化学镀镍镀层性能

化学镀镍：镀层性能

发布日期：2013-04-10 浏览次数：14

核心提示：化学镀层，特别是化学镀镍层有着广泛的工业应用，这主要是由于它具有独特的耐蚀性和耐磨性，镀层的结构和化学组成直接决定它们的这些性能及其他重要特性。

1结构

化学镀层，特别是化学镀镍层有着广泛的工业应用，这主要是由于它具有独特的耐蚀性和耐磨性，镀层的结构和化学组成直接决定它们的这些性能及其他重要特性。这些性能同样取决于槽液组成和沉积参数(如，温度和搅拌)，化学镀的另一个重要优点是它能够在任意形状的物体上沉积均匀的镀层。

化学镀镍层依据所使用的还原剂分为两类：一类是Ni—P合金；另一类是N —B合金。

镀态化学镀层是一种亚稳态过饱和合金[13]，在酸性镀槽中用次磷酸盐作还原剂沉积的化学镀层结构为非晶态或液体状[13]，在330℃左右热处理发现(文献[3，13]，见“基本原理”第16章)产生半结晶，面心立方(fcc)镍分布在金属互化物(如，Ni3P和Ni3B)中。沉积过程中不会形成金属互化物，因此镀态化学镀镍层中，P原子不规则地夹杂在Ni原子之间，正如上面所讨论(如图18—3所示)，Ni-P镀层中的P含量取决于镀槽的pH值。通常，槽液pH值越高，镀层的含P量越低，镍的结晶态越高，也就是说，P含量越低，组成膜层的单元镍晶粒的平均尺寸越大。因此，可以认为，P在晶体形成中起抑制剂的作用。可以通过下面简单形式进行解释：当P原子夹杂到Ni原子之间时，P原子的存在，减少了Ni原子之间接触形成延展镍晶体的可能性。沉积过程中伴随H2的逸出，接近生长膜处的pH值将升高，而随后的搅拌使pH值回到原来的较低值，这种周期变化使得P含量随膜层厚度变化，20世纪50年代[14]某些研究人员已经观察到了这一现象。另外，P含量还决定材料密度，图18—4表明，在P含量为0时，镀层的密度接近其金属块的密度[15]。

图18—4合金组成对Ni—P和Ni—B镀层的影响

2硬度

硬度是指材料对外力引起局部永久变形或压痕的抵抗强度，硬度是一个容易测量的质量指标，并且经常进行测量。硬度不能与材料强度直接联系，但是它能准确地反映材料耐磨程度，利用100gKnoop或Vickers压头测定出镀态Ni—P层的硬度接近550kg／mm2。随着镀层中P含量的增加，镀层的硬度逐渐降低。镀态条件下的Ni—B层具有较高的硬度(约700kg／mm2)，与Ni—P层不同的是，Ni—B层的硬度与镀层组成无关。通常，镀层的硬度受热处理的影响，但是，硬度值与热处理温度和持续时间的关系相当复杂，这里不作详细讨论。镀态Ni—P层在300℃下热处理约l00min后，其硬度值从550kg／mm2升至约1000kg／mm2，如果热处理时间再延长，其硬度值将降至较低值；同样，如果在更高温度下即使保持较短的时间，其硬度值也会降低。换句话说，随着热处理温度的升高或时间的延长，镀层的硬度达到一个峰值后下降，这可能是由于形成了金属互化物。

3耐蚀性和耐磨性

化学镀镍层(如，Ni—P、Ni—B)通常比电镀镍合金的孔隙率低、厚度更均匀，能够起到有效的防护作用。当化学镀层作为防护层时，基体预处理和实际镀覆过程中要确保镀层良好的结合力和连续性。

利用中性5％盐雾和室外暴露试验测定防护层的耐蚀性，结果发现，含9％P(质量分数)的化学镀Ni—P层的耐蚀时间比电镀镍合金长。

测定了含有空穴或孔的化学镀镍层与基体的电位差，电位差与腐蚀剂的性质有关。例如，在电解槽中，化学镀镍层在大多数环境下相对铝或钢铁为阴极，如果镀层存在孔隙，就会裸露出一定面积的基体(它作为阳极)，会产生较大的电流

密度，即腐蚀速度。倘若化学镀层没有全部覆盖基体，铝或钢铁基体的腐蚀电位差将会维持在300mV，此时化学镀镍层为阳极，也就是说，它会牺牲性腐蚀，阳极面积越大，电流密度即腐蚀速度相对较低。化学镀镍中加入适当的锌，可以对钢铁起到更有效的防护作用。

为了概要说明用于保护金属表面防腐蚀和耐磨化学镀镍的工程应用，提出了影响化学镀镍层耐蚀性的因素：

(1)表面性能和精饰；

(2)表面预处理；

(3)镀层厚度；

(4)镀层性能；

(5)镀后处理；

(6)腐蚀介质的性质。

化学镀镍层经约350℃的热处理后呈现超强的硬度，但其耐蚀性较低，这可能是由于产生微裂纹所致；而镀层热处理温度达到650℃时，与钢铁基体的结合得到改善，提高了其耐蚀性。许多参数都影响化学镀镍层的性能，因此，要预测镀层的实际耐蚀性很困难。

如上所述，化学镀镍层不仅可用作防腐蚀保护，而且可用作耐磨损保护。如果使用正确，化学镀镍层可以提高泵、阀、轴、连续螺栓、叶轮的有效使用寿命。

磨损是接触表的逐步机械损耗。通常，磨损分两类：黏着磨损和磨料磨损。第一种磨损是两个表面发生焊接；第二种磨损是横向移动剪切所致。

通常，磨损与接触表面的硬度有关。使用润滑剂可减少两个接触面的直接接触也可以降低摩擦所引起的磨损，当化学镀镍层中掺杂硬粒子，如金刚石[16]后，它们形成与另一表面的主接触面，从而减少了黏着磨损。但是，如果这些硬粒子从复合材料中脱出，将会由于表面的相互运动产生磨料磨损。

磨损是一个复杂过程，受许多因素的影响，磨损的预测和控制很困难。影响磨损的因素包括：精饰和表面硬度，接触面积及其形状，运动类型及持续时间和速度，温度和环境，润滑剂类型。实验室试验仅能提供一个思路，实际使用的工作条件才能真正体现表面的磨损状况。通常，化学镀镍的耐磨应用主要条件为：

(1)镀层需要加热来提高硬度；

(2)旋转零件上镀层的硬度要大于啮合表面；

(3)含P量必须大于10％；

(4)接触表面要光滑和润滑；

(5)不适合于高剪切和高负荷情况使用。

4电学和磁学性能

如前所述，从酸性镀槽获得的镀态化学镀镍层为非晶态结构，可以通过将镀层热处理后的电阻变化来直观地观察其结构变化，图18—5反映了这种变化。从图18—5中可以看出，酸性镀槽(pH=5．4)获得的不同厚度镀层的电阻率随热处理时间而变化。镀层由非晶态的镍磷固溶体变为多晶镍与金属互化物(Ni3 P)的混合物，镀层电阻率下降。导热性与电导性有直接关系，所以图18—5也能代表导热参数特性。热处理改变了非晶态镀层的结构，由于镍的晶化，镀层由非磁性变为弱铁磁性。热处理后，低P含量的微晶膜的矫顽磁性增加，可能是由于

图18—5上面曲线：Ni-P镀层的电阻率(μΩ·cm)与热处理时间的关系，每条曲线都标明了镀层厚度。底部曲线(虚线)：热处理温度与时间的关系顺磁性的金属互化物阻碍了磁畴壁的移动。表l8—10列出了不同含P量的化学镀镍层的某些物理性能。