3.14 金屬材料上的化學鍍鎳及其應用

3.14.1 化學鍍鎳在鋼鐵件上的應用有哪些？

鋼鐵材料是化學鍍鎳最常用的基體材料，通過化學鍍鎳層可以提高其硬度、耐蝕性、耐磨性等性能，可以避免用難于加工的不銹鋼來提高鋼鐵的表面性質。在許多情況下，如鍍內部鍍層和鍍復雜形狀的鋼鐵件，用化學鍍鎳代替鍍硬鉻具有許多優點。化學鍍鎳的鋼鐵件常應用于汽車工業、化學工業、機床結構等多個行業，如表3-63所示。化學鍍鎳在鋼鐵件上的應用如圖3-91所示。

3.14.2 鋁及鋁合金上如何進行化學鍍鎳？

在鋁合金件上進行化學鍍鎳不僅能使其耐蝕性、耐磨性、焊接性等性能得到提高，而且鍍層與鋁基體間結合好，鍍層外觀漂亮，加之化學鍍鎳層耐蝕性優于電鍍鎳層，在還原性腐蝕介質中優于不銹鋼，本身的孔隙率也很低。因此，在航天航空、國防、電子和民用工業上獲得了廣泛的應用。

圖3-92所示為化學鍍鎳在鋁件上的應用實例。

表3-63 化學鍍鎳在鋼鐵件上的應用

由于鋁是一種比較活潑的金屬，在大氣中表面極易生成一層薄且致密的氧化膜，又由于它電極電位較負，在鍍液中可與多種金屬離子發生置換反應，在鋁材表面形成疏松粗糙的接觸性鍍層，嚴重影響鍍層與基體間的結合強度。另外，由于鋁屬于兩性金屬，在酸、堿溶液中都不穩定，這給化學鍍鎳造成很大的困難。而且，由于鋁基體與鍍鎳層的膨脹系數不一樣，當環境溫度發生變化時，極易產生內應力而破壞鍍層，導致鍍鎳層脫落。

因此，要在鋁基材料上獲得結合力良好的化學鍍鎳磷合金鍍層，必須解決上述問題，結合力的好壞直接取決于前處理工藝的優劣。要在鋁合金基體表面得到結合力強、性能優良的化學鍍鎳層，正確的前處理是獲得成功的關鍵。常用的方法有：①傳統的二次浸鋅工藝的發展；②鋁上直接化學鍍鎳工藝的開發；③采用置換鍍鎳的方式替換傳統的浸鋅工藝。

3.14.3 影響鋁上化學鍍鎳的因素有哪些？

通過從脫脂、酸洗、浸鋅、結合力、內應力以及操作中的注意事項等幾個方面研究影響鋁上化學鍍鎳的因素，認為正確的操作是十分重要的，即便是最好的配方在很惡劣的操作條件下也得不到質量好的鍍層。特別強調清洗的重要性，還要防止酸性溶液帶入浸鋅溶液中。其次強堿性的浸鋅溶液不易清洗干凈，容易黏附在工件表面上而帶入化學鍍鎳溶液中，引起化學鍍鎳溶液的pH值的變化，從而導致鍍層的內應力升高和結合力下降等故障。此外應避免過度浸鋅，否則會降低結合力，縮短化學鍍鎳液壽命。與鋼鐵件相同的是，化學鍍鎳后進行低溫熱處理（190℃，1h），也可以提高鍍層和鋁基體之間的結合力。

圖3-91 化學鍍鎳在鋼鐵件上的應用實例

a）化學鍍鎳在零部件及套管上的應用 b）化學鍍鎳在食品機械零件上的應用 c）化學鍍鎳在球形件上的應用 d）化學鍍鎳在散熱片上的應用 e）化學鍍鎳在散熱器上的應用 f）化學鍍鎳在太陽能電池板上的應用

圖3-92 化學鍍鎳在鋁件上的應用實例

a）化學鍍鎳在光盤上的應用 b）化學鍍鎳在管路上的應用

3.14.4 鋁上化學鍍鎳產生缺陷的原因有哪些？

首先，基體的表面狀態是影響化學鍍鎳質量的重要因素。鋁合金化學成分和不同的加工工藝都會影響基體的表面狀態。其次是工件的表面處理，包括脫脂、酸洗、堿蝕、浸鋅等步驟，浸鋅溶液中的鋅離子濃度、絡合劑和溶液使用時間的長短都是影響鍍層質量的因素。再其次是化學鍍鎳溶液的pH值、添加劑、使用周期等對鍍層應力也有影響。

浸鋅所獲得的極薄鋅層在化學鍍鎳時幾乎完全溶解，因此，在浸鋅后先進行短時間化學鍍鎳（閃鍍化學鎳）將其作為預鍍層，以延長主鍍槽溶液的使用壽命。

3.14.5 鋁上化學鍍鎳處理方式與鎳的初期沉積層結構有什么關系？

采用二次浸鋅方式對鋁進行預處理時，第一次浸鋅后在鋁表面置換出來的鋅結晶的晶粒尺寸為1μm左右，而且其中還含有約1%（質量分數）的鐵元素，剝離這些鋅晶體后發現在其下面有著眾多的島狀，金字塔狀，或者是形狀更繁雜的微小突起，這些突起狀的物質不是鋅或鐵的溶解殘余物，而是在第一次浸鋅過程中，置換析出鋅晶粒的同時，鋁溶解所造成的凹陷的邊緣。在第二次浸鋅后，鋅不是在基體的平滑處析出，而是優先在剝離第一次浸鋅晶粒后的島狀突起部分析出。和第一次浸鋅的情況相同，第二次浸鋅過程中置換的晶粒中也含有約1%（質量分數）的鐵元素，還發現隨著浸鋅液中堿濃度的增加，置換鋅的量下降，而且其晶粒的尺寸也變小。鋅晶粒生長模型示意圖及鋁基體上化學鍍鎳各階段表面模型示意圖如圖3-93、圖3-94所示。

圖3-93 鋅結晶生長模型示意圖

3.14.6 鋁上直接化學鍍Ni-P-B的工藝條件是什么？

不經浸鋅在鋁上直接化學鍍Ni-P-B鍍層的工藝條件如表3-64所示。

表3-64 在鋁上直接化學鍍Ni-P-B鍍層的工藝條件

3.14.7 置換鍍鎳預處理工藝的內容是什么？

在大規模集成電路（LSI）的生產過程中，經常要在鋁基體上化學鍍鎳。由于有機光刻膠不耐強堿，因此不能采用浸鋅工藝。以次磷酸鈉作還原劑的化學鍍鎳液不能直接在鋁上施鍍以獲得鎳磷鍍層，因為鋁對次磷酸鈉的氧化沒有催化活性。鍍液組成和操作條件如表3-65所示。置換反應的最佳pH值為9，若pH＜7則置換反應不能進行，過高則結晶粗大。最佳溫度為60℃，過低則不能置換。

表3-65 在鋁上化學鍍鎳工藝

圖3-94 鋁基體上化學鍍鎳各階段表面模型示意圖

a）鋁基體 b）堿脫脂 c）酸洗 d）活化 e）第一次浸鋅 f）鋅的剝離 g）第二次浸鋅 h）化學鍍鎳

置換鍍鎳預處理工藝流程如圖3-95所示。鋁和鎳的置換速度與置換鍍液的組成及操作條件有關。置換層與鋁基體之間的結合力與置換溶液中所采用絡合劑的種類之間的關系如圖3-96所示。

圖3-95 置換鍍鎳預處理工藝流程

3.14.8 鎂合金的特點是什么？

鎂合金在航空、汽車、電子行業等的應用越來越廣泛。這是因為鎂合金具有密度小和剛性好的特性。例如，AZ91鎂合金的相對密度是鋁的2/3，接近一些工程塑料的密度，但它比工程塑料剛性好，具有不吸附液體和油脂等優點。但是鎂是一種很活潑的金屬，在酸性介質中，特別是在含有氯離子的體系中會受到強烈的腐蝕。因此，應對鎂合金進行各種表面保護。通常采用的方法有鉻酸鈍化、鉻酸鈍化后再噴涂涂料、陽極氧化、電鍍或化學鍍。其中，對鎂合金進行化學鍍鎳處理，由于不僅可以獲得較高的耐蝕性和耐磨性，而且能夠在形狀復雜的鑄件上得到厚度均勻的鍍層，因而受到重視。

圖3-96 不同絡合劑對Al基上Ni層的結合強度的影響

3.14.9 鎂合金鍍鎳工藝的內容是什么？

由于鎂合金表面易被氧化形成保護性較差的氧化膜，這層膜的存在導致鍍層很難沉積，因此，必須對其進行適當的預處理。鎂上化學鍍鎳的關鍵技術是鍍前預處理。

傳統的工藝是脫脂活化后浸鋅，再鍍銅，最后化學鍍鎳。經改進后比較簡單的工藝是：先堿性脫脂，再進行鉻酸浸漬和氫氟酸處理，最后進行化學鍍鎳。時間足夠長的鉻酸處理和氫氟酸處理都很重要，這是因為當非常厚的鉻的氧化物和氟化物膜存在于鎂的表面時，可以防止鎂在化學鍍鎳溶液中溶解以及形成鎳的置換層。

衛星上的波形管（TWT）由ZM21鎂合金制造。傳統的表面處理方法是陽極氧化，現在采用耐蝕性好、焊接性好的化學鍍鎳工藝，如表3-66所示。經過對鍍層的力學性能、在環境中的穩定性（濕熱試驗、腐蝕試驗、熱穩定性試驗、熱循環試驗、熱真空試驗）以及焊接性的檢測，表明此工藝能提供優良的鍍層，能滿足要求。

表3-66 鎂合金鍍前預處理的工藝

（續）

3.14.10 鈦合金上化學鍍鎳的工藝特點是什么？

作為輕金屬王的鈦及其合金具有較小的密度和較高的強度，能承受高溫，同時具有優異的耐蝕性能，因而在航天工業上的應用日益增加。但是它在高溫下容易氧化，因此要用適當的表面處理方法來克服這些弱點。由于鈦很活潑，極易在表面形成氧化膜，因而它是難以進行表面處理的金屬之一。鈦上化學鍍鎳的難點也在于它的預處理工藝。鈦合金上化學鍍鎳及鎳上鍍金的工藝如表3-67所示。

表3-67 鈦合金上化學鍍鎳及鎳上鍍金的工藝

（續）

由該工藝得到了結合力很好的鍍層，可以經受-190～150℃的熱循環試驗，完全適應于航天工業。

3.14.11 銅及銅合金上化學鍍鎳需要注意哪些方面？

銅及銅合金上化學鍍鎳需要注意三個方面。

1）銅及銅合金不具有自催化性能，即它本身不能誘發次磷酸鈉的氧化釋放電子去還原鎳離子。因此，黃銅件在實施化學鍍鎳之前必須進行特殊的預處理來誘導鎳的沉積。可以采用的方法有鐵引發法、閃鍍鎳法以及化學活化法。化學活化法包括強還原劑預處理和氯化鈀活化。

2）銅及銅合金在含氨溶液及許多有機絡合劑溶液中能迅速發生腐蝕，特別是黃銅容易在酸性溶液中發生選擇性脫鋅腐蝕。

3）銅及銅合金件的預處理與鋼鐵件有很大的不同，要特別注意。銅屬于非催化性金屬，因此，銅及銅合金件與鋼鐵件預處理的主要不同之處在于活化工序，也就是得到催化活性的步驟。銅及銅合金件化學鍍前的活化方法主要有：①用已經活化的具有催化活性的金屬，如鐵絲，接觸進入鍍液中的工件；②工件帶電入鍍液，陽極為鎳液，工件為陰極，槽壓為1～2V，時間為30～60s；③工件預浸氯化鈀溶液（Pd：0.01～0.1g/L），催化活化。

3.14.12 銅及銅合金上獲得均勻良好的鍍鎳層的工藝流程有哪些？

由于銅及銅合金的自身特點，要保證其表面獲得均勻的結合力良好的鍍鎳層，無論是對各預處理溶液還是化學鍍鎳溶液的組成都有著一些特殊的要求。

1）采用強還原劑處理（如二甲氨基硼烷）的化學鍍鎳工藝流程如圖3-97所示。

圖3-97 采用強還原劑處理的化學鍍鎳工藝流程

2）采用電鍍鎳誘導的化學鍍鎳工藝流程如圖3-98所示。

圖3-98 采用電鍍鎳誘導的化學鍍鎳工藝流程

3.14.13 鉬上化學鍍鎳的工藝特點是什么？

鉬在晶體管封裝中有著廣泛的應用，主要是因為鉬的熱膨脹系數和硅與Al₂O₃的熱膨脹系數大小匹配，在晶體管封裝的熱脹冷縮的過程中與硅的收縮一致。然而鉬片本身的釬焊性很差，而鎳層具有良好的釬焊性，因此需要在鉬片上用化學鍍鍍上一層鎳層。電鍍鎳層易起泡，且電鍍的效率低，因而一般情況下不采用。

鉬片上的化學鍍鎳工藝重點也在于其預處理工藝。鉬片在機械加工后，由于表面有油污存在，因而必須先進行脫脂處理，然后溫水清洗，干燥后在1000℃氫氣中退火10min以除去鉬片的表面張力；在退火處理之后，將鉬片移至煮沸的NaOH稀溶液中進一步脫脂；然后用鹽酸或硫酸溶液對鉬片進行腐蝕處理，之后用鉻酸溶液去掉黑色膜。但對于鉬片表面有較厚氧化層者，則應采用噴砂處理。在化學鍍鎳之前的最后一道工序就是活化處理：室溫下將其浸入含HNO₃10%（質量分數）、H₂SO₄12%（質量分數）的水溶液中3～5min即可，緊接著就可以施鍍了。由于鉬本身不具有自催化能力，因而必須采用誘發處理，才能使鎳產生沉積。一般采用在化學鍍鎳液中將鍍件作為陰極進行3～5min的通電處理，也可以采用氯化鈀活化法處理或賤金屬引發處理。

鍍鎳后的鉬片，在800～820℃氫氣中退火10min，如果鍍層不起皮不起泡，且保證銀銅釬料在800℃下有良好的流動性和浸潤性，又能滿足晶體層封裝中的釬焊性，即為合格鍍層。