鍍鎳溶液

鍍鎳溶液一般以硫酸鎳、乙酸鎳等為主鹽，次亞磷酸鹽、硼氫化鈉、硼烷、肼等為還原劑，再添加各種助劑。

基本介紹

• 中文名：鍍鎳溶液
• 主鹽：硫酸鎳、乙酸鎳等
• 還原劑：次亞磷酸鹽、硼氫化鈉
• 溫度：90℃

鍍鎳溶液簡介

鍍鎳溶液一般以硫酸鎳、乙酸鎳等為主鹽，次亞磷酸鹽、硼氫化鈉、硼烷、肼等為還原劑，再添加各種助劑。在90℃的酸性溶液或接近常溫的中性溶液、鹼性溶液中進行作業。以使用還原劑的不同分為化學鍍鎳-磷、化學鍍鎳-硼兩大類。鍍層在均勻性、耐蝕性、硬度、可焊性、磁性、裝飾性上都顯示出優越性。

鍍鎳溶液發展簡史

鍍鎳溶液的歷史與電鍍相比，比較短暫，在國外其真正套用到工業僅僅是70年代末80年代初的事。 1844年，A.Wurtz發現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。化學鍍鎳技術的真正發現並使它套用是在1944年，美國國家標準局的A.Brenner和G.Riddell的發現，弄清楚了形成塗層的催化特性，發現了沉積非粉末狀鎳的方法，使化學鍍鎳技術工業套用有了可能性。但那時的化學鍍鎳溶液極不穩定，因此嚴格意義上講沒有實際價值。 化學鍍鎳工藝的套用比實驗室研究成果晚了近十年。第二次世界大戰以後，美國通用運輸公司對這種工藝發生了興趣，他們想在運輸燒鹼筒的內表面鍍鎳，而普通的電鍍方法無法實現，五年後他們研究了發展了化學鍍鎳磷合金的技術、公布了許多專利。1955年造成了他們的第一條試驗生產線，並製成了商業性有用的化學鍍鎳溶液，這種化學鍍鎳溶液的商業名稱為“Kanigen”。 在國外，特別是美國、日本、德國化學鍍鎳已經成為十分成熟的技術，在各個工業部門得到了廣泛的套用。

我國的化學鍍鎳工業化生產起步較晚，隨著發展十分迅速，不僅有大量的論文發表，還舉行了全國性的化學鍍會議，據第五屆化學鍍年會發表文章的統計就已經有300多家廠家，但這一數字在當時應是極為保守的。據推測國內每年的化學鍍鎳市場總規模應在300億元左右，並且以每年10%～15%的速度發展。

鍍鎳溶液機理和特點

鍍鎳溶液的機理

鍍鎳溶液是用還原劑把溶液中的鎳離子還原沉積在具有催化活性的表面上。化學鍍鎳可以選用多種還原劑，工業上套用最普遍的是以次磷酸鈉為還原劑的化學鍍鎳工藝，其反應機理，普遍被接受的是“原子氫理論”和“氫化物理論”。

1)原子氫理論

原子氫理論認為，溶液中的Ni₂+靠還原劑次磷酸鈉(NaH₂P0₂)放出的原子態活性氫還原為金屬鎳，而不是H₂PO₂^-與Ni₂⁺直接作用。

首先是在加熱條件下，次磷酸鈉在催化表面上水解釋放出原子氫，或由H₂PO₂^-催化脫氫產生原子氫，即

然後，吸附在活性金屬表面上的H原子還原Ni₂⁺為金屬Ni沉積於鍍件表面．同時次磷酸根被原子氫還原出磷，或發生自身氧化還原反應沉積出磷，H₂的析出既可以是由H₂POf水解產生，也可以是由原子態的氫結合而成。

2)氫化物理論

氫化物理論認為，次磷酸鈉分解不是放出原子態氫，而是放出還原能力更強的氫化物離子(氫的負離子H一)，鎳離子被氫的負離子所還原。

在酸性鍍液中，H₂PO₂^-在催化表面上與水反應，

在鹼性鍍液中，則為鎳離子被氫負離子所還原，即氫負離子H-同時可與H₂0或H+反應放出氫氣：同時有磷還原析出。

鍍鎳溶液的特點

迄今為止，化學鍍鎳的發展已有50多年的歷史。經過半個多世紀的研究開發，化學鍍鎳已進入發展成熟期，其現狀可概括為：技術成熟、性能穩定、功能多樣、用途廣泛。

用化學鍍鎳沉積的鍍層，有一些不同於電沉積層的特性。

①以次磷酸鈉為還原劑時，由於有磷析出，發生磷與鎳的共沉積，所以化學鍍鎳層是磷呈彌散態的鎳磷合金鍍層，鍍層中磷的質量分數為1%~15%，控制磷含量得到的鎳磷鍍層緻密、無孔，耐蝕性遠優於電鍍鎳。以硼氫化物或氨基硼烷為還原劑時，化學鍍鎳層是鎳硼合金鍍層，硼的含量為1%~7%。只有以肼作還原劑得到的鍍層才是純鎳層，含鎳量可達到99.5%以上。

②硬度高、耐磨性良好。電鍍鎳層的硬度僅為160~180HV，而化學鍍鎳層的硬度一般為400~700HV，經適當熱處理後還可進一步提高到接近甚至超過鉻鍍層的硬度，故耐磨性良好，更難得的是化學鍍鎳層兼備了良好的耐蝕與耐磨性能。

③化學穩定性高、鍍層結合力好。在大氣中以及在其他介質中，化學鍍鎳層的化學穩定性高於電鍍鎳層的化學穩定性。與通常的鋼鐵、銅等基體的結合良好，結合力不低於電鍍鎳層和基體的結合力。

④由於化學鍍鎳層含磷(硼)量的不同及鍍後熱處理工藝的不同，鍍鎳層的物理化學特性，如硬度、抗蝕性能、耐磨性能、電磁性能等具有豐富多彩的變化，是其他鍍種少有的。所以，化學鍍鎳的工業套用及工藝設計具有多樣性和專用性的特點。

鍍鎳溶液的套用

由於化學鍍鎳層具有優秀的均勻性、硬度、耐磨和耐蝕性等綜合物理化學性能，該項技術已經得到廣泛套用，幾乎難以找到一個工業不採用化學鍍鎳技術。據報導，化學鍍鎳在各個工業中套用的比例大致如下：航空航天工業：9%，汽車工業：5%，電子計算機工業：15%，食品工業：5%，機械工業：15%，核工業：2%，石油工業：10%，塑膠工業：5%，電力輸送工業：3%，印刷工業：3%，泵製造業：5%，閥門製造業：17%，其他：6%。世界工業化國家的化學鍍鎳的套用經歷了80年代空前的發展，平均年淨增速率高達10%~15%；預計化學鍍鎳的套用將會持續發展，平均年淨值速率將降低至6%左右，而進入發展成熟期。在經濟蓬勃發展的東亞和東南地區，包括中國在內，化學鍍套用正在上升階段，預期仍將保持空前的高速發展。

航空航天工業

航空航天工業為化學鍍鎳的使用大戶之一，比較突出的套用實例是：美國俄克拉荷馬航空後勤中心，自1979年以來，以及西北航空公司自1983年以來均採用化學鍍鎳技術修復飛機發動機零件。普拉特－惠特尼公司的JT8D噴氣發動機雖已經停產，可是迄今仍有上千台這種發動機在波音727和麥道DC-9飛機上使用，原因是：一種高磷，壓應力的化學鍍鎳技術用於修復JT8D六種型號的噴氣發動機的葉輪，確保了這種發動機的重新使用。在航空發動機的渦輪機或壓縮機的葉片上，通常鎳磷合金化學鍍厚為25~75um，以防止燃氣腐蝕，其疲勞強度的降低比電鍍鉻少25%。俄克拉荷馬航空後勤中心採用超厚層化學鍍鎳修復飛機零件，鍍厚達275~750um。原採用電鍍工藝時的返工率達50%，採用化學鍍鎳後合格率達90%以上，可見取得了明顯的經濟效益。飛機上的輔助發電機（APU）經化學鍍鎳後，其壽命提高3～4倍。重達8.2噸的渦輪發動機的主軸承面經化學鍍鎳100um，以防止開機和停機所引起的振動損壞。

為減輕重量，航空工業大量使用鋁合金件，經化學鍍鎳表面強化後不僅耐蝕、耐磨，而且可焊，如衝程發動機的活塞頭經化學鍍鎳後提高了使用壽命。其他還有鈦合金件、鈹合金件均採用低應力和壓應力的化學鍍鎳表面保護等措施。

鎳+鉈+硼三元合金化學鍍（NTB）被指定為普拉特－惠特尼噴氣發動機上160多種零件的表面強化工藝,以抗擦傷和微動磨損,例如:NTB化學鍍用於噴氣發動機主軸密封。美國空軍要求發動機製造商提供具有4000次戰術周期,此時磨損量達0.178mm,如此必須拆卸重修，經NTB化學鍍後主軸密封面磨損顯著降低,經4000次戰術周期後的磨損量約為0.008mm。

宇航系統廣泛使用著金屬光鏡，其基體為強度高、重量輕的鈹或鋁，經專用化學鍍鎳表面強化，這種含磷量為12.2%~12.7%的化學鍍鎳可拋光至9?，如此高的精度在需要低慣性的宇宙空間裡，有著自身的性能。

我國的化學鍍工業雖然起步較晚，但自九十年代以來經過各科研單位的不懈努力，現已擁有成熟的工藝和經驗，在我國洛陽已建成飛機零件化學鍍鎳加工流水線。

汽車工業

解決使用乙醇、汽油混合燃料問題是汽車工業的發展趨勢之一，使用混合燃料，除性能問題之外，還產生了燃油系統的腐蝕問題。在巴西，使用乙醇作為燃料，套用化學鍍鎳技術保護鋅壓鑄件，如汽化器免遭腐蝕已成為工藝規範。在美國，當廣泛用甲醇或甲醇和汽油混合燃料時，汽車工業勢必套用化學鍍鎳作為汽化器、燃油泵送系統的表面保護手段。

差速器行星齒輪是汽車的一個重要零件，鍍上25um厚的化學鍍鎳層以提高耐磨性，有的汽車製造廠在軸上採用聚四氟乙烯複合化學鍍鎳層工藝，這種複合鍍層既有一定的硬度，又兼有好的潤滑性能，提高了軸的使用壽命。

汽車工業利用化學鍍鎳層非常均勻的優點，在形狀複雜的零件上，如齒輪、散熱器和噴油嘴上採用化學鍍工藝保護。鍍上10um左右的化學鍍鎳層的鋁質散熱器具有良好的釺焊性。齒輪上化學鍍後尺寸誤差十分容易地保持在±0.3~0.5um。而如果採用電鍍工藝，則必須鍍後還要進行機加工才能達到合格的工差範圍。用在噴油器上的化學鍍鎳層，可以提供良好的抗燃油腐蝕和磨損性能。通常，燃油腐蝕和磨損會導致噴油孔的擴大，因此噴油量增大，使汽車發動機的馬力超出設計標準，加快發動機的損壞。化學鍍鎳層可以有效地防止噴油器的腐蝕、磨損，提高發動機的可靠性和使用壽命。

化學工業

化學工業套用研究化學鍍鎳技術代替昂貴的耐蝕合金以解決腐蝕問題，以便改進化學產品的純度，保護環境，提高操作安全性和生產運輸的可靠性，從而獲得更有利的技術經濟競爭能力。

化學鍍廣泛地套用於大型反應容器的內壁保護。當初非常引人關注的套用實例是：1955年美國通用運輸公司（GATX）採用化學鍍保護槽車內壁，防止苛性鹼的腐蝕。如今，化學鍍鎳技術已經獲得長足的進步，能夠在多種化工腐蝕環境下提供可靠的保護。

套用化學鍍鎳最為量大面廣的是閥門製造業。鋼鐵製造的球閥、閘閥、旋閥、止逆閥和蝶閥等等，經高磷化學鍍鎳25~75um，可提高耐腐蝕性和使用壽命。化工用泵化學鍍鎳的效果也同樣顯著。在苛性鹼腐蝕條件下工作的閥門，應採用鍍層含磷量1%~2%的低磷化學鍍鎳。因為在苛性鹼腐蝕條件下，低磷化學鍍鎳層的年腐蝕速率約為2.5um，優於中磷或高磷化學鍍鎳層。化學鍍鎳層在強氧化性酸，如濃硝酸、濃硫酸等介質中不耐蝕。儘管在鹽酸中的腐蝕速率低於奧氏體不鏽鋼，耐蝕性仍然是不夠的。因此，對於上述強酸介質，或者可能水解生成上述強酸的介質中，不適於使用化學鍍鎳層。碳鋼緊固件鍍上25~50um厚的高磷化學鍍鎳層，代替不鏽鋼緊固件，既克服了奧氏體不鏽鋼的應力腐蝕開裂問題，又節省了大量費用。生產低密度聚乙烯的壓力容器內壁25um，以防止鐵污染和因此所造成的聚乙烯變色。如果採用不鏽鋼建造，其價格大約是化學鍍方法的兩倍。

石油天然氣

石油和天然氣是化學鍍鎳的重要市場之一，油田採油和輸油管道設備廣泛地採用化學鍍鎳技術。典型的石油和天然氣工業腐蝕環境為井下鹽水、二氧化碳、硫化氫，溫度高達170~200℃，並伴有泥沙和其他磨粒沖蝕等等，腐蝕環境相當惡劣。低碳鋼油氣管道在如此苛刻的條件下，僅有2~3個月的壽命。經過50~100um厚的高磷化學鍍鎳層保護之後，其腐蝕速率降低到與哈氏合金相當的程度。考慮到耐蝕合金價格昂貴，從性能價格比上講，碳鋼管道採用化學鍍鎳保護的技術經濟性能最好。

泵殼、葉輪和出口管道等油氣用泵零件，根據腐蝕環境不同，經化學鍍鎳鍍厚25~75um不等，防腐蝕效果優良。抽油泵化學鍍鎳是一種理想的套用實例：在西德克薩斯油田，經化學鍍鎳保護的抽油泵，壽命長達4年以上，同樣末加保護的抽油泵的壽命不超過6個月。化學鍍鎳層耐蝕耐磨，而且由於化學鍍鎳層的高度均勻性，可以使抽油泵筒製成整體件，從而顯著地提高了抽油泵品質，降低生產成本。在油田，高磷化學鍍鎳亦廣泛地套用於油水分離裝置的加熱器表面以防腐蝕，鍍厚通常為25~75um。集油和輸油裝置的閥門、管接頭、管箍等亦採用化學鍍鎳保護。

食品加工業

食品加工業為套用化學鍍鎳提供了一個巨大的潛在市場；之所以稱之為潛在的市場，是因為化學鍍鎳在食品工業的廣泛套用中存在著障礙。比如在美國，FDA（美國食品和藥物管理署）對於化學鍍鎳在食品工業中的套用尚末制訂出法規標準；通常，對於化學鍍鎳層在套用於直接與食品接觸的情況，FDA採取個案處理的方式予以批准。究其原因，主要是因為經典的化學鍍液配方中含有毒的鉛、鎘等重金屬離子作為穩定劑的緣故。然而，許多現代的化學鍍鎳溶液中已經不使用重金屬離子作穩定劑了；顯然，這個障礙遲早將會被拆除。食品包裝機械中不與食品直接接觸的零件，如：軸承、輥筒、傳送帶、液壓系統和齒輪等為化學鍍鎳在食品工業中的典型套用。

在食品加工過程中，會涉及鹽水、亞硝酸鹽、檸檬酸、醋酸、天然木材的煙薰，揮發性有機酸等腐蝕介質等問題；食品加工溫度範圍為60~200，生產環境中相對濕度很高；在這樣的條件下，食品加工設備存在著金屬腐蝕、疲勞和磨損等問題。對於接觸食品的金屬表面，傳統的保護方式是電鍍硬鉻；可是，在含氯離子酸性介質中，鍍鉻層的耐蝕年並不好；然而，化學鍍鎳在均鍍能力、高耐蝕性、防粘、脫模性等方面具有明顯的優勢。揉面機上與食品接觸的零件採用的化學鍍鎳就是套用成功的實例之一；其他在食品充氣裝罐機、螺桿送料機、拌料鍋、食品模具、烤盤、乾燥箱，麵包保溫爐等食品機械上越多地採用了化學鍍鎳。

採礦工業

採礦工業環境條件惡劣，井下機械不可避免地接觸鹽水、礦酸，以受腐蝕和磨損的考驗。因此，採礦機械需要進行表面保護。

礦井頂板支撐系統中，常用電鍍硬鉻作為液壓支柱的防腐蝕耐磨損保護層。然而，由於硬鉻表面裂紋、多孔，使用中經常因為腐蝕嚴重以致液壓支柱被咬死而無法動作。高壓液壓缸的這種問題更加嚴重。在高壓工作下，鍍層受到拉伸，使得高內應力的硬鉻層的裂紋進一步加劇。這種情況下，採用25um厚的壓應力的高磷化學鍍鎳層做保護，當液壓支柱受高壓拉伸時，化學鍍鎳層不會產生裂紋，並能夠經受住地下煤礦環境的腐蝕與磨損。

在某些露天採礦生產中，例如採選肥料用的磷礦石，要使用高壓泵和噴射泵嘴，此時，腐蝕和沖蝕問題相當嚴重，但耐蝕耐磨的化學鍍鎳層的套用便可防止機械零件過早損壞。

軍事工業

化學鍍鎳技術在軍事上得到廣泛的套用，突出的例子如航空母艦上飛機彈射機罩和軌道的化學鍍鎳保護。彈射機的工作環境非常惡劣，飛機發動時的高溫氣流沖刷軌道，彈射時的巨大的作用力，海洋氣候條件的腐蝕，使得彈射系統僅能使用6~12個月。現採用的表面處理工藝是：正確前處理後的彈射機罩，在電鍍鎳後，化學鍍鎳100um，然後再電鍍鎘12.5um，並經鉻酸鈍化。這樣的複合塗覆保護層，具有很好的耐磨和抗微振磨損性能，彈射系統的使用壽命可延長至14~18年，即增加18倍。

軍用車輛的耳軸多年來一直採用化學鍍鎳層保護，防止道路泥漿和鹽水的腐蝕和磨損。

坦克的後視鏡用鋁材製成，精磨拋光後，化學鍍鎳作為耐蝕耐磨保護層。技術要求後視鏡在可見光譜範圍內具有80%的反射率，化學鍍鎳層容易達到這些光學要求。鋁質雷達波導管鍍以25um厚的化學鍍鎳層可防止陸地和海上腐蝕。化學鍍鎳層的均勻性，能滿足各種波導管的技術要求。

電子和計算機工業

化學鍍鎳在電子和計算機工業中套用得最廣，幾乎涉及到每一種化學鍍鎳技術和工藝。許多新的化學鍍鎳工藝和材料正是根據電子和計算機工業發展的需要而研製開發出來的。在技術性能方面，除要求耐蝕耐磨之外，還具有可焊接、防擴散性、電性能和磁性能等要求。

有的國家已經建立法規：電子設備必須進行禁止以防止電磁和射頻干擾。電子設備的塑膠外殼上鍍銅，然後化學鍍鎳，這樣的雙金屬結構覆層，被公認為是最有效的禁止方式之一。 化學鍍鎳是計算機薄膜硬磁碟製造中的關鍵步驟之一。主要是在經過精細加工的5086鎂鋁表面鍍12.5um厚的鎳磷合金層,為後續的真空濺射磁記錄薄膜做預備。化學鍍鎳層含磷量為12%wt（原子百分比約20.5%）。鍍層必須是低應力且為壓應力。經250℃或300℃加熱1h，此時仍保持非磁性，即剩磁小於0.1×10^-4T。鍍層必須均勻、光滑，表面上的任何缺陷和突起不得超過0.025um。因為技術要求高所以必須使用高質量高清潔度的專用化學鍍液、全自動的施鍍控制設備和高清潔度的車間環境。計算機薄膜硬磁碟化學鍍鎳是高技術化學鍍鎳的典型代表，占有相當重要的市場份額。

化學鍍鎳技術在微電子器件製造業中套用的增長十分迅速。據報導施樂公司在超大規模積體電路多層晶片的互連和導通孔（via-hole）的充填整平化工藝中，採用了選擇性的鎳磷合金化學鍍技術；其產品均通過了抗剪下強度、抗拉強度、高低溫循環和各項電性能的試驗。實踐說明，化學鍍鎳技術的套用提高了微電子器件製造工藝的技術經濟性和產品的可靠性。

其他工業

注塑機、壓鑄模等多種型模是機械、輕工行業量大面廣的產品。由於模具幾何形狀複雜，當採用電鍍方法對模具表面進行強化時，為了使各個面都能夠鍍上，必須設計安裝複雜的輔助陽極和掛具；而且，還必須要進行鍍後機械加工，才能保證尺寸精度和表面粗糙度的要求；而且，化學鍍鎳層具有較低的摩擦係數和突出的脫模性能，使其成為最為經濟有效的模具表面處理技術之一。

鑄造用模型和芯盒通常為鑄鐵或鑄鋁件，在使用過程中遭受磨料磨損，報廢很快。採用化學鍍鎳鎳表面保護之後，鑄造模型和型芯盒的質量上等級，使用壽命顯著提高。

紡織機械轉速很高，各種纖維紗線對於機械零件的磨損十分嚴重。化學鍍鎳，特別是人造多晶金剛石複合化學鍍技術，比較成功地解決了紡織機械零件的磨損問題。

印刷機上各種輥筒和部件，採用25~50um厚的化學鍍鎳層保護可防止印刷油墨和潤白液的腐蝕。化學鍍鎳層的高度均勻性可保證印刷輥筒的尺寸精度，而無須鍍後機械加工。

某些醫療器械如：外科手術鉗、牙科鑽和醫療型模等金屬製品上已採用化學鍍鎳層取代原用的電鍍鉻。