低温化学镀镍磷合金工艺

黄琳*，徐想娥，汪万强

（湖北文理学院化工系，湖北 襄阳 441053）

化学镀镍是镍盐溶液在强还原剂次磷酸钠作用下 使镍离子还原成金属镍，同时次磷酸盐分解析出磷，从而在具有催化表面的镀件上获得Ni-P 合金镀层。因其镀层表面硬度高，耐磨性能好，硬化层厚度均匀，处理部件不受形状限制，具有优良的抗腐蚀性能，镀层与机体结合力高且不易剥落，表面光亮等特点，广泛应用于机械、电子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工业部门，是很有发展前途的镀覆技术之一。

化学镀镍过程发生的是氧化还原反应，这些反应都发生在催化活性表面，需要外界提供能量，即化学镀镍工艺普遍在较高的温度(60～95 °C)下进行，虽然沉积速率快、耐蚀性好，但高温对镀槽及加热设备要求较高，能量消耗大，镀液的稳定性能差，操作维护不方便，镀层内应力大。因此，降低化学镀镍磷温度的研究越来越受重视[1-2]。基于前期的探索实验，本文通过改变配位剂、添加剂及降低操作温度等工艺手段来提高沉积速率及镀层质量，实现了低温化学镀镍磷合金。

1 实验

1.1 材料

采用50 mm × 25 mm × 2 mm 的A3 钢片为基体。所用试剂除NiSO4·6H2O、NaH2PO2·H2O 为市售工业级试剂，其余均为化学纯。

1.2 工艺流程

砂纸逐级打磨钢片至光亮─无水乙醇除油─碱性化学除油─水洗─10%(体积分数)盐酸除去氧化膜─水洗─干燥─称重─挂片施镀─冲洗─干燥─称重─性能测试。

其中，碱性除油组成为：Na2CO335～45 g/L，Na3PO4·12H2O 15～30 g/L，NaOH 7.5～15.0 g/L，Na2SiO3·9H2O 7.5 g/L。

1.3 镀液组成与工艺

镀液基础组成与工艺由前期试验得到，具体为：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，pH 8.5～9.5，温度30～50 °C，时间2 h。

1.4 镀层性能测试

1.4.1 沉积速率

采用增重法计算镀层的沉积速率，计算公式为：

式中：v为镀速(μm/h)，Δm为基体施镀前后的质量差(g)，ρ为镀层的密度(取7.8 g/cm3)，A为试片的表面积(cm2)，t为施镀时间(h)。试片的质量用TG328 型电光分析天平(山东中煤)称量。

1.4.2 结合强度

按照GB/T 5933-1986《轻工产品金属镀层的结合强度测试方法》，采用热震法定性检测镀层的结合强度。将施镀后的合金试样在200 °C 下烘烤2 h，取出迅速冷却，观察Ni-P 镀层是否有局部剥离、起泡、起皮等不良现象。

1.4.3 耐蚀性

将施镀后的试样先后用丙酮擦洗、水冲洗。干燥后，在室温下沿长度方向将其一半浸入浓硝酸中，一半曝露于空气中。1 h 后取出，观察表面状况，记录试样表面出现第一个变色点的时间[3]。

1.4.4 孔隙率

根据GB/T 5935-1986《轻工产品金属镀层的孔隙率测试方法》，用贴滤纸法检测。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件的优化

本实验采用柠檬酸钠、植酸作为复合配位剂，氟化钠为添加剂。为提高沉积速率及改善镀层性能，采用正交试验和单因素试验对化学镀工艺进行优化。

2.1.1 配位剂、添加剂等对镀速的影响

以镀速为性能指标，按L9(34)正交表对配位剂、添加剂和温度等进行正交试验，试验结果和极差分析见表1。从表1极差分析可知，各因素对镀速的影响顺序为：ρ(柠檬酸钠)＞ρ(植酸)＞ 温度 ＞ρ(NaF)。按均值分析可知，最优工艺组合为A2B3C3D2，即：柠檬酸钠10 g/L，植酸18 g/L，温度50 °C，NaF 6 g/L。按此最佳组合进行化学镀，测得其镀速为15.62 μm/h。

2.1.2 pH 对沉积速率的影响

采用上述确定的镀液配方，控制温度为50 °C，用氨水调节镀液pH，考察pH 对沉积速率的影响，结果见图1。在图1的pH 范围内，观察钢片上镀得的光亮Ni-P 层，镀层平整、均匀。从图1可知，当pH=9.0时镀层镀速最大，为15.82 μm/h。

表1 正交试验结果分析Table 1 Analysis of orthogonal test results

图1 pH 对镀速的影响Figure 1 Effect of pH on deposition rate

2.1.3 巯基乙酸

在上述优化的工艺基础上，添加少量的巯基乙酸，与NaF 形成复合添加剂，可加快镀液的沉积速率。巯基乙酸含量对镀速的具体影响见图2。

图2 巯基乙酸的质量浓度对镀速的影响Figure 2 Effect of mass concentration of thioglycolic acid on deposition rate

由图2知，随化学镀液中巯基乙酸的质量浓度增大，镀速迅速增大。巯基乙酸的质量浓度大于0.6 g/L时，镀速增大的趋势变缓。因此，巯基乙酸的较佳添加量为0.6 g/L。

综上可知，低温化学镀镍磷合金最佳工艺为：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，柠檬酸钠10 g/L，植酸18 g/L，NaF 6 g/L，巯基乙酸0.6 g/L，温度50 °C，pH 9.0，时间2 h，适量的氨水作为缓冲液。

3 镀层性能

采用最佳工艺对A3 钢进行化学镀Ni-P 合金，其性能表征结果如下。

3.1 外观

观察所得Ni-P 合金镀层可知，镀层光亮度较好，表面均匀，没有针孔、麻点或斑点、起皮、脱落、分层等缺陷。

3.2 结合强度

对镀层进行热震试验后，用放大镜观察镀层，发现镀层无鼓泡、起皮或脱落等现象，说明镀层结合力合格。

3.3 耐蚀性

将试样用浓硝酸浸泡1 h 后，镀层表面不变色，仍有光泽，表明该镀层具有良好的耐蚀性。3.4 孔隙率

镀层的孔隙率反映了镀层表面的致密程度，孔隙率直接影响防护镀层的防护能力，孔隙率低说明镀层较厚，致密性好。根据GB/T 5935-1986，测得化学镀镍磷合金试片的孔隙率约为2 个/cm2，说明镀层致密性良好[3]。

4 结论

低温化学镀 Ni-P 合金的最优工艺条件为：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，柠檬酸钠10 g/L，植酸18 g/L，NaF 6 g/L，巯基乙酸0.6 g/L，温度50 °C，pH 9.0，时间2 h，缓冲剂氨水适量。在此条件下得到的镀层外观良好，孔隙率低，结合力强，耐蚀性好。

[1]黄岳山,蒙继龙,李异.低温化学镀镍工艺的研究[J].电镀与环保,1998,18 (2):18-20.

[2]朱焱,孔小雁,黄锦涛.Q235 钢上中温化学镀镍磷合金工艺[J].电镀与涂饰,2011,30 (5):21-24.

[3]姜晓霞,沈伟.化学镀理论及实践[M].北京:国防工业出版社,2000:216-217.