的热处理行为有所不
同延长热处理时间会使硬度从所能达到的最大值下降图9就是这样一个例子镀层含磷2%这是由于出现背心袋
了明显不同的两个晶相镍金属和镍的磷化物并伴随有晶粒长大
可见化学镀镍的硬度可在较宽的范围内进行控制图7表明这个范围
大约是其值取决于磷含量热处理时间和温度这一过程证明是能够产
生组成和硬度一致的镀层当需要时可进行热处理来增加镀层硬度表1列出了使三类化学镀镍层获得最大硬度所推荐的热处理条件
表1 获得最大硬度的热处理条件
磷含量
热处理条件 2 5 69 1013 400425小时 375400小时 375400小时
必须强调的是尽管可利用热处理来增加硬度但其它的性能要求也必须考虑例如热处理会降低耐腐蚀性特别是高磷镀层的耐腐蚀性 33 2 耐磨性 化学镀镍层因具有高硬度和较好的润滑性而具有良好的耐磨性通过热处理可提高耐磨性必要时可通过与颗粒状物质如碳化硅金刚石矾土氟化碳和聚四氟乙烯共沉积来增加耐磨性 磨损可定义为由于机械作用造成表面材料的损失它由磨耗或冲蚀引起由于它是一个复
杂的过程所以有必要选择具体条件的最佳保护方法不存在一个最好的耐磨保护镀层但由于化学镀镍的多样性它能解决许多不同的磨损问题
许多情况下硬度不是评估耐磨镀层的唯一的因素但却是非常重要的因素镀态下化学镀镍层有良好的抗磨损和抗冲蚀性能尽管它们不像其它镀层如电镀硬铬那么硬然而由于通过处理可将硬度和耐磨性提高到类似硬铬的水平加之环境方面对硬铬的顾虑使得一些情况下化学镀镍代替了电镀硬铬 当两个金属表面相接触尤其是两表面硬度相近时可能发生表面磨损通过热处理或控制磷含量改变化学镀镍层硬度将有助于防止磨
损特别是如果两个接触面都是化学镀镍层将更为有利
图 成分对耐磨损值的影响 研究耐磨性有多种方法测定耐磨粒磨损强
度时
一般将磨粒加到试验件表面测定在标准条件下材料的重量或尺寸损失最常用的是Taber 磨损试验机通过旋转砂轮在测试件上形成磨损条件每转1000转测定一次重量损失根据这些
值计算Taber 磨损指数TWI 图10给出了不同
磷含量的化学镀镍层在镀态和热处理后的磨损指数值 显然镀态下的低磷镀层有较好的磨损性能这自然归结于其较高的硬度然而热处理后的镀层与镀态镀层有着相似的变化趋势这意味着硬度不是唯一的因素因为在所示的磷含量范围内热处理获得了相似的硬度值采用这种试验方法热处理样品的磷含量比硬度重要得多
Taber 磨损试验机试验的结果表
明镀态下和热处理条件下的高磷
和低磷镀层均比Watts 电镀液中得
到的电镀镍层的耐磨性强得多而
且经热处理的低磷镀层所得结果与电镀硬铬相似
图 成分对延展性的影响 33 3 延展性
化学镀镍层的延展性较低在
通常操作范围内磷含量对其影响不大如图11所示它们是硬而脆的镀层断裂延伸率仅1%~2.5%通
常的热处理步骤增加了化学镀镍层的硬度但降低了它的延展性
33 4 内部应力
内部应力指的不是外力而是
在镀层内部产生的为了释放内力而趋于改变镀层形状的一种力当受
到拉伸力的时候镀层为释放这种压力而趋于收缩的状态当受到压
缩力时镀层为释放内力而趋于扩张状态应力足够大时会影响到基本的一些性质如当镀层处于内应
力状态时一些高强度钢的疲劳寿
命会缩短但这种现象不仅在化学
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议