文/譚國光 羅恩洲

 

    化學鍍鎳技術概述

 

    與一般傳統意義上的電鍍技術不一樣，化學鍍是指通過溶液中金屬離子的自催化而形成鍍層的電化學過程，它不需要傳統電鍍中的外加陽極，也不需要外加電源，因此也稱“無電”電鍍（Electroless Plating）。常見的有化學鍍銅，化學鍍鈀，化學鍍鎳等。 其中以化學鍍鎳 （Electroless Nickel Plating）的應用最為廣泛。因此，本文將重點介紹化學鍍鎳這一技術。

 

    化學鍍鎳層是由水溶液中的鎳離子經過自催化化學反應所形成的，次磷酸鈉為還原劑。因此化學鍍鎳層通常為鎳-磷合金。由于化學鍍是在表面上的自催化反應形成，傳統電鍍過程中的法拉第定律不再適用，因此鍍層厚度均勻，厚度與部件幾何外形無關，這使得能夠在非常復雜的工件上，比如開孔的內表面都能得到均勻的鍍層。 由于化學鍍鎳層的其它性質，使得它具有良好的抗腐蝕和抗磨損性，且自身又具有潤滑性能，所以它是一種典型的功能性鍍層。此外化學鎳在電腦硬盤工業方面也獲得了巨大的成功，因為該鍍層能在鋁基材上形成一層非磁性金屬鍍層，經表面機械加工后能達到很高質量水平。由于化學鎳鍍層不會改變部件形狀，且能為形狀復雜的部件帶來良好的抗腐蝕性能，并使部件帶有潤滑性且拆裝簡易，所以在汽車、電子、油氣、印刷、紡織和食品包裝等各個行業都有很廣泛的應用。

 

    由于化學鍍鎳層是鎳-磷合金層，而磷含量是可以通過調節化學鍍鎳溶液各組分來達到。根據磷含量對化學鍍鎳層進行分類 （ISO 4527:2003）：

 

    （1）低磷化學鎳 = 1 - 4% 磷 （重量比）

 

    （2）中磷化學鎳 = 5 - 9% 磷（重量比）

 

    （3）高磷化學鎳 > 10% 磷（重量比）

 

    磷含量會影響化學鎳鍍層的特性。 鍍層的性能要求一經確定， 確定合適的化學鎳類型是很重要的。以下是各種不同磷含量的化學鍍鎳層物理和化學性能的概括：

 

    低磷化學鎳 ，應用于導電、焊接、金屬線接合、黏合、高耐磨性應用，需具備高鍍態硬度特性。

 

    （1）晶態結構

 

    （2）在堿性環境中有良好的耐腐蝕性能

 

    （3）極佳的鍍層硬度（鍍態）（ ~ 650 - 750 HV0.1）

 

    （4）耐磨損性優異

 

    （5）鍍層呈壓應力

 

    （6）高鍍積速度

 

    中磷化學鎳，由于能提供高沉積速度，是最普遍采用于一般耐磨和耐腐蝕性方面的應用

 

    （1）多相，部分是納米晶態

 

    （2）鍍層（鍍態）具良好的硬度（~550 - 650 HV0.1）和耐磨性能

 

    （3）高沉積速度

 

    （4）鍍層光亮

 

    高磷化學鎳，具有高的耐腐蝕性能，無磁性，可擴散焊接， 柔韌具有高延伸性。

 

    （1）非晶態結構，無磁性

 

    （2）在酸性環境中具有最佳的耐腐蝕性能

 

    （3）對各種化學品有較佳的防腐蝕性能

 

    （4）在鍍態具較低的鍍層硬度（~ 520 - 620 HV0.1）和耐磨性

 

    （5）具壓應力

 

    （6）較高的電阻系數和較少的熱膨脹

 

    （7）低沉積速度

 

    （8）半光亮表面

 

    自催化鎳磷合金鍍層經常通過熱處理把鍍層硬度提高來改善耐磨性能。鍍層最高硬度可達1000 HV0.1左右。
 

 

 

圖1　典型的化學鎳層結構

 

    化學鍍鎳的工藝和要求

 

    （1）中、中高、高磷化學鎳工藝

 

    ①穩健的工藝，槽液有高穩定性

 

    ②在高鍍層厚度下無針孔（>25微米， 經常需要 75微米）

 

    ③良好的結合力：能通過180度彎由試驗

 

    ④優秀耐腐蝕性和高耐磨性

 

    ⑤鍍層均勻性

 

    ⑥壓應力狀態

 

    ⑦寬操作窗口

 

    （2）碳化硅化學鎳復合鍍

 

    ①碳化硅化學鎳復合鍍層能提高關鍵金屬部件的使用壽命

 

    ②在腐蝕環境下適合于高磨損條件

 

    ③典型鍍層厚度為75微米

 

    （3）硬鉻/化學鎳雙層鍍層

 

    ①在腐蝕環境下適合于高磨損條件

 

    ②因無針孔，化學鎳能提供最高的耐腐蝕保護

 

    ③因硬鉻為最頂鍍層，有優秀的耐磨性能

 

    ④即使鍍層厚度達到80微米，由于使用化學鍍鎳，所以也有良好的鍍層厚度分布

 

    ⑤應用于水利系統

 

    ⑥處于嚴酷環境中的結構組件仍有長壽命的安全性
 

 

 

 

圖2　硬鉻/化學鎳雙鍍層結構
 

    化學鍍鎳技術的現狀和挑戰

 

    化學鍍鎳的大規模工業應用已經很久了，也算是比較成熟的工藝和技術了。但是，它也面臨一些，有些甚至是嚴重的挑戰： a） 對鍍層的功能性要求更高，比如要求更高的耐磨性，耐蝕性以及兩種性能更完美的結合；b）有毒的重金屬，如鉛，鎘等的禁用或限用（鉛，鎘是化學鍍鎳中傳統的穩定劑）；c） 化學鍍鎳的廢液和污水的處理。

 

    應對以上三個方面挑戰的對策是：開發新的化學鍍鎳工藝， 以滿足工業對鍍層性能的要求；開發取代重金屬鉛和鎘的新型穩定劑；開發新技術，延長鍍液的壽命，減少化學鍍鎳過程中廢液產生，開發新的廢液/污水處理技術。

 

    憑借多年對化學鍍鎳技術的經驗， 安美特優化了許多新的化學鍍鎳技術和產品，促使業界能滿足來自終端用戶不斷提升的要求。 如今，安美特繼續與業界和終端用戶互相合作，密切關注市場需求的變化，運用我們扎實的專業技術和尖端科技改進產品性能開發各種新工藝和新體系。