文/趙國鵬

 

    化學鍍是利用化學方法使溶液中的金屬離子還原為金屬，沉積在具有催化活性的基體表面而形成鍍層的一種表面處理方法。它是一種自催化反應，不需要通過外加電流來實現。

 

    化學鍍鍍覆的金屬和合金種類較多，諸如：Ni-P、Ni-B、Cu、Ag、Pd、Sn、In、Pt及多種Co基合金等。但從產業規模和應用面來比較，最主要的化學鍍鍍種是化學鍍鎳。通過對相關協會提供的數據以及互聯網上的數據進行分析發現，化學鍍鎳的產業規模，約占到整個化學鍍規模的80%以上，而通常所說的化學鍍鎳是指化學鍍Ni-P合金。

 

    化學鍍鎳行業的發展現狀

 

    市場構成

 

    化學鍍鎳是表面處理技術中起步相對較晚，發展較快的一種技術，目前，化學鍍鎳的市場分布主要集中在亞洲和歐美地區。其中，亞洲地區的化學鎳市場主要依托于日益發達的制造業，為相關的制造行業提供配套和產品加工。而歐美地區則得益于技術和研發上的優勢，相對于全球其他地區，具有顯著的技術優勢。

 

    隨著該項技術的不斷成熟，化學鍍鎳產品在許多行業都得到了應用，上至航空航天的零部件，下至采礦勘探設備等均有采用化學鍍鎳來達到某種性能的應用要求。通過對國內外化學鍍會議的數據統計，得到了近年來主要地區的化學鍍鎳市場構成情況， 大致如下：

 

    行業的基本特點

 

    化學鍍鎳技術最初發現于歐洲，興起于美國。直到20世紀60 年代后期，化學鍍鎳技術才開始在美國進入工業化應用，但當時的技術還很不成熟與穩定，化學鍍鎳技術真正大規模用于實際生產是在20世紀70年代末的美國，當時的化學鍍鎳工藝已經日趨成熟，鍍液的穩定性、使用周期都較初始階段有了明顯的提升。

 

    到目前為止，化學鍍鎳技術的大規模工業化應用也僅40多年的時間，其作為一種“后起”的表面處理技術，相對于傳統的電鍍行業，具有以下特點：

 

    （1）技術針對性強，具有獨特優勢

 

    相對于電鍍鎳，化學鍍鎳技術具有其自身的優勢，如鍍層均勻，對施鍍件的形狀沒有選擇性，無需陽極，適用于尺寸復雜多變的工件；不需要外用電源，設備簡單；鍍液的分析、補加簡單，維護方便；鍍層孔隙率低，防護性好；鍍層硬度根據磷含量的不同可選擇；鍍層的應力小，可以鍍覆較厚的鍍層（100微米以上）。

 

    （2）應用領域廣

 

    隨著技術的進步，化學鍍鎳的性能更高、功能更多樣化，也越來越多的被應用到不同的行業。如：

 

    ①通信基站波導零件鍍高磷化學鎳打底用于磁屏蔽、手機鋁外殼鍍化學鎳后鍍金；

 

    ②印制線路板化學鍍鎳防止銅層與鍍金層互相擴散、電腦硬盤鍍高磷化學鎳鍍層，以便在基片和磁性數據存儲表面之間形成保護性屏障；

 

    ③模具上使用中、低磷鍍層代替硬鉻鍍層（中磷鍍層需熱處理）；

 

    ④氯堿工業管道使用高磷鍍層增強耐蝕性，使用低磷化學鍍鎳保護液堿運輸槽罐車的螺栓、連接閥；

 

    ⑤軍、民用飛機發動機部件如軸承的軸頸、舵機閥、壓縮機葉片、汽輪機葉片、活塞發動機軸、發動機底座等使用化學鎳鍍層來修復；

 

    ⑥在球閥上鍍高磷、低磷鍍層增加耐蝕或耐磨性；

 

    ⑦散熱片上鍍化學鎳層增強耐蝕性和硬度；

 

    ⑧另外，化學鍍鎳在機械、汽車上也有較多的應用：

 

    （3）特殊應用，行業整體規模小

 

    化學鍍鎳層往往作為一種過渡性或功能性鍍層而存在，較少用來作為裝飾性或表面覆蓋層，應用主要面向于具有特殊要求的領域，我們在實際生產中發現，化學鍍鎳技術的產業性質具有應用面廣規模量小的特點，通過對所接觸廠家的類別和數量進行統計可以得出，專業的化學鍍鎳廠家的數量僅為電鍍廠家數量的約1/10，而以全國電鍍企業年產值約1800～2000億元估算，化學鍍鎳年產值約180～200億元。

 

    （4）技術更新慢，市場發展遲緩

 

    化學鍍技術在經歷了上世紀八九十年代的快速發展后，在鍍液的壽命、穩定性、鍍層質量、實際應用經驗等方面，都有了質的飛越，這一時期的化學鍍技術主要解決了鍍液穩定性差、使用周期短、無法連續生產、鍍種單一等問題。但作為一種實用性強的表面處理技術，化學鍍鎳技術還有巨大的進步空間，在諸如環保、使用周期、綜合成本等方面還面臨巨大的壓力，如下：

 

    含Pb、Cd的不環保工藝沒有完全退出市場，仍在使用；

 

    鍍液壽命短，長則5～8周期，短則2～3個周期，報廢頻繁， 成本高；

 

    廢液處理難徹底，污染環境，有效成分浪費嚴重，再生利用成本高昂；

 

    不重視前后處理、節電、節水技術的升級；

 

    不重視工藝的探索和改進；

 

    不重視管理。

 

    （5）環保壓力增大

 

    化學鍍鎳溶液中含有較高濃度的鎳鹽、還原劑、絡合劑、其他添加劑等，隨著周期實驗的進行，鍍液中積累的物質濃度逐漸升高，其中的有機酸絡合劑，其濃度可達到約60～200g/L，如此高濃度的絡合劑在維持溶液平衡與穩定的同時，也增加了后續廢液處理的難度，溶液中絡合劑與鎳離子的結合造成“破絡難”， 在廢液處理時鎳離子難以處理徹底。以珠三角地區為例，目前， 電鍍廢水的排放標準，是按照GB21900-2008的表3標準執行，其中總鎳排放標準為：0.1mg/L，對于化學鍍鎳來說，要在絡合劑濃度很高的溶液中將4.0～5.0g/L的Ni2+降低至0.1mg/L，難度非常之大，且投入設備的費用和處理的費用都非常高昂，即便如此，往往在對化學鍍鎳廢液進行處理后，其廢水中的含鎳量仍高于表3的排放限值。

 

    另一方面，化學鍍鎳溶液中的次磷酸鈉、有機酸絡合劑等含有大量的N、P等營養化物質，這類元素排入水體極易造成水體的富營養化，在表3的規定中，總氮、總磷的排放限值分別是15mg/L 和0.5mg/L，相對于廢液中大量的含N、P有機物和目前的處理水平，廢液在常規的處理后，難以達到排放標準。

 

    鑒于總鎳、氮、磷等污染物經處理后仍難以達到排放標準， 因此，目前珠三角地區化學鍍鎳廢水的實際處理情況是：化學鍍廠家不直接處理而是將廢液委托給有相應處理資質的環保公司進行處理，但處理的費用往往高達3000～4000元/噸，且處理水平良莠不齊，處理后的污染物濃度并非百分百達到國標規定值。

 

    （6）利潤空間縮小

 

    化學鍍鎳是一種應用面較廣的表面處理技術，隨著其技術的普及，所加工的產品附加值下降，同時，由于該技術的逐漸成熟，市場上同類產品的豐富，產品之間的競爭加劇。目前，市面上的化學鍍鎳溶液組成成分復雜，各有效成分濃度高，在使用中，化學鍍鎳溶液的工作周期短，報廢更換頻繁，報廢液中含有大量的有效成分，資源的浪費無形中推高了產品的使用成本，廢液的處理量也相應增加，加上同質產品競爭的加劇，售價越來越低，總體壓縮了化學鍍鎳產品的利潤。

 

    （7）收款周期延長

 

    全球經濟在08年的經融危機中遭受重創，制造業受到空前打擊，市場萎縮、訂單減少，市場本身的不確定性增大，通過供應鏈的傳導作用，也影響到與制造業相關的行業。而近年來，隨著中國人口紅利的逐年遞減，人工、土地等綜合成本也逐漸上升； 另外，中國經濟三十年來的粗放式快速發展又帶來了環境的惡化，環保壓力大增。這一系列的不利因素都給表面處理行業的發展帶來了前所未有的困難，也加劇了行業生存的風險，成本的逐漸上升和生存風險的增加，導致整個行業資金鏈的緊張，因此， 無論是產業鏈的上游還是下游，都面臨著收款周期變長，市場情況復雜多變的實情。

 

    化學鍍鎳技術現狀及面臨的問題

 

    技術現狀

 

    目前，我國的化學鍍鎳的現狀是第三代產品（即鎳鹽+次磷酸鈉+絡合劑+穩定劑）和第四代產品（即鎳鹽+次磷酸鈉+復合絡合劑+穩定劑+促進劑+緩沖劑+潤濕劑，特點：無鉛鎘）共存。其中，最近幾年的研究熱點是添加劑中鉛鎘的無害化替代，配方在使用過程中的完善、功能性鍍層的研究等，但整體來講，技術水平仍偏低，如表1。

 

 

    化學鍍鎳行業發展面臨的挑戰

 

    （1）廢液處理成本高，部分企業不重視環保，環保壓力大，

 

    如前所述，由于化學鍍鎳液中大量絡合劑的存在，造成鎳等金屬離子在廢液處理時難度很大，往往處理的不徹底。因此，很多地區已將化學鎳廢液列為危廢物，廠家一般都是將廢液委托具有相應環保資質的廢水處理公司進行處理，而處理費用非常高， 以珠三角地區為例，就我們了解到的情況是，目前的處理費用高達3000～4000元/噸，相當于4元～5元/升，如此高昂的廢液處理費用，大大增加了廠家的綜合成本，攤薄了企業利潤。因此，面對高昂的處理費用，有的廠家環保意識差，選擇鋌而走險，在將廢液簡單處理后，不論鎳含量、N、P、COD等污染物是否超標即偷偷排放。

 

    同時，環保政策帶來的壓力也在日益增大，例如廣東地區， 電鍍廢水執行的排放標準是GB21900-2008表3標準，對于大部分化學鍍鎳企業來說，按照表3標準，一是本身處理難度非常大；二是處理效果未必能達標。

 

    （2）水平參差不齊，先進工藝與淘汰工藝并存

 

    以珠三角地區為例，珠三角地區的電鍍行業無論是技術水平或規模都處于全國前列，其中，化學鍍鎳經過一二十年的發展后，具有技術普及化，配方半公開化的現狀。因此，一些需要從事化學鍍鎳加工的企業為了節省成本，不是購買成熟的商品化鍍液而是采取由工廠的“師傅”自己配制，這種鍍液可滿足一定的要求，但是其使用周期短，往往只能使用至3周期左右，且一般都使用含鉛化合物作為穩定劑、含鎘化合物作為光亮劑，這種工藝不符合環保的要求，屬于已經淘汰的工藝。另一方面，對于一些要求較高的行業，如電腦硬盤、通信器材的波導零件等的化學鍍鎳，則使用國內外最先進的工藝來進行加工，以滿足在鍍層性能和外觀方面的各種高端要求。

 

    （3）管理混亂、工藝執行不到位

 

    根據我們多年在現場跟進的經驗，目前，相關企業普遍存在的問題是管理混亂，有制度無執行，有管理無監督，交叉管理、多重管理，出了問題卻無責任人；工藝在執行過程中隨意性大， 不按照工藝指導書執行，故障頻出，出故障后原因難查找。

 

    （4）生產成本高

 

    由于近幾年的外圍經濟環境欠佳，加工的訂單減少、單價降低，同時環保壓力增大，人工成本又上升較快，造成企業的綜合生產成本較高，如表2所示。
 

 

    近年化學鍍鎳的熱點及應用

 

    近年研究熱點

 

    （1）用環保型添加劑替代鉛、鎘等有害重金屬

 

    研究主要集中于穩定劑、光亮劑的研究。

 

    目前，國外產品基本都號稱環保型，國內也有一部分技術水平差不多的產品在市場銷售。但從應用的實際情況比較，環保型添加劑與有害重金屬添加劑相比，環保型產品的工藝控制范圍相對較窄。

 

    （2）長周期（第五代）化學鍍鎳的研究

 

    傳統化學鍍鎳液使用周期較短，開缸頻繁，開缸所占成本比例大。報廢的鍍液需要處理，增加了廢液處理量和費用。目前， 長壽命的化學鍍鎳處于初期應用階段。如，樂思化學有限公司的ENfinity?12，廣州鴻葳科技股份公司的球閥液壓支架專用高磷產品BH-326（詳見應用實例）。
 

 

    （3）自動補加設備的研究及使用

 

    相對于人工補加，自動補加設備具有即時分析、即時補加的特點。鍍液參數波動小、鍍件一次合格率高、鍍液壽命可以延長。

 

    目前，歐美、日本廠商在該領域處于領先地位，國內也有產品面世，如圖。
 

 

 

多功能化學鎳補加機

 

    （4）廢鍍液再生回用的研究

 

    自化學鍍鎳工業化應用以來，延長鍍液的使用壽命和對報廢鍍液進行再生回用，成為科研人員努力解決的問題。但該技術的進展卻非常緩慢。目前，研究較多的方法是電滲析法。

 

    （5）化學鍍鎳廢水處理的研究

 

    化學鍍鎳廢水的處理難點：

 

    ①破絡難，Ni2+易超標；

 

    ②總磷、總氮及氨氮指標易超標；

 

    目前，對于Ni2+，多采用高級氧化破絡，再經沉淀、絮凝，再加深度處理，成本較高，部分廠家添加重金屬捕集劑， 有一些效果。

 

    化學鍍鎳新技術的應用

 

    以實際應用的長周期高磷化學鍍鎳產品BH-326為例。按照國外的劃分，長周期的化學鍍鎳技術又可稱為第五代化學鍍鎳技術，其突出特點是，節能減排有利于生態環境保護，且具有低成本優勢。

 

    以一家球閥化學鍍加工企業為例，對比說明長周期化學鎳技術的應用。

 

    該企業是蘇州市一家年加工產值約3000萬～5000萬元的球閥加工企業，鍍層要求為高磷化學鎳，厚度不低于75微米，鍍層磷含量大于10%，鍍液實際體積1000升，其原來使用的是一種工作壽命為6周期的高磷產品（以下文中稱為：傳統高磷），使用BH-326（以下文中稱為：長周期高磷）產品后，工作壽命為一般22周期，也可長達26周期。通過數據統計，對兩種產品進行對比，如下。
 

 

    如表4，以加工相同面積的產品來計算：如加工48400dm2的產品，傳統高磷需要3.23槽鍍液每槽生產6周期才能完成，而長周期高磷產品只需一槽鍍液生產22周期即可完成。

 

    （1）首先計算開缸成本：長周期開缸成本約相當于傳統高磷的70%左右（以鎳和次磷酸鈉的減少比例估算），則傳統高磷鍍覆48400dm2的面積開缸成本約為長周期高磷的4.29倍。

 

    （2）補加成本：因為工件鍍覆的均是相同面積相同厚度的鍍層，根據物料守恒的原則，兩者消耗的鎳總量應相同，因此，補加成本估算為一致。

 

    （3）廢水處理量及處理成本（均不計算帶出損失）：傳統高磷共需處理3.23槽×1000L=3230升，長周期高磷只需處理1000L， 假設按照同樣體積同樣處理成本來計算，傳統高磷的廢液處理成本約相當于長周期的3.23倍；另一方面，長周期產品的鎳、次磷酸鈉、絡合劑等成分濃度都相對較低，因此，其實際處理成本會更低。

 

    總結：使用長周期化學鍍鎳產品，在性能上可達到傳統化學鎳產品的效果，同時，使用成本大為降低，廢液處理成本也明顯降低，減少了開缸量，也使操作工作量減少，使用較低濃度的有效成分，廢液處理相對簡單，無論是綜合成本方面還是對環境的污染危害方面，均有了革命性的改變。

 

    化學鍍鎳技術未來的發展方向

 

    從技術本身的進步、相關產業發展的需求、環境保護的迫切性等視角，來分析化學鍍鎳未來的發展方向：

 

    （1）超長壽命（大于30TMO）化學鍍鎳技術；

 

    （2）低溫化學鍍鎳技術；

 

    （3）化學鍍鎳廢液再生技術；

 

    （4）不使用重金屬離子作為添加劑的化學鍍技術；

 

    （5）超細結晶化學鍍鎳技術；

 

    （6）全自動檢測補加裝置的應用；

 

    （7）汽車、電子、計算機和通信等產業的發展，將為化學鍍鎳技術帶來了較大的發展空間。

 

    （8）高加工精度、高耐蝕要求的金屬表面處理也會帶來化學鍍鎳的擴展。

 

    總結：化學鍍未來需要解決的根本問題

 

    （1）隨著環保壓力的增大，對于廢液處理相對復雜的化學鍍工藝來說，如何根本上解決廢液對生態環境的危害是首先要面對的問題，從目前的發展趨勢來分析，使用不添加有毒有害物質的產品體系，從源頭上解決這類物質的污染，是一種可行也效果好的辦法；另一方面，提高物料利用率，減少其在廢液中殘留濃度，降低處理難度，也是一種效果顯著的辦法。

 

    （2）如何降低生產成本？生產成本直接關系到企業的利潤， 只有將成本控制在合理范圍內，行業才有可持續發展的空間，而采用清潔、高效、可再生的新技術是行業未來發展的必經之路。

 

    （3）加強管理水平，提高產品質量，表面處理行業的許多企業因為管理混亂，每年都給企業帶來巨大的損失，管理不嚴謹，工藝執行不到位，因此，工藝執行的的關鍵在于管理水平的提高，只有嚴格執行工藝規定，才能系統性的保障所生產產品的質量。