铝合金化学镀

铝合金化学镀

一、概述

铝及铝合金是应用最广泛的金属之一，其具有导电性好、传热快、比重轻、强度高、易于成型等优点。但是，铝及铝合金也存在硬度低、不耐磨、易于发生晶间腐蚀、不易焊接等缺点，影响其应用范围和使用寿命。铝及其合金经过表面处理后可扬长避短，延长其使用寿命和扩大应用范围，赋予其防护、装饰等用途。

铝合金的表面处理技术包括阳极氧化、电镀、化学镀等方法。铝上电镀比其他金属上电镀要困难得多，容易出现气泡和脱皮，结合力不良等问题。究其原因是铝合金在空气中极易氧化。因此，在进行一般的除油、碱液腐蚀和浸蚀后，暴露出制件的活化表面，在电镀之前的瞬间又重新被氧化，形成的氧化膜严重地影响了镀层的结合力，造成镀层起泡和脱落。为了解决这一问题，目前普遍采用化学镀的方法。

铝合金表面化学镀因具有诸多的优良性能及特性而在电子工业、石油化工、机械和航天等领域的应用而不断增加，如何优化工艺、提高质量日益成为人们关注的焦点。所谓化学镀，是指不使用外电源，而是依靠金属的催化作用，通过可控制的氧化-还原反应，使镀液中的金属离子沉积到镀件上去的方法，因而化学镀也被称为自催化镀或无电镀。

铝及铝合金属于化学镀难镀基材，因此在其基体上进行化学镀有其自身的特点：①铝是一种化学性质比较活泼的金属，在大气中易生成一层薄而致密的氧化膜，即使在刚刚除去氧化膜的新鲜表面上，也会重新生成氧化膜，严重影响镀层与基体的结合力。②铝的电极电位很低（-1.56V），极易失去电子，当浸入镀液时，能与多种金属离子发生置换反应，析出的金属与铝表面形成接触镀层。这种接触性镀层疏松粗糙，与基体的结合力强度差，严重影响了镀层与基体的结合力。③铝属于两性金属，在酸、碱溶液中都不稳定，往往使化学镀过程复杂化。由此可知，要在铝及铝合金制品上得到良好的化学镀层，最关键的就是结合力问题，而结合力取决于化学镀的前处理。因此，对于铝及其合金来说，镀前处理是十分重要的。【1】

化学镀目前使用最广泛的是化学镀镍，本文以铝合金化学镀镍为例，讲述其机理、体系、工艺及其应用等内容。

二、化学镀镍原理

由化学镀镍溶液中次亚磷酸阴离子引起的镍析出反应，首先镀液中的次亚磷酸阴离子与触媒金属接触后，在触媒金属形成（PO2）—离子：

（H2PO2）—→（PO2）—+ 2[H] (1)

由（1）式反应生成的（PO2）-再次在相同的触媒上引起脱氢反应形成亚磷酸离子：

（PO2）—+ H2O →H++ (HPO3)2—(2)

该反应因为伴随有[H]和H+的生成，所以反应（1）和（2）都显示出对pH的依存性。反应（1）与（2）是同时进行的。反应（1）生成的氢原子被触媒金属表面吸附，即形成所谓的缩合层，具有很强的活性。由于该氢原子的存在使镀液中的镍离子被还原生成金属镍的同时也产生氢离子。

Ni2++ 2[H] →Ni + 2H+(3)

另外，因次亚磷酸阴离子的脱水反应生成的活性化的磷与镍一起析出生成非晶态Ni-P 合金，附着在被镀金属表面。

（H2PO2）—+ [H] →H2O + OH—+ P (4)

一部分氢原子生成气体状的氢分子

2[H] →H2↑（5）

反应（1）、（2）、（3）在高pH时被促进，而反应（4）在高pH时被抑制。反应（3）析

出的镍作为触媒，继续上述同样的反应。另外，反应（5）与反应（3）相比，大约具有2倍的反应速度，次亚磷酸离子的镍还原效率约为30%。【2】

三、化学镀镍的体系

在化学镀镍体系中，主要包括主盐、还原剂、络合剂、加速剂、稳定剂、缓冲剂等，它们在镀液中各自起着不同的作用，对沉积速度、镀液的稳定性、镀层的磷含量等有着重要的影响。【2】

（1）主盐。化学镀镍溶液中的主盐是镍盐，它的主要作用是提供沉积所需的镍离子。常用的镍盐有硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、碳酸镍、次磷酸镍等。由于氯离子和硫酸根离子等对铝合金基体有腐蚀作用，可先用氢氧化钠和硫酸镍反应，生成氢氧化镍沉淀，过滤掉硫酸根离子后用醋酸等溶解。用这种方法可减少对铝基体的腐蚀，同时也很经济实用。

（2）还原剂。还原剂的主要作用是在化学镀反应中提供还原镍离子所需要的电子，常用次磷酸钠，其用量主要取决于镍盐浓度，镍盐与次磷酸钠含量比过低时，镀层发暗，镀液稳定性下降，比值过高时沉积速度很慢。这一比值还直接影响镀层中的磷含量，比值越低，磷含量越高。

（3）络合剂。化学镀镍溶液中除了主盐与还原剂外，最重要的组成部分就是络合剂，化学镀液性能的差异、寿命长短等主要决定于络合剂的选用及其搭配关系。络合剂的作用主要有以下几点：①防止镀液析出沉淀，增加镀液稳定性并延长使用寿命；②提高沉积速度；

③提高镀液工作的pH值范围；④改善镀层质量。

（4）稳定剂。化学镀溶液是一个热力学不稳定体系，当出现局部过热、pH值过高、存在杂志等影响因素时镀液中就会出现一些活性微粒-催化核心，使溶液发生自催化反应，造成Ni-P合金直接沉积在溶液中，并且随着沉淀量的增加，溶液分解加剧，稳定剂的主要作用就是抑制镀液的自发分解，使施镀过程能够顺利进行。

（5）缓冲剂。由于化学镀过程中有氢离子产生，致使镀液的pH值随着施镀进行而有所减小，沉积速率也随之降低。缓冲剂能保持施镀过程中pH值不至于变化太大。

（6）加速剂。加速剂的主要作用是提高镀速，它主要能使次磷酸根中的H-P键能减弱，加速脱氢，增加H2PO2-的活性。

（7）其他组分。化学镀镍液中根据需要还可以加入表面活性剂、光亮剂等添加剂。它们主要是起到加速气体溢出、改善沉积环境、提高镀层质量等作用。

（8）稳定和pH值。稳定是影响化学镀镍的主要因素，温度变化过大，会影响镀层的沉积速度、磷分布的均匀性、应力和孔隙率等。化学镀过程与pH值密切相关，pH对于化学镀过程和镀层的结构与性能的影响是至关重要的。

三、化学镀镍工艺

铝合金化学镀镍技术是一种在不加外电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍镀层的方法。铝合金化学镀镍工艺较多，介绍一下几种。

1. 传统的二次浸锌法【1】

目前认为比较成熟可靠的铝及铝合金化学镀镍的工艺多采用浸锌-预镀层法，即传统的二次浸锌前处理工艺，其流程为：除油→浸蚀→第一次浸锌→硝酸退除→第二次浸锌→碱性化学预镀镍→酸性化学镀镍→烘烤。由于铝的电极电势较负，极易氧化，在化学除油、酸浸蚀等工序中铝试件表面易重新形成很薄的氧化膜，经化学镀后往往形成输送的金属沉积层，其结合力差，无使用价值。因此在化学镀之前，先进行两次浸锌预处理的方法，达到理想的效果，使化学镀正常进行，这也是本工艺的最关键的步骤。研究发现，进行一次浸锌处理效果不佳，退除第一次浸锌预处理时所形成的粗糙的锌层后，使铝件表面呈现活化状态，再进行第二次浸锌处理，可获得均匀、细致的锌层，增强了基体金属的结合力，以利于化学镀的顺利进行。