鋁合金化學(xué)鍍鎳的研究

1、題目：鋁合金化學(xué)鍍鎳的研究鋁合金化學(xué)鍍鎳的研究 多用途化學(xué)鍍鎳溶液的研究多用途化學(xué)鍍鎳溶液的研究 摘摘 要要 本文主要研究堿性化學(xué)鍍鎳后在酸性鍍鎳的工藝，通過正交試驗(yàn)選出一種 較好的鍍液配方，討論了分別討論絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑、緩沖劑、溫度及 pH 值的 影響，檢測(cè)了鍍層的性能。 本次正交試驗(yàn)表明，對(duì)于這種金屬可行的方案是：硫酸鎳 25g/L，次亞磷 酸鈉 25g/L，檸檬酸鈉 20g/L，碘化鉀 10g/L，乙酸鈉 20g/L，施鍍溫度 75， pH=5，施鍍時(shí)間 1h，并對(duì)其鍍層進(jìn)行了研究。通過表征鍍層的外觀、耐蝕性和 孔隙率指標(biāo)來表明鍍層已經(jīng)達(dá)到要求。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：鎳磷合金；化學(xué)鍍鎳；鍍層

2、 Multi-purpose Solution of Chemical Nickel Abstract In this paper, the author studied a multi-purpose electroless nickel plating solution, so that it can be used for a variety of substrate materials. Ascertain a better solution formula by Orthogonal design. and then study the appearance, corrosion r

3、esistance, porosity and other performances of chemical nickel coating. The test showed that the feasible program for these three metals are: nickel sulfate 25g/L, sodium hypophosphite 25g/L, sodium citrate 20g/L, potassium iodide 10g/L, ammonium acetate 20g/L, plating temperature of 75, pH=5, platin

4、g time 1h, and its deposits were studied. It is characterized by the coating of the appearance, corrosion resistance and porosity, and than use it to show that the coating has reached the requirements. Key Words: nickel-phosphorus alloy;Chemical nickel plating;Coating 目目 錄錄 1 緒論緒論.1 1.1 研究背景.1 1.2 化

5、學(xué)鍍鎳概述.3 1.2.1 化學(xué)鍍 Ni-P .3 1.2.2 化學(xué)鍍鎳溶液的組成及其作用.4 1.3 化學(xué)鍍鎳動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理.6 1.3.1 化學(xué)鍍 Ni-P 合金的機(jī)理 .6 1.3.2 原子氫理論.7 1.3.3 電化學(xué)機(jī)理.8 1.3.4 化學(xué)鍍鎳溶液各組份的剖析.8 1.5 化學(xué)鍍的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀.11 1.5.1 化學(xué)鍍鎳層的性能.11 1.5.2 化學(xué)鍍鎳磷層的應(yīng)用現(xiàn)狀.12 1.6 研究目的與意義.14 2 實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分.16 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品.16 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器.16 2.3 工藝流程.16 2.4.1 化學(xué)鍍鎳液的配制.17 2.4.2 施鍍過程.17 2.5 鍍后

6、檢測(cè).19 2.5.1 外觀檢測(cè).19 2.5.2 耐蝕性檢測(cè).19 2.5.3 孔隙率檢測(cè).19 3 結(jié)果與討論結(jié)果與討論.20 3.1 鍍前預(yù)處理.20 3.2 絡(luò)合劑的影響.20 3.4 穩(wěn)定劑的影響.21 3.5 緩沖劑的影響.22 3.6 溫度的影響.22 3.7 PH 的影響.23 3.8 鍍層表面檢測(cè).23 3.9 耐蝕性的檢測(cè).24 3.10 孔隙率的檢測(cè).24 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).26 致致 謝謝.28 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明.29 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明.30 0 1 緒論緒論 1.1 研究背景研究背景 化學(xué)鍍鎳

7、是一種比較新的工藝技術(shù)?；瘜W(xué)鍍鎳的歷史與電鍍相比，比較短 暫在國(guó)外其真正應(yīng)用到工業(yè)僅僅是 70 年代末 80 年代初的事。1844 年， A.Wurtz 發(fā)現(xiàn)金屬鎳可以從金屬鎳鹽的水溶液中被次磷酸鹽還原而沉積出來。 化學(xué)鍍鎳技術(shù)的真正發(fā)現(xiàn)并使它應(yīng)用至今是在 1944 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的 A.Brenner 和 G.Riddell 的發(fā)現(xiàn)，弄清楚了形成涂層的催化特性，發(fā)現(xiàn)了沉積非 粉末狀鎳的方法，使化學(xué)鍍鎳技術(shù)工業(yè)應(yīng)用有了可能性。但那時(shí)的化學(xué)鍍鎳溶 液極不穩(wěn)定，因此嚴(yán)格意義上講沒有實(shí)際價(jià)值。化學(xué)鍍鎳工藝的應(yīng)用比實(shí)驗(yàn)室 研究成果晚了近十年。第二次世界大戰(zhàn)以后，美國(guó)通用運(yùn)輸公司對(duì)這種工藝發(fā) 生了興

8、趣，他們想在運(yùn)輸燒堿筒的內(nèi)表面鍍鎳，而普通的電鍍方法無法實(shí)現(xiàn)， 五年后他們研究了發(fā)展了化學(xué)鍍鎳磷合金的技術(shù)、公布了許多專利。1955 年造 成了他們的第一條試驗(yàn)生產(chǎn)線，并制成了商業(yè)性有用的化學(xué)鍍鎳溶液，這種化 學(xué)鍍鎳溶液的商業(yè)名稱為“Kanigen”。 目前在國(guó)外，特別是美國(guó)、日本、德 國(guó)化學(xué)鍍鎳已經(jīng)成為十分成熟的高新技術(shù)，在各個(gè)工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。 自 1944 年 Brenner 和 Riddell 發(fā)明化學(xué)鍍鎳以來1，國(guó)內(nèi)外許多研究部門對(duì)化 學(xué)鍍層進(jìn)行了廣泛深入的研究和大量的實(shí)驗(yàn)2-6。特別是化學(xué)鍍 Ni-P 鍍層具有 優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能，工藝實(shí)施簡(jiǎn)單，無污染，促使人們對(duì)化學(xué)

9、鍍 Ni-P 合金鍍層進(jìn)行非常深入的研究，不斷開發(fā)出新型的化學(xué)鍍 Ni-P 合金鍍層。 我國(guó)的化學(xué)鍍鎳工業(yè)化生產(chǎn)起步較晚，但近幾年的發(fā)展十分迅速，不僅有 大量的論文發(fā)表，還舉行了全國(guó)性的化學(xué)鍍會(huì)議，據(jù)第五屆化學(xué)鍍年會(huì)發(fā)表文 章的統(tǒng)計(jì)就已經(jīng)有 300 多家廠家，但這一數(shù)字在當(dāng)時(shí)應(yīng)是極為保守的。據(jù)推測(cè) 國(guó)內(nèi)目前每年的化學(xué)鍍鎳市場(chǎng)總規(guī)模應(yīng)在 300 億元左右，并且以每年 10%-15% 的速度發(fā)展。 從 Brenner 和 Riddell 開始研究到化學(xué)鍍鎳的廣泛應(yīng)用大約經(jīng)歷了 30 年左 右的時(shí)間。到了 20 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，促進(jìn)了化學(xué) 鍍鎳的應(yīng)用和研究。20 世紀(jì)

10、80 年代后，化學(xué)鍍鎳技術(shù)有了很大突破，長(zhǎng)期存 在的一些問題，如鍍液壽命、穩(wěn)定性等得到了初步解決，基本實(shí)現(xiàn)了鍍液的自 動(dòng)控制，使連續(xù)化的大型生產(chǎn)有了可能，因此化學(xué)鍍的應(yīng)用范圍和規(guī)模進(jìn)一步 擴(kuò)大。據(jù)估計(jì) 20 世紀(jì) 80 年代中期化學(xué)鍍鎳的年產(chǎn)量為 1500t，按厚度為 25 微 1 米計(jì)算，面積達(dá)到了 7.50Km2。其中美國(guó)占 40，遠(yuǎn)東地區(qū)占 20，其余為南 非和南美洲。在美國(guó)大約有 900 個(gè)化學(xué)鍍鎳的工廠，其中 40加工本廠產(chǎn)品， 總產(chǎn)值約有 2 億美元?；瘜W(xué)鍍鎳在計(jì)算機(jī)和電子行業(yè)的應(yīng)用最大，約占美國(guó)化 學(xué)鍍鎳總產(chǎn)值的 20；另外，閥門制造占 15，飛機(jī)和汽車制造占 10。 由于市場(chǎng)和

11、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，美國(guó)和歐洲化學(xué)鍍鎳的發(fā)展不同。美國(guó)化學(xué) 鍍鎳最早源于通用運(yùn)輸公司（GATX）的 Kanigen 工藝的商品化。此工藝得到 含磷質(zhì)量分?jǐn)?shù) 8-10的鎳磷合金鍍層，適用于大槽容量操作，開始用于生產(chǎn) 核工廠的貯槽和槽車內(nèi)襯，后用于航天、食品、化工鋼鐵等行業(yè)。20 世紀(jì) 60- 70 年代研究人員主要致力于改善鍍液性能，而不是鍍層性能。20 世紀(jì) 80 年代 高磷化學(xué)鍍鎳應(yīng)用增加，這是因?yàn)槠淠臀g性較好的緣故。還出現(xiàn)了低磷化學(xué)鍍 鎳和其他化學(xué)鍍鎳工藝。在歐洲，早期的化學(xué)鍍鎳直接針對(duì)工程應(yīng)用的需要， 特別是耐磨性的需要，所以在德國(guó)主要使用鎳硼合金而不是鎳磷合金。Dupont 公司引進(jìn)的含鉈

12、鎳硼合金具有很高的耐磨性與耐蝕性，用于航天、汽車、紡織 工業(yè)，并用于代替硬鉻。 化學(xué)鍍鎳技術(shù)的核心是鍍液的組成及性能，所以化學(xué)鍍鎳發(fā)展史中最值得 注意的是鍍液本身的進(jìn)步。早在六十年代之前由于鍍液化學(xué)知識(shí)貧乏，只有中 磷鍍液配方，鍍液不穩(wěn)定，往往只能穩(wěn)定數(shù)小時(shí)，因此為了避免鍍液分解只有 間接加熱，在溶液配置，鍍液管理和施鍍操作方面必須十分小心，為此制定了 許多操作規(guī)程予以限制。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上至少有兩百種以上的成熟 化學(xué)鍍鎳配方，由于電子計(jì)算機(jī)，通訊等高科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，為化學(xué)鍍技 術(shù)提供了巨大的市場(chǎng)。上世紀(jì)八十年代是化學(xué)鍍技術(shù)研究，發(fā)展和應(yīng)用飛躍發(fā) 展的時(shí)期，西方工業(yè)化國(guó)家化學(xué)鍍鎳的

13、應(yīng)用，在與其他表面技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的形 勢(shì)下，年凈增長(zhǎng)率曾達(dá)到 15，這是金屬沉積史上空前的發(fā)展速度。預(yù)期化學(xué) 鍍技術(shù)將會(huì)持續(xù)高速發(fā)展，平均年凈增長(zhǎng)率將會(huì)降至 6，而進(jìn)入發(fā)展成熟期。 近 20 年來，在各種期刊上發(fā)表了許多有關(guān)化學(xué)鍍鎳的論文、綜述、書評(píng)和 會(huì)議紀(jì)要。英國(guó)化學(xué)鍍鎳學(xué)會(huì)和金屬精飾學(xué)會(huì) 1987 年在 Aston 大學(xué)舉辦了討論 會(huì)，會(huì)議上 Bottomley 博士就化學(xué)鍍鎳的歷史、應(yīng)用、特性、和前景作了報(bào)告， 會(huì)上還發(fā)表了有關(guān)腐蝕特性、耐磨性、厚鍍層的應(yīng)用、廢水處理及化學(xué)鍍鎳在 電子工業(yè)中的應(yīng)用等方面的論文。1992 年美國(guó)產(chǎn)品精飾雜志舉辦了化學(xué)鍍鎳研 討會(huì)，會(huì)議的議題是統(tǒng)計(jì)工藝控制(

14、SPC)和質(zhì)量控制（QC） 。1996 年的第 37 屆 威廉布魯講座上，Juan Hajdu 博士作了題為化學(xué)鍍：過去只是開端的報(bào)告。 報(bào)告介紹了化學(xué)鍍的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)、化學(xué)鍍鎳的應(yīng)用領(lǐng)域、化學(xué)鍍銅和印刷電路 板工業(yè)，并展望了化學(xué)鍍的光明未來。他最后認(rèn)為：在某種意義上，過去所做 2 的工作只是化學(xué)鍍未來增長(zhǎng)的開始。 化學(xué)鍍 Ni-P 合金工藝作為一種新型的表面處理技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中顯示了相 當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，并在很多工業(yè)部門得到了應(yīng)用。所以化學(xué)鍍 Ni-P 鍍層的研究和應(yīng) 用為現(xiàn)代工業(yè)上的應(yīng)用開辟了一條新路。主要介紹化學(xué)鍍 Ni-P 鍍層的性能，同 時(shí)歸納了 Ni-P 鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域。 1.2 化學(xué)鍍鎳

15、概述化學(xué)鍍鎳概述 化學(xué)鍍技術(shù)是在金屬的催化作用下，通過可控制的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生金屬 的沉積過程。與電鍍相比，化學(xué)鍍技術(shù)具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源 設(shè)備 、能在非導(dǎo)體上沉積和具有某些特殊性能等特點(diǎn)。另外，由于化學(xué)鍍技術(shù) 廢液排放少，對(duì)環(huán)境污染小以及成本較低，在許多領(lǐng)域已逐步取代電鍍，成為 一種環(huán)保型的表面處理工藝。目前，化學(xué)鍍技術(shù)已在電子、閥門制造、機(jī)械、 石油化工、汽車、航空航天等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 本研究所經(jīng)過十余年的化學(xué)鍍技術(shù)研究開發(fā)工作，已具備化學(xué)鍍鎳(中磷、 低磷、高磷)工藝，可根據(jù)客戶提供的部件的使用工況，制定出具體的化學(xué)鍍工 藝方案，并承接對(duì)外加工服務(wù)。目前結(jié)合汽車鋁質(zhì)

16、活塞表面處理工藝，開發(fā)出 一種全新的化學(xué)鍍 Ni-P-B 工藝，成功通過本田公司 150 小時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)，化學(xué)鍍 鍍層的表面硬度及耐磨性比一般的化學(xué)鍍大幅度提高，表面硬度 Hv800。 1.2.1 化學(xué)鍍化學(xué)鍍 Ni-P a. 化學(xué)鍍化學(xué)鍍 Ni-P 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 鍍層厚度 10-50m，硬度 Hv 550-1100（相當(dāng)于 HRC 55-72） ，結(jié)合強(qiáng)度大 于 15kg/mm2，耐腐蝕性能大大優(yōu)于不銹鋼。 b. 化學(xué)鍍化學(xué)鍍 Ni-P 主要技術(shù)特點(diǎn)主要技術(shù)特點(diǎn) (1) 硬度高，耐磨性好：化學(xué)鍍鍍層經(jīng)熱處理后硬度達(dá) Hv 1100，工模具鍍 膜后一般壽命提高 3 倍以上。 (2)

17、耐腐蝕強(qiáng)：化學(xué)鍍鍍層在酸、堿、鹽、氨和海水等介質(zhì)中都具有很好 的耐蝕性，其耐蝕性好于不銹鋼。 (3) 表面光潔、光亮：工件經(jīng)化學(xué)鍍鍍膜后，表面光潔度不受影響，無需 再加工和拋光。 (4) 可鍍形狀復(fù)雜：工件形狀不受限制，不變形，可化學(xué)鍍較深的盲孔和 形狀復(fù)雜的內(nèi)腔。 (5) 被鍍材料廣泛：可在模具鋼、不銹鋼、銅、鋁、塑料、尼龍、玻璃、 橡膠、木材等材料上化學(xué)鍍。 c. 化學(xué)鍍化學(xué)鍍 Ni-P 主要應(yīng)用部件主要應(yīng)用部件 3 (1) 各類模具：注塑模、橡膠模、玻璃模、電木模、壓鑄模等。 (2) 石油化工耐腐蝕部件：反應(yīng)器、閥門、管道、泵體、轉(zhuǎn)子葉片等。 (3) 機(jī)械部件：汽車零部件，紡織機(jī)械以及各

18、種需耐磨耐腐蝕的機(jī)械零部 件。如齒輪、齒輪軸、編織針導(dǎo)向桿、大型針盤、針筒7。 1.2.2 化學(xué)鍍鎳溶液的組成及其作用化學(xué)鍍鎳溶液的組成及其作用 a. 主鹽主鹽 化學(xué)鍍鎳溶液中的主鹽就是鎳鹽，一般采用氯化鎳或硫酸鎳，有時(shí)也采用 氨基磺酸鎳、醋酸鎳等無機(jī)鹽。早期酸性鍍鎳液中多采用氯化鎳，但氯化鎳會(huì) 增加鍍層的應(yīng)力，現(xiàn)大多采用硫酸鎳。目前已有專利介紹采用次亞磷酸鎳作為 鎳和次亞磷酸根的來源，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免了硫酸根離子的存在，同時(shí)在補(bǔ)加鎳 鹽時(shí)，能使堿金屬離子的累積量達(dá)到最小值。但存在的問題是次亞磷酸鎳的溶 解度有限，飽和時(shí)僅為 35g/L。次亞磷酸鎳的制備也是一個(gè)問題，價(jià)格較高。 如果次亞磷酸鎳的

19、制備方法成熟以及溶解度問題能夠解決的話，這種鎳鹽將會(huì) 有很好的前景。 b. 還原劑還原劑 化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)過程是一個(gè)自催化的氧化還原過程，鍍液中可應(yīng)用的還原 劑有次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、烷基胺硼烷及肼等。在這些還原劑中以次亞磷酸 鈉用的最多，這是因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜，且鍍液容易控制，鍍層抗腐蝕性能好等優(yōu) 點(diǎn)。 c. 絡(luò)合劑絡(luò)合劑 化學(xué)鍍鎳溶液中的絡(luò)合劑除了能控制可供反應(yīng)的游離鎳離子的濃度外，還 能抑制亞磷酸鎳的沉淀，提高鍍液的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)鍍液的使用壽命。有的絡(luò)合 劑還能起到緩沖劑和促進(jìn)劑的作用，提高鍍液的沉積速度。化學(xué)鍍鎳的絡(luò)合劑 一般含有羥基、羧基、氨基等。 在鍍液配方中，絡(luò)合劑的量不僅取決于鎳離子的

20、濃度，而且也取決于自身 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在鍍液中每一個(gè)鎳離子可與 6 個(gè)水分子微弱結(jié)合，當(dāng)它們被羥基， 羥基，氨基取代時(shí)，則形成一個(gè)穩(wěn)定的鎳配位體。如果絡(luò)合劑含有一個(gè)以上的 官能團(tuán)，則通過氧和氮配位鍵可以生成一個(gè)鎳的閉環(huán)配合物。在含有 0.1mol 的 鎳離子鍍液中，為了絡(luò)合所有的鎳離子，則需要含量大約 0.3mol 的雙配位體的 絡(luò)合劑。當(dāng)鍍液中無絡(luò)合劑時(shí)，鍍液使用幾個(gè)周期后，由于亞磷酸根聚集，濃 度增大，產(chǎn)生亞磷酸鎳沉淀，鍍液加熱時(shí)呈現(xiàn)糊狀，加絡(luò)合劑后能夠大幅度提 高亞磷酸鎳的沉淀點(diǎn)，即提高了鍍液對(duì)亞磷酸鎳的容忍量，延長(zhǎng)了鍍液的使用 壽命。 不同絡(luò)合劑對(duì)鍍層沉積速率、表面形狀、磷含量、耐腐蝕性

21、等均有影響， 4 因此選擇絡(luò)合劑不僅要使鍍液沉積速率快，而且要使鍍液穩(wěn)定性好，使用壽命 長(zhǎng)，鍍層質(zhì)量好。 d. 緩沖劑緩沖劑 由于在化學(xué)鍍鎳反應(yīng)過程中，副產(chǎn)物氫離子的產(chǎn)生，導(dǎo)致鍍液 pH 值會(huì)下 降。試驗(yàn)表明，每消耗 1mol 的 Ni2+同時(shí)生成 3mol 的 H+，即就是在 1L 鍍液中， 若消耗 0.02mol 的硫酸鎳就會(huì)生成 0.06mol 的 H+。所以為了穩(wěn)定鍍速和保證鍍 層質(zhì)量，鍍液必須具備緩沖能力。緩沖劑能有效的穩(wěn)定鍍液的 pH 值，使鍍液 的 pH 值維持在正常范圍內(nèi)。一般能夠用作 pH 值緩沖劑的為強(qiáng)堿弱酸鹽，如醋 酸鈉、硼砂、焦磷酸鉀等。 e. 穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑 化學(xué)鍍鎳液

22、是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，常常在鍍件表面以外的地方發(fā)生還 原反應(yīng)，當(dāng)鍍液中產(chǎn)生一些有催化效應(yīng)的活性微粒催化核心時(shí)，鍍液容易 產(chǎn)生激烈的自催化反應(yīng)，即自分解反應(yīng)而產(chǎn)生大量鎳-磷黑色粉末，導(dǎo)致鍍液壽 命終止，造成經(jīng)濟(jì)損失。 在鍍液中加入一定量的吸附性強(qiáng)的無機(jī)或有機(jī)化合物，它們能優(yōu)先吸附在 微粒表面抑制催化反應(yīng)從而穩(wěn)定鍍液，使鎳離子的還原只發(fā)生在被鍍表面上。 但必須注意的是，穩(wěn)定劑是一種化學(xué)鍍鎳毒化劑，即負(fù)催化劑，穩(wěn)定劑不能使 用過量，過量后輕則降低鍍速，重則不再起鍍，因此使用必須慎重。 所有穩(wěn)定劑都具有一定的催化毒性作用，并且會(huì)因過量使用而阻止沉積反 應(yīng)，同時(shí)也會(huì)影響鍍層的韌性和顏色，導(dǎo)致鍍層變脆而

23、降低其防腐蝕性能。試 驗(yàn)證明，稀土也可以作為穩(wěn)定劑，而且復(fù)合稀土的穩(wěn)定性比單一稀土要好。 f. 加速劑加速劑 在化學(xué)鍍?nèi)芤褐屑尤胍恍┘铀俅呋瘎?，能提高化學(xué)鍍鎳的沉積速率。加速 劑的使用機(jī)理可以認(rèn)為是還原劑次磷酸根中氧原子被外來的酸根取代形成配位 化合物，導(dǎo)致分子中 H 和 P 原子之間鍵合變?nèi)酰箽湓诒淮呋砻嫔细菀滓?動(dòng)和吸附。也可以說促進(jìn)劑能起活化次磷酸根離子的作用。常用的加速劑有丙 二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸、氟化鈉等。 g. 其他添加劑其他添加劑 在化學(xué)鍍鎳溶液中，有時(shí)鍍件表面上連續(xù)產(chǎn)生的氫氣泡會(huì)使底層產(chǎn)生條紋 或麻點(diǎn)。加入一些表面活性劑有助于工件表面氣體的逸出，降低鍍層的孔隙率。

24、 常用的表面活性劑有十二烷基硫酸鹽、十二烷基磺酸鹽和正辛基硫酸鈉等。 稀土元素在電鍍液中可以改善鍍液的深鍍能力、分散能力和電流效率。研 究表明，稀土元素在化學(xué)鍍中同樣對(duì)鍍液的鍍層性能有顯著改善。少量的稀土 元素能加快化學(xué)沉積速率，提高鍍液穩(wěn)定性，鍍層耐磨性和搞腐蝕性能8。 5 1.3 化學(xué)鍍鎳動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理化學(xué)鍍鎳動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理 在獲得熱力學(xué)判據(jù)證明化學(xué)鍍鎳可行的基礎(chǔ)上，幾十年來人們不斷探索化 學(xué)鍍鎳的動(dòng)力學(xué)過程，提出各種沉積機(jī)理、假說，以期解釋化學(xué)鍍鎳過程中出 現(xiàn)的許多現(xiàn)象，希望推動(dòng)化學(xué)鍍鎳技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。雖然化學(xué)鍍鎳的配方、 工藝千差萬別，但它們都具備以下幾個(gè)共同點(diǎn)： a. 沉積 Ni

25、的同時(shí)伴隨著 H2析出。 b. 鍍層中除 Ni 外，還含有與還原劑有關(guān)的 P、B 或 N 等元素。 c. 還原反應(yīng)只發(fā)生在某些具有催化活性的金屬表面上，但一定會(huì)在已經(jīng)沉 積的鎳層上繼續(xù)沉積。 d. 產(chǎn)生的副產(chǎn)物 H促使槽液 pH 值降低。 e. 還原劑的利用率小于 100%。 無論什么反應(yīng)機(jī)理都必須對(duì)上面的現(xiàn)象作出合理的解釋，尤其是化學(xué)鍍鎳 一定要在具有自催化的特定表面上進(jìn)行，機(jī)理研究應(yīng)該為化學(xué)鍍提供這樣一種 催化表面。 化學(xué)鍍的催化作用屬于多相催化，反應(yīng)是在固相催化劑表面上進(jìn)行。不同 材質(zhì)表面的催化能力不同，因?yàn)樗鼈兇嬖诘拇呋钚灾行臄?shù)量不同，而催化劑 作用正是靠這些活性中心吸附反應(yīng)物分子增

26、加反應(yīng)激活能而加速反應(yīng)進(jìn)行的。 在實(shí)際化學(xué)鍍中工件的催化劑活性大小與工藝密切相關(guān)。人們也不難發(fā)現(xiàn)一些 并不具備催化活性的表面，如不銹鋼、搪瓷、清漆、塑料、玻璃鋼、等在長(zhǎng)期 施鍍、機(jī)械摩擦、局部溫度或 pH 值過高，或還原劑濃度過高等條件下，由它 們制成的容器壁、掛鉤上也會(huì)顯示出催化活性而沉積上鎳，溫度高的地區(qū)尤甚。 這是化學(xué)鍍過程中要不斷用濃硝酸處理容器、掛鉤、過濾泵等的原因，增加了 無限的麻煩和成本。為了避免在容器底部或壁上沉積鎳，除了在配方上下功夫 外，經(jīng)常調(diào)換鍍槽進(jìn)行清洗是必要的10。由此可見，化學(xué)鍍中表現(xiàn)的所謂催化 活性也是有條件的，并無絕對(duì)意義，也就是說催化劑對(duì)反應(yīng)條件有嚴(yán)格的選擇

27、性，要某種材質(zhì)表現(xiàn)出良好的催化活性也要有相應(yīng)的環(huán)境才行。對(duì)化學(xué)鍍鎳來 說不可能改變鍍液組成及施鍍條件以滿足各種材質(zhì)表面所需要的催化條件，否 則鍍液會(huì)嚴(yán)重的自分解。材質(zhì)不同，表面的催化活性也不同 ，在同一條件下施 鍍其最初的沉積速度也不同，但在覆蓋上鎳層后靠它的催化活性表面進(jìn)行反應(yīng)， 沉積速度就會(huì)趨于一致。 1.3.1 化學(xué)鍍化學(xué)鍍 Ni-P 合金的機(jī)理合金的機(jī)理 在工件表面化學(xué)鍍鎳，以 H2PO3-作還原劑在酸性介質(zhì)中反應(yīng)式為(1.1)： Ni2+H2PO2-H2OH2PO3-Ni2H+ (1.1) 6 它必然有幾個(gè)基本步驟： a. 反應(yīng)物 (Ni2+、H2PO2-等) 向表面擴(kuò)散； b. 反

28、應(yīng)物在催化表面上吸附； c. 在催化表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； d. 產(chǎn)物(H+、H2、H2PO3-等)從表面層脫附； e. 產(chǎn)物擴(kuò)散離開表面11 。 這些步驟中按化學(xué)動(dòng)力學(xué)基本原理，最慢的步驟是整個(gè)沉積反應(yīng)的控制步 驟。 目前，化學(xué)鍍合金有四種沉積機(jī)理，即原子氫理論、氫化物傳輸理論、電 化學(xué)理論，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹。 1.3.2 原子氫理論原子氫理論 由 G.Gutzeit12在前人工作的基礎(chǔ)上提出。鑒于 Ni 的沉積只能在催化活性 表面上實(shí)現(xiàn)，所以還原劑 H2PO2-必須在催化及加熱條件下水解放出原子 H，或 由 H2PO2-催化脫氫產(chǎn)生原子 H，即(1.2)和(1.3)： H2PO2 -H2OH2PO

29、3-2H(原子)H+ (1.2) H2PO2-PO2-2H(原子) (1.3) Ni2+的還原就是由活性金屬表面上吸附的 H 原子（活潑的初生態(tài)原子 H） 交出電子實(shí)現(xiàn)的，Ni2+吸收電子后立即還原成金屬沉積在工件表面。如式(1.4)： Ni2+2 H(原子)Ni2H+ (1.4) 原子 H 理論又進(jìn)一步對(duì) P 的沉積和 H2的析出做出解釋，次磷酸根被原子 H 還原出 P，即(1.5)： H2PO2-HH2OOH-P (1.5) 或發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)沉積出 P，即(1.6)： 3H2PO2-H2PO3-H2O2OH-2P (1.6) H2的析出既可以是水解產(chǎn)生，也可以由初生態(tài)氫原子合成，如式

30、(1.7)和 (1.8)： H2PO2-H2OH2PO3-H2 (1.7) 2H (H 原子) H2 (1.8) 原子氫理論認(rèn)為真正的還原物質(zhì)是被吸附的原子態(tài)活性氫，并不是 H2PO2- 與 Ni2+直接作用，還原劑 H2PO2是活性氫的來源。H2PO2不止放出活性氫原 子，它還分解形成 H2PO3、H2、析出 P，所以還原劑的利用率一般只有 30%- 40%，不可能是 100%。原子 H 理論普通為人接受，它較好的解釋了 Ni-P 的沉 積過程，還不排斥反應(yīng)過程的氧化還原特征13。 用以上反應(yīng)式也可以對(duì)合金鍍層的層狀組織作一初步解釋：反應(yīng)式產(chǎn)生的 7 OH-將使鍍層溶液界面上 pH 值增加，

31、pH 值上升有利于提高反應(yīng)速度，產(chǎn)生的 H+又使 pH 值下降，反應(yīng)速度又會(huì)上升。pH 值如此循環(huán)波動(dòng)導(dǎo)致鍍層中磷量發(fā) 生周期性變化，以至出現(xiàn) P 量不同的鍍層中的層狀結(jié)構(gòu)。換句話說，這種層狀 組織是 pH 值周期性波動(dòng)造成的。 1.3.3 電化學(xué)機(jī)理電化學(xué)機(jī)理 認(rèn)為 Ni2+被 H2PO2-還原沉積出 Ni 的過程是由陽極反應(yīng)次磷酸根還原劑的氧 化和陰極反應(yīng) Ni2+還原為 Ni 兩個(gè)獨(dú)立部分所組成，并由它們的電極電位來判斷 反應(yīng)過程，如式(2.5)、(2.6)、(2.7)和(2.8)： 陽極反應(yīng) H2PO2-H2OHPO32-2H+2e Ea00.50V (2.5) 陰極反應(yīng) Ni2+2e

32、Ni EC0 0.25V (2.6) 2H+2eH2 EC0 0V (2.7) H2PO2-2H+2eP2H2O EC00.25V (2.8) 電化學(xué)機(jī)理能解釋 Ni 沉積的同時(shí)就有 P 共析并同時(shí)析出 H2，Ni2+濃度對(duì)反 應(yīng)速度有影響等問題。 電化學(xué)機(jī)理視化學(xué)鍍 NiP 過程是一個(gè)原電池反應(yīng)，也就是說在混合電位 控制下發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。在催化活性表面上同時(shí)出現(xiàn)幾個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的氧化還 原反應(yīng)，形成了一個(gè)多電極體系，它們耦合出的非平衡電位稱為混合電位，可 以用作圖法得到，即 Evans 極化圖。方法是分別測(cè)出陰極和陽極過程的電流 電位曲線，如陰極反應(yīng) Ni2+還原、陽極反應(yīng) H2PO2氧化的

33、ie 曲線，兩條曲 線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位就是混合電位 Em、對(duì)應(yīng)的電流 id 即可表示沉積速度。用 極化圖可以研究槽液組成及工藝條件變化的影響。如式(2.9)、(3.0)、(3.1)和(3.2)： 陽極反應(yīng) H2PO2-H2OHPO32-2H+2e (2.9) 陰極反應(yīng) Ni2+2eNi (3.0) 2H+2eH2 (3.1) H2PO2-2H+eP2H2O (3.2) 在混合電位 Em 下的沉積速度 沉積速度還原速度 應(yīng)用法拉第定律即可計(jì)算出沉積速度 沉積速度（mg/cm2h）1.09沉積(mA/cm2)15 1.3.4 化學(xué)鍍鎳溶液各組份的剖析化學(xué)鍍鎳溶液各組份的剖析 優(yōu)異的鍍液配方對(duì)于產(chǎn)生

34、優(yōu)質(zhì)的化學(xué)鍍鎳層是必不可少的。化學(xué)鍍鎳溶液 應(yīng)包括：鎳鹽、還原劑、絡(luò)合劑、緩沖劑、促進(jìn)劑、穩(wěn)定劑、光亮劑、潤(rùn)濕劑 等。其基本組份為鎳鹽和還原劑，剩下各組份的作用不同，但又沒有嚴(yán)格限制， 8 如乳酸，不僅有絡(luò)合劑作用，還有加速作用;醋酸鉛既有穩(wěn)定劑作用，又有光亮 劑作用；氨基乙酸兼緩沖、絡(luò)合、加速于一身。 化學(xué)鍍鎳溶液中的鎳鹽，如硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳等，由它們提供化學(xué) 鍍反應(yīng)過程中所需要的鎳離子。早期曾用過氯化鎳做主鹽，但由于氯離子的存 在不僅會(huì)降低鍍層的耐蝕性，還產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以目前已很少有人使用。同硫 酸鎳相比用醋酸鎳做主鹽對(duì)鍍層性能是有益的，但因其價(jià)格昂貴而無人使用。 因此一般用硫酸鎳來

35、作主鹽。用得最多的還原劑是次磷酸鈉，原因在于它的價(jià) 格低、鍍液容易控制，而且合金鍍層性能良好。次磷酸鈉在水中易于溶解，水 溶液的 pH 值為 6。是白磷溶于 NaOH 中，加熱而得到的產(chǎn)物。目前國(guó)內(nèi)的次磷 酸鈉制造水平很高，除了國(guó)內(nèi)需求外還大量出口。 1.4 化學(xué)鍍鎳熱力學(xué)反應(yīng)機(jī)理化學(xué)鍍鎳熱力學(xué)反應(yīng)機(jī)理 化學(xué)鍍鎳是用還原劑把溶液中的鎳離子還原并沉積在具有催化活性的表面 上。其反應(yīng)式為式(3.3)： NiCm+ + RNi + mC + O (3.3) C 為絡(luò)合劑； m 為絡(luò)合劑配位體數(shù)目； R，O 分別為還原劑的還原態(tài)和氧化態(tài)。 上式分解為式(3.4)和(3.5)： 陰極反應(yīng)：NiCm2+

36、2eNi+mC (3.4) 陽極反應(yīng)：RO+2e (3.5) 該氧化還原反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的熱力學(xué)判據(jù)是反應(yīng)自由能的變化G298， 今以次磷酸鹽還原劑作例子來計(jì)算化學(xué)鍍鎳自由能的變化如式(3.6)和(3.7)： 還原劑的反應(yīng) H2PO2-+ H2OHPO32- + 3H+ +2e (3.6) G298=96894J/mol (3.7) 氧化劑的自由能的變化如式(3.8)、(3.9)和(4.0)： 氧化劑的反應(yīng) Ni2+ + 2eNi (3.8) G298= 44570.4J/mol (3.9) 總反應(yīng) Ni2+ + H2PO2- + H2OHPO32- + Ni + 3H+ (4.0) 該反應(yīng)自

37、由能的變化G298 = 44570.4+(96894)=52323.6 J /mol。反應(yīng) 自由能變化G 為負(fù)值、且比零小得多，所以從熱力學(xué)判據(jù)得出結(jié)論表明用次 磷酸鹽做還原劑還原 Ni2+是完全可行的。體系的反應(yīng)自由能變化G 是狀態(tài)函 數(shù)，凡是影響體系狀態(tài)的各個(gè)因素都會(huì)影響反應(yīng)過程的G 值16。 眾所周知，對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)G= -nFE，n是反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，F(xiàn)法拉第 9 常數(shù)，E是電池電勢(shì)。因此，可逆電池電勢(shì)E也可以直接用來做該電化學(xué)反應(yīng)能 否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)。直接用電池電勢(shì)E做反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)更簡(jiǎn)單。 化學(xué)鍍鎳反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行與溶液的pH值密切相關(guān)，所以也可以用pH-電 位圖來說明，

38、如圖1.1： (a) Ni-H2O體系,(b) P-H2O體系 圖1.1 pH-電位圖(25) 圖 1.1 是 Ni-H2O 系和 pH-H2O 系的 pH-電位圖，用它做例子來說明化學(xué)鍍 Ni 的可能性問題。 從 Ni-H2O 系 pH-E 圖可看出 Ni， Ni2+和 NiO(氧化物或氫氧化物)三個(gè)穩(wěn)定 區(qū)的條件：電位低、在整個(gè) pH 范圍內(nèi) Ni 都是穩(wěn)定的，當(dāng)電位增加( 0.25V ) Ni 被氧化、在酸性介質(zhì)( pH 6 )中以 Ni+形式存在，pH 值增加，在高電位區(qū) 則以 Ni 的氫氧化物或氧化物存在。 從 P-H2O 系的 pH-E 圖可看出酸、堿兩個(gè)穩(wěn)定區(qū)：即 pH6 的 H

39、2PO2- H2PO3-的酸穩(wěn)定區(qū)與 pH6 的 H2PO2-H2PO3-的堿穩(wěn)定區(qū)?？梢娫谒帷A介質(zhì)中 用次磷酸鹽均可沉積出鎳，在堿性介質(zhì)中次磷酸鹽氧化的電位更負(fù)，其還原能 力遠(yuǎn)比在酸性介質(zhì)中強(qiáng)。要想在堿性介質(zhì)中化學(xué)鍍鎳，為了保證鍍液穩(wěn)定不析 出沉淀，只能用鰲合能力強(qiáng)的絡(luò)合劑，如果不是次磷酸鹽具有更強(qiáng)的還原能力， 堿性介質(zhì)化學(xué)鍍 Ni-P 合金將不可能了。溫度變化 pH-E 圖也相應(yīng)有所變化，但 總趨勢(shì)是不會(huì)變的17。 10 1.5 化學(xué)鍍的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀化學(xué)鍍的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 1.5.1 化學(xué)鍍鎳層的性能化學(xué)鍍鎳層的性能 化學(xué)復(fù)合鍍是在化學(xué)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種表面處理技術(shù)，現(xiàn)已成為 制

40、備復(fù)合鍍層的重要手段。由于復(fù)合鍍層具有分散粒子和基體金屬的共同特性， 故通過加入不同特性的粒子可給鍍層帶來優(yōu)良的功能。高硬度和低摩擦系數(shù)的 復(fù)合材料在航空、機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，成為近年來研究較 為活躍的一個(gè)熱點(diǎn)化學(xué)鍍鎳磷鍍層適用面廣。該鍍層對(duì)鋼、鐵、銅、合金等金 屬材料及塑料、纖維、陶瓷、粉末等非金屬材料均可施鍍，特別是對(duì)于鋁合金 材料，采用化學(xué)鍍效果較好。化學(xué)鍍鎳磷合金層具有優(yōu)良的綜合性能，其主要 表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： a. 鎳磷鍍層均勻性好，鍍層是利用鍍液在工件基體表面上的自催化氧化還 原反應(yīng)，沒有電鍍中電流密度不均勻的問題，不受工件幾何形狀的限制，化學(xué) 鍍液的分散能力都接

41、近100%，無明顯的邊緣效應(yīng)，能使具有銳角，銳邊的零件 以及平板上的各點(diǎn)厚度基本一致，也可使零部件中的深孔、盲孔、腔體內(nèi)表面 與外表面鍍層厚度一致。因此化學(xué)鍍能夠滿足形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜而尺寸要求高的精 密部件的表面處理要求，這是電鍍所無法實(shí)現(xiàn)的。鍍層厚度可根據(jù)需要在10 90m 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。一般要求為2535m。 b. 鍍層外觀良好大部分化學(xué)鍍層致密、孔隙少、呈光亮或半光亮的外觀。 c. 鎳磷鍍層硬度高、抗磨性能優(yōu)良，鍍層具有高硬度低韌性特點(diǎn)。鍍態(tài)維 氏硬度達(dá)500-600kg/mm2 。鍍層經(jīng)過400熱處理后維氏硬度可以達(dá)到800 1000kg/mm2 ，在溫度300以上時(shí)開始發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變，改

42、變了鍍層的非晶態(tài)， 生成的微晶結(jié)構(gòu)使鍍層硬度提高，耐磨性增強(qiáng)。鎳磷鍍層的晶體結(jié)構(gòu)不僅與鍍 液中的磷含量有關(guān)，還與絡(luò)合劑、添加劑有關(guān)，如鍍層中磷含量小于8 %為晶態(tài) 結(jié)構(gòu)，大于8 %則為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過400左右的加熱和保溫，即可實(shí)現(xiàn)晶化 處理，完成從非晶態(tài)到晶態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，鍍層中生成Ni3P化合物，從而使鍍層 硬度高。含磷量高的鍍層在加熱后，其硬度增加，相應(yīng)耐磨性也提高，由于化 學(xué)鍍鎳磷層有很好的耐磨性，在鋁制塑料模型上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，就可解決鋁制 模具磨損和易腐蝕的問題，在鋁合金上化學(xué)鍍鎳磷，會(huì)使汽車部件重量減輕的 同時(shí)保持高硬度和耐磨性。近年來，我國(guó)日化行業(yè)中的鋁制唇膏模表面，也采 用化學(xué)鍍

43、鎳磷來處理。 d. 鍍層結(jié)合強(qiáng)度高，任何表面鍍層都有對(duì)鍍層結(jié)合強(qiáng)度的要求，化學(xué)鍍也 不例外。鍍層與基體材料的結(jié)合將直接影響材料的使用壽命。為此，郭海洋等 采用銼削試驗(yàn)、劃痕試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、折斷試驗(yàn)、耐蝕試驗(yàn)和金相分析等多種 11 方法對(duì)鍍層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明Ni-P合金化學(xué)鍍鍍層結(jié)合強(qiáng)度良好。 作為一項(xiàng)關(guān)鍵的性能要求，取得良好的結(jié)合強(qiáng)度，為化學(xué)鍍Ni-P技術(shù)的不斷發(fā) 展和應(yīng)用奠定了重要的基礎(chǔ)。 e. 鎳磷鍍層優(yōu)良的耐蝕性18-20，化學(xué)鍍層的耐蝕性能是由它的晶體組織結(jié) 構(gòu)決定的。由于鎳磷鍍層屬于非晶態(tài)，不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，是單一 均勻組織，不易形成電偶腐蝕；同時(shí)由于Ni-P合金

44、化學(xué)鍍無需電極，是基體表 面本身具有催化性的化學(xué)沉積過程，沒有尖端效應(yīng)，具有良好的“仿形性”， 鍍層厚度均勻、致密，作為一種屏障把基體與周圍介質(zhì)隔離開來，不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn) 蝕等局部效應(yīng)，所以鎳磷鍍層耐蝕性能優(yōu)良，已經(jīng)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。高含 磷量的耐蝕性優(yōu)于低含磷量，但在濃堿液中，低含磷量有好的耐蝕性，但鎳磷 鍍層不耐硝酸、亞硫酸、硝酸鹽、氯化鐵等強(qiáng)氧化性介質(zhì)的腐蝕。鍍層的耐蝕 性與鍍層上的孔隙率有關(guān)，而孔隙率與所選的絡(luò)合劑有關(guān)，此外，鍍層的耐蝕 性還與基體材質(zhì)、表面粗糙度有很大關(guān)系。高磷含量的鎳磷層已經(jīng)應(yīng)用于半導(dǎo) 體生產(chǎn)用的凈室，制造高純度氣體的零部件、燃?xì)廨啓C(jī)的部件、標(biāo)準(zhǔn)砝碼等。 f. 鎳磷鍍層

45、優(yōu)良的電特性。化學(xué)鍍鎳磷鍍層的電特性因其合金組成不同， 其導(dǎo)電性、焊接性、熱傳導(dǎo)性、絕緣性、接點(diǎn)磨損、電阻等特性也不同。鎳磷 鍍層的電阻比純鎳大，并且隨含磷量的增加而增大。計(jì)算機(jī)硬盤制作中在鋁基 底和磁性記錄薄膜之間進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷，以保證鋁合金基底在工作時(shí)不產(chǎn)生變 形，而且還能夠滿足無磁性的要求，而且具有耐腐蝕性和足夠的硬度。目前， 化學(xué)鍍鎳已經(jīng)被成功地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)磁盤的大批量生產(chǎn)中。低磷的鎳磷鍍層有 良好的可焊性，在航空工業(yè)和電子工業(yè)中有許多鋁制零件上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷后， 就可直接焊接。 g. 適用面廣，鎳磷鍍層對(duì)鋼、鐵、銅、鋁及其合金材料均可施鍍，特別是 對(duì)于鋁合金材料，電鍍鎳比較困難，而采

46、用化學(xué)鍍則效果很好。 h. 設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，無需復(fù)雜的電解設(shè)備及其附件，只要將工件浸入 鍍液或把鍍液連續(xù)噴射到工件便面即可，不需要復(fù)雜的掛具。此外，由于施鍍 過程靠自催化反應(yīng)進(jìn)行，故不需加直流電源，節(jié)省能源21。 1.5.2 化學(xué)鍍鎳磷層的應(yīng)用現(xiàn)狀化學(xué)鍍鎳磷層的應(yīng)用現(xiàn)狀 a.化學(xué)鍍Ni-P鍍層在模具中的應(yīng)用2225。隨著塑料電鍍、印刷電路板、電 子儀器罩殼屏蔽及石油管道的防腐等方面的需求日益增多，化學(xué)鍍Ni-P合金及 其合金得到了迅猛的發(fā)展。但是真正應(yīng)用于模具方面的報(bào)導(dǎo)則廖廖無幾，在鑄 模和熱壓鑄模中的應(yīng)用則幾乎沒有報(bào)道過。司徒海文等在某鑄廠選擇了水泵葉 輪FM3舊模三副，經(jīng)鍍化學(xué)鍍Ni-

47、P合金并進(jìn)行熱處理后與未施鍍的三副同樣的 模具裝在同一型板上同時(shí)使用，同時(shí)存放進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)比。結(jié)果表明，經(jīng)該 12 工藝加工處理的三副舊模使用時(shí)間較長(zhǎng)，鍍層光亮，基本無磨損，而且模具表 面無腐蝕現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)起皮或脫落現(xiàn)象。而未進(jìn)行表面處理的三副模具己經(jīng)出 現(xiàn)大面積銹跡和嚴(yán)重的磨損。這就表明，Ni-P合金層具有優(yōu)異的防腐性能和耐 磨性能，覆層與基體結(jié)合力好，可大幅度提高模具的使用壽命。 b. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層在石化行業(yè)中的應(yīng)用：近年來隨著石油開采深度的加大， 石油化工設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期的延長(zhǎng)，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，新工藝的開發(fā)以及原油中成 分的影響和原油的深度加工，這些因素對(duì)設(shè)備的要求越來越高，腐蝕問題

48、已經(jīng) 成為影響石油化工生產(chǎn)的重大問題之一。化學(xué)鍍合金鍍層具有良好的抗腐蝕性 能和優(yōu)異的耐磨性能。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐已經(jīng)證明該鍍層在石油化工領(lǐng)域具有較 好的應(yīng)用前景。陳相振在深入調(diào)查研究石化生產(chǎn)中冷換設(shè)備運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上， 與大慶防腐廠合作、聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用化學(xué)鍍鎳磷合金防腐技術(shù)，先后推廣應(yīng)用于 勝利煉油廠、烯烴廠、第二化肥廠、青州磷肥廠等單位的冷換設(shè)備及其它設(shè)備 的防腐中，取得了良好的效果。于曉鵬通過對(duì)換熱器管束表面的腐蝕原因、腐 蝕形態(tài)分析以及Ni-P合金鍍層的形成原理及性能分析，提出化學(xué)鍍Ni-P合金技 術(shù)是換熱器管束表面防腐的一種有效方法。在許多腐蝕介質(zhì)中，鎳-磷合金鍍層 表現(xiàn)出其優(yōu)良的抗腐蝕性

49、能，含磷高的鍍層已在石油和天然氣工業(yè)中廣泛用于 管道、泵殼、防噴裝置、閥門、封隔器、抽油桿等零部件的表面處理，既耐腐 蝕，也耐磨損。上述零部件接觸的介質(zhì)為井下鹽水、二氧化碳和硫化氫，溫度 高達(dá)170-200，并有泥砂和其他磨粒沖蝕。大慶采油四廠、七廠把化學(xué)鍍鎳 應(yīng)用到舊油管的修復(fù)，獲得巨大效益。 c. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層在井下工具的應(yīng)用:油田進(jìn)入后期開發(fā)，原油含水量增加， 注水系統(tǒng)和采油系統(tǒng)的介質(zhì)組分復(fù)雜特殊，致使設(shè)備嚴(yán)重腐蝕，尤其是井下工 具。除上述因素外，加之在高溫、沖刷、磨損等嚴(yán)酷環(huán)境下腐蝕更快，從而降 低生產(chǎn)效率，致使停止作業(yè)，影響原油產(chǎn)量，造成大量浪費(fèi)，嚴(yán)重地干擾了油 田正常的生產(chǎn)秩

50、序。為了緩解油田的腐蝕問題，自20 世紀(jì)90 年代起許多科技 人員作了大量的基礎(chǔ)研究工作，分析腐蝕因素，探討腐蝕機(jī)理，并提出多種防 腐蝕措施，收到了較好的效果。王永紅等通過查閱大量相關(guān)資料后，進(jìn)行對(duì)比 分析，提出了應(yīng)用化學(xué)鍍鎳技術(shù)對(duì)井下工具進(jìn)行表面防腐蝕處理的想法，并開 展了化學(xué)鍍鎳技術(shù)研究。經(jīng)過充分的試驗(yàn)，結(jié)果表明，鍍件表面生成一層致密 的略呈暗灰色的鈍化膜，表面無腐蝕，鍍件防腐蝕性能、耐磨性能良好，可使 更換周期延長(zhǎng)2倍以上。目前，化學(xué)鍍鎳已被許多油田列為井下工具、油管表面 防腐蝕處理推廣技術(shù)。 d. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層在非金屬材料上的應(yīng)用：化學(xué)鍍是提高金屬或非金屬等 材料表面特性的一種強(qiáng)

51、化方法。隨著新材料的不斷產(chǎn)生，大量的非金屬材料表 13 面需要進(jìn)行金屬化處理，如汽車家電行業(yè)中應(yīng)用廣泛的塑料電鍍件、計(jì)算機(jī)和 印刷電路板行業(yè)中的素?zé)沾杀砻娴幕瘜W(xué)鍍鎳、電池行業(yè)中鍍?cè)诰郯滨ヅ菽?作為極板的發(fā)泡鎳極、碳纖維與尼龍纖維在制備復(fù)合材料中的化學(xué)鍍鎳處理以 及在超細(xì)陶瓷粉體上的化學(xué)鍍工藝等。 e. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層在工程塑料上的應(yīng)用：工程塑料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、 耐腐蝕以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域 得到了廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展速度己超過了金屬材料。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā) 展，塑料本身的性能己不能完全滿足某些特殊環(huán)境下的使用要求。因此，對(duì)塑 料表面進(jìn)行處理

52、，使其兼有塑料和金屬的性能。這對(duì)進(jìn)一步提高塑料性能，擴(kuò) 大塑料的應(yīng)用范圍有著重要的實(shí)際意義。梁平以PVC工程塑料為基體材料，研 究了在低溫、堿性條件下化學(xué)鍍Ni-P合金工藝。結(jié)果表明可以在PVC 塑料上獲 得表面良好、結(jié)合強(qiáng)度較好的Ni-P合金鍍層。 f. 化學(xué)鍍?cè)谔沾刹牧现械膽?yīng)用：陶瓷具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高 溫、耐壓，但它不導(dǎo)電、色澤單調(diào)、抗沖擊強(qiáng)度差。為了克服這些缺點(diǎn)，可對(duì) 陶瓷進(jìn)行金屬化處理。目前，陶瓷表面金屬化技術(shù)很多，化學(xué)鍍以其適應(yīng)基體 廣、均鍍和深鍍能力好、生產(chǎn)方便，而得到廣泛的應(yīng)用。目前，陶瓷化學(xué)鍍的 研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，開發(fā)了超聲波化學(xué)鍍、脈沖化學(xué)鍍、激光誘導(dǎo)化學(xué)

53、 鍍和光化學(xué)鍍等新技術(shù)，但還缺乏工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)踐。同時(shí)，研究代替貴金屬 的復(fù)合鍍層，提高鍍液的穩(wěn)定性、沉積速率和減少前處理工序，以降低成本， 都是今后研究的重點(diǎn)。 g. 玻璃纖維上的化學(xué)鍍。近年來，采用導(dǎo)電纖維填料與樹脂基材復(fù)合制備 具有屏蔽性能的導(dǎo)電材料正在成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。常用的纖維種類有金屬纖維、 碳纖維、有機(jī)纖維等。這些纖維填料要廣泛應(yīng)用還受價(jià)格、力學(xué)性能、電性能 等方面的限制。鍍金屬玻璃纖維由于強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、易成型、成本低等優(yōu) 點(diǎn)，因而是一種優(yōu)異的導(dǎo)電填料。時(shí)刻等利用化學(xué)鍍的方法在玻璃纖維的表面 鍍Ni-Cu-P合金，獲得了鍍層均勻、力學(xué)性能優(yōu)良和有良好導(dǎo)電性的合金鍍層。 1.6

54、 研究目的與意義研究目的與意義 本課題目的是主要研究堿性化學(xué)鍍鎳后再酸性鍍鎳的工藝，通過正交試驗(yàn) 選出一種較好的鍍液配方，討論了分別討論絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑、緩沖劑、溫度及 pH 值的影響,檢測(cè)了鍍層的性能。 這樣的研究成果能夠投入到大量的生產(chǎn)中，使得化學(xué)鍍鎳的配方更加簡(jiǎn)單， 更加方便，目前化學(xué)鍍鎳技術(shù)已十分成熟，各種門類齊全的化學(xué)鍍鎳溶液已經(jīng) 商品化、系列化。盡管如此，在眾多課題研究中，化學(xué)鍍鎳溶液的穩(wěn)定性、使 14 用壽命等仍然倍受關(guān)注。有關(guān)高穩(wěn)定性化學(xué)鍍鎳工藝的開發(fā)己有報(bào)道5-11，有 關(guān)化學(xué)鍍鎳穩(wěn)定性影響因素及相應(yīng)處理方法的系統(tǒng)論述卻很少報(bào)道。 鍍液的穩(wěn)定性及其使用壽命已經(jīng)成為國(guó)際化學(xué)鍍鎳工

55、業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)?它關(guān)系到化學(xué)鍍的成本及廢舊鍍液對(duì)環(huán)境的污染。鍍液的穩(wěn)定性越高，使用壽 命越長(zhǎng)，化學(xué)鍍加工成本就越低，對(duì)環(huán)境污染就越小。因此研究化學(xué)鍍鎳溶液 的穩(wěn)定性不僅在經(jīng)濟(jì)上可以節(jié)約生產(chǎn)成本，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)還有積極的貢獻(xiàn)， 因此研究化學(xué)鍍鎳溶液是具有深遠(yuǎn)的意義。 15 2 實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品實(shí)驗(yàn)藥品 實(shí)驗(yàn)所需藥品如下表 2.1 所示。 表 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品 藥品名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家 硫酸鎳分析純重慶化學(xué)試劑廠 次亞磷酸鈉分析純上海試劑二廠 檸檬酸鈉分析純天津市百世化工有限公司 碘化鉀分析純西安化學(xué)試劑廠 乙酸鈉分析純安徽省蕭縣隆達(dá)精細(xì)化工廠 鹽酸分析純開封市化學(xué)試劑廠 氨水分

56、析純西安市化學(xué)試劑廠 濃硝酸分析純西安富麗化學(xué)廠 氯化鈉分析純天津市紅巖試劑廠 鐵氰化鉀分析純沈陽瑞豐精細(xì)化學(xué)品有限公司 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)所用儀器如下表 2.2 所示。 表 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器 儀器名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家 電子恒溫水浴鍋 托盤藥物天平 燒杯 玻璃棒 DZKW-4 HC-TP11-1 500ml、250ml 300mm 上?？萍紝?shí)驗(yàn)儀器廠 上?？茖W(xué)儀器有限公司 陜西和平化玻有限公司 東莞市東旺化玻儀器有限公司 2.3 工藝流程工藝流程 實(shí)驗(yàn)工程中，雖然實(shí)驗(yàn)的方法簡(jiǎn)單，但是實(shí)驗(yàn)工程的工藝流程要嚴(yán)格按步 驟進(jìn)行，以確保實(shí)驗(yàn)工程的順利進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn)的工藝流程如下： 精砂紙打磨水洗次

57、浸鋅水洗退鋅水洗二次浸鋅水洗退 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 鋅水洗堿性化學(xué)鍍水洗酸性化學(xué)鍍水洗吹干性能檢測(cè) 2.4 實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)操作 2.4.1 化學(xué)鍍鎳液的配制化學(xué)鍍鎳液的配制 a. 按配制鍍液的體積分別稱量出計(jì)算量的各種藥品。 b. 加少許去離子水或蒸餾水使固體藥品完全溶解、粘稠液體藥品稀釋成稀 溶液，注意總操作用水量控制在配置溶液體積的 3/4 左右，不能超過規(guī) 定體積。 c. 將完全溶解的絡(luò)合劑、緩沖劑及其他添加劑在攪拌條件下與主鹽溶液混 合。 d. 加入穩(wěn)定劑，也可在最后加入。 e. 將另配制的還原劑溶液在攪拌條件下與主鹽、絡(luò)合劑等溶液混合 f. 用 l:1

58、氨水或稀堿液調(diào)整 pH 值，稀釋至規(guī)定體積。 g. 必要時(shí)過濾。 2.4.2 施鍍過程施鍍過程 （1）以鋁合金為基體確定鍍液的最佳配比 本試驗(yàn)部分用鎳鹽（硫酸鎳） ，還原劑（次亞磷酸鈉） ，絡(luò)合劑（檸檬酸）， 穩(wěn)定劑（碘化鉀），緩沖劑（乙酸鈉和濃氨水）組成鍍液，并通過正交實(shí)驗(yàn)確 定 Ni-P 化學(xué)鍍液的最佳配比以及施鍍工藝條件（如施度溫度、pH 值）。A 硫 酸鎳，B 次亞磷酸鈉，C 檸檬酸鈉，D 碘化鉀，鍍液中乙酸鈉為 20g/L,pH=4.5- 5.5，沉積溫度 =851，沉積時(shí)間 t=1 h。各因素和水平設(shè)計(jì)見表 2.3，評(píng)價(jià) 指標(biāo)是鍍層的沉積速度。 表 2.3 三種材料的最優(yōu)配方 A

59、g/L B g/L C g/L D g/L 乙酸鈉 g/L Ph 溫度 11515101020575 22525152020575 33535203020575 第一：在這種配方的基礎(chǔ)上加以研究，嘗試改變某一試劑的用量，觀察這 種材料的施鍍情況。 第二：探究出對(duì)于這種材料的最佳配方并且加以驗(yàn)證。最后得出最好的施 17 鍍條件，所以要分別討論各個(gè)化學(xué)試劑的施鍍情況，并且加以改進(jìn)。 表2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 試號(hào) A B C D 外觀 耐蝕性/ 孔隙率 綜合結(jié)果 1 15 15 10 10 60 60 50 57 2 15 25 15 20 70 80 60 70 3 15 35 20 30

60、65 55 90 70 4 25 15 15 30 60 55 45 53 5 25 25 20 10 60 60 80 67 6 25 35 10 20 80 55 60 65 7 35 15 20 20 90 60 45 65 8 35 25 10 30 70 50 60 60 9 35 35 15 10 90 55 55 67 197 175 172 191 185 197 190 200 192 204 198 183 /3 65.7 58.7 57.3 63.7 /3 61.2 65.7 63.3 66.7 /3 84 68 66 61 極差 22.8 9.3 8.7 5.7 較優(yōu)水