化学镀-

化学镀1.什么是化学镀？2.化学镀的基本原理（以化学镀镍为例）3.化学镀的特点4.化学镀的条件5.各种基体上的化学镀6.化学镀复合材料7.化学镀层的性能8.化学镀的应用9.化学镀发展展望定义：化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的还原剂被氧化而释放自由电子，把金属离子还原为金属原子并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。还原剂氧化金属离子还原()nnzRRzezMzeM被镀金属本身是反应的催化剂，则化学镀的过程就具有自动催化作用。反应生成物本身对反应的催化作用使得反应不断继续下去。化学镀也叫做自催化镀、无电解镀常用还原剂：次磷酸钠、硼氢化钠、二甲基胺硼烷、肼、甲醛等。2.1化学镀镍的发展•1944年，Brenner和Riddell进行了第一次实验室实验，开发了可以工作的镀液并进行了科学研究。•60~70年代，研究人员主要致力于改善镀液性能。•80年代后，镀液寿命、稳定性等得到初步解决，基本实现镀液的自动控制。•当今，研究主要集中在机理的研究、镀液成分的研究及寿命的延长以及复合镀的方面。Ni-P化学镀的基本原理是以次亚磷酸盐为还原剂，将镍盐原成镍，同时使镀层中含有一定的磷。沉淀的镍膜具有自催化性，可使反应自动进行下去。Ni-P化学镀的机理目前还没有统一认识。主要有三种理论：原子氢态理论、电化学理论、氢化物理论。2.2原子氢态理论1946年，Brenner和Ridder提出；1959年Gutgeit实验验证了该假说；1967年，苏联人对该理论又做了深入研究。还原镍的物质实质上就是原子氢。NaH2PO2→Na++H2PO2-1）镀液在加热时，通过次亚磷酸盐在水溶液中脱氢，形成亚磷酸根，同时放出初生态原子氢H2PO2-+H2O→HPO32-+H++2H2）初生态原子氢吸附催化金属表面而使之活化，使镀液中的镍阳离子还原，在催化金属表面上沉积金属镍Ni2++2H→Ni+2H+3)随着次亚磷酸根的分解，还原成磷H2PO2-+H→H2O+OH-+P4）镍原子和磷原子共同沉积而形成Ni-P固溶体3P+Ni→NiP35）2H→H2则基本原理：通过镀液中Ni+离子还原，同时伴随着次亚磷酸盐的分解而产生磷原子进入镀层，形成过饱和的Ni-P固溶体。2.3电化学理论1959年W.Machu提出了电子还原机理（电化学理论），该理论认为次磷酸根被氧化释放出电子，使Ni2+、H2PO2-、H+该吸附在镀件表面形成原电池，电池的电动势驱动化学镀镍过程不断进行。阳极反应：H2PO2-+H2O→H2PO3-+2H++2e次磷酸根被氧化释放出电子阴极反应：Ni2++2e→NiH2PO2-+e→P+2OH-2H++2e→H2金属化反应：3P+Ni→NiP3该机理主要着重于化学反应。还原反应沿初始沉积部位开始，逐沿平面扩展，最终覆盖在整个基体表面，这种情况下镀层在厚度上不再生长。在已经形成镀层的地方镀液浓度下降，难以进行还原反应。若使其在厚度方向上生长，必须采用搅拌方式和对流方式，使高浓度镀液接触已沉积的镀层表面。该图表明基体金属对还原沉积必须具备催化活性。还原反应是在催化活性的金属表面上进行。化学镀镍溶液的组成：镍离子，络合剂、缓冲剂、加速剂、还原剂、稳定剂、湿润剂、光亮剂、去应力剂、PH调整剂等。2.4化学镀镍溶液的配方组成①镍离子：提供镀层金属来源。主要有硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、磺酸镍等。由于硫酸镍不易结块，廉价，大多配方采用硫酸镍。②络合剂：形成镍的络合物或整合物，防止镍离子浓度过量，从而稳定溶液，阻止亚磷酸镍沉淀，还起pH值缓冲作用。如羟基乙酸（乙醇酸）、氨基乙酸、乳酸、羟基丁二酸、柠檬酸及其盐类。目前，络合剂向复合应用方向发展。③缓冲剂：长期控制pH值，使其稳定。常用的有柠檬酸、丙酸、乙二酸、硼酸及其钠盐。④稳定剂：通过吸附遮敝催化活性核心，防止镀液分解。如铅离子、锡的硫化物、钼酸盐、碘酸盐、偏硫化物等。⑤还原剂：主要有次磷酸钠，硼氢化钠，二甲基胺硼烷，二乙基胺硼烷等。⑥加速剂：活化次亚磷酸盐离子，加速沉积反应的进行。如氟化物、硼酸盐等⑦湿润剂（表面活性剂）：降低镀液与镀件的表面张力，提高镀件表面的浸润性。如硫化脂肪酸、硫酸酯。⑧光亮剂：增强化学镍层的光亮度，提高装饰效果。主要有丁炔二醇、炔丙醇等。⑨去应力剂：降低镀层的内应力（张应力），提高镀层与基体的结合力。如糖精等。⑩PH值调整剂：连续调整PH值。如HCl、NaOH、氨水等。工件→机械除锈→除油→水洗→化学除锈→水洗→活化处理→水洗→施镀→水洗→干燥除油除锈是为了除去待镀件表面的油污、锈迹，以便结合更加牢固除油：根据镀件表面的油污状态，可以分别采用汽油、有机溶剂、金属洗涤剂进行。用汽油除油后晾干，待汽油全部挥发后再进行其它除油。而后用水冲洗，浸入清水池待除锈。除油必须对待镀工件整体进行。活化：为了使待镀件获得充分活化的表面，以催化化学镀反应的进行。50%hcl浸泡30s~60s。2.5化学镀镍磷合金工艺流程1.化学镀镀层分散能力好，无明显的边缘效应，几乎不受工件复杂外形的限制，镀层厚度均匀。镀层厚度易于控制，表面光洁平整，一般不需要镀后加工。2.化学镀可用在非金属材料表面上沉积金属镀层。3.对能自动催化的化学镀，理论上可获得任意厚度的镀层。4.化学镀所得到的镀层具有良好的化学、力学和磁学性能，晶粒细，无孔，耐蚀性好。5.化学镀工艺设备简单，不需要电源、输出系统及辅助电极，操作时只需把工件正确悬挂在镀液中即可6.化学镀溶液稳定性较差，寿命短，成本高。化学镀与电镀的比较最大的不同：不需要外电流最大的优点：镀层厚度均匀，针孔率低镀液与镀层性能电镀化学镀镀层沉积驱动力电能（电压）化学能（还原剂）镀液组成比较单纯相当复杂受pH值影响比较小大受温度影响比较小大沉积速率大小镀液寿命长短厚度不均匀非常均匀基体导体导体、非导体成本低高1.镀液中还原剂的还原电位要显著低于沉积金属的电位2.镀液不产生自发分解。3.调节溶液PH值、温度时，可以控制金属的还原速率，从而调节镀层覆盖率。4.被还原析出的金属也具有催化活性，使得氧化还原沉积过程持续进行。5.溶液具有足够的使用寿命。1.金属材料表面在许多情况下，用化学镀镍代替镀硬铬有许多优点。特别对内部镀层和镀复杂形状的零件，以及硬铬层需要镀后机械加工的情况。一些基底使用化学镀镍可使之容易钎焊或改善它们的表面性质。2.非金属材料表面非导体可以用化学镀镍镀一种或几种金属，在装饰和功能（例如电磁干扰屏蔽）两方面部重要。在许多场合下，许多工程塑料已考虑作为金属的代用品。其中有些具有良好的耐高温性能。所有这些塑料都比金属轻，而且更耐腐蚀，其中包括聚碳酸脂、聚芳基酮醚、聚醚酰亚胺树脂等。需要导电性或电屏蔽的场合，塑料需要金属化，可用化学镀镍达到这个目的。•对非金属的化学镀需要敏化活化处理：•敏化就是使非金属表面形成一层具有还原作用的还原液体膜。这种具有还原作用的处理液就是敏化剂。•好的敏化效果要求具有还原作用的离子在一定条件下能较长时间保持其还原能力，并且能控制其还原反应的速度，要点是敏化所要还原出来的不是连续的镀层，而只是活化点。•目前，对于非金属化学镀镍用得最多的是Pd（钯）活化工艺。当吸附有Sn（锡）的非金属表面接触到Pd活化液时，Pd会被Sn还原而沉积到非金属表面形成活化中心，从而顺利进行化学镀。1.化学镀复合材料在化学镀镍的溶液中加入不溶性微粒，使之与镍磷合金共沉积从而获得各种不同物理化学性质的一种工艺。2.化学镀复合材料的实验沉积方法在化学镀复合材料的沉积过程中，向化学镀中添加非水溶性固体微粒，搅拌使之充分悬浮，在镀液中金属离子被还原剂还原的同时，可以将固体微粒嵌入金属沉积层中，形成复合镀层用于化学复合镀的复合材料微粒必须满足如下要求：1.用于化学复合镀的微粒直径应在7μm之下2.保证自催化反应能持续、正常的进行3.不能使用有自催化性的金属微粒，以免激发镀液的自发分解4.微粒材料中的其他杂质要经清洗净化工序除去3.影响化学复合镀的主要因素1镀层中微粒含量：微粒、浓度2搅拌强度3镀液的稳定性降低危害措施：1加入稳定剂2连续过滤镀液3适当限制进入镀液中的镀件面积与镀液体积比值按用途目前将开发出的化学复合镀分为三类：自润滑镀层、耐磨镀层、脱模性镀层。1.Ni-P-SiC复合镀层广泛应用于汽车发动机部件2.Ni-P-Cr3C2化学复合镀层应用于模具表面3.Ni-P-PTFE应用于即要求相对运动又要求密封性好，即要求润滑又要求耐高温的部件。因此广泛用于橡胶、塑料模具、泵、轴承、齿轮、铝空气汽缸、螺母、汽化器阻风门轴等4.Ni-P（CF）n有很好的抗擦伤能力，用于活塞和内燃机汽缸、连续铸钢用铸模表面、活塞环、轴承等4.化学镀复合材料的应用化学镀层具有耐磨、耐蚀、高硬度、焊接性好、具有磁性等性能性能参数：1.硬度最大达HV11002.耐磨性可以和硬铬镀层相媲美3.抗腐蚀性优良，可耐各种腐蚀介质4.Ni-P镀层电阻率为60~120μΩcm（纯镍9.5μΩcm）5.整体磁性增加，镀层的矫顽力由4~40Oe增大到100Oe以上注意：矫顽力：使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度降为零所必须施加的磁场强度奥斯特（Oe）或安/米（A/m）1A/m=79.6Oe(1)化学镀铜在电子工业中应用最广，制造双面孔化印制板和多层印制线路板。（2）化学镀镍的应用铝及铝合金是航天、军事、电子工业和卷烟机械的重要结构材料。但耐蚀性、耐磨性和装饰性不佳。化学镀镍恰好解决了这些问题。镀镍插头计算机屏蔽电缆航空用材镀镍管道汽车油管人造金刚石：高硬度、高耐磨性，在工业上得到广泛的应用。由于是亚稳态晶体，耐热性差，具有脆性，还有杂质、气孔、裂纹等缺陷。在人造金刚石表面化学沉积一层耐热耐磨的Ni-P合金是解决这些问题的最有效的方法之一。化学镀镍在自润滑、减摩材料中的应用化学镀Ni-P-PTFE、Ni-P-CaF2等复合材料具有耐磨和自润滑性。在大气中抗擦伤性能优良，而且摩擦系数不随温度变化，在高温下仍然表现出较低的摩擦系数。（3）Ni-B合金层特点及应用化学镀Ni-B合金具有下列特点:1.热处理后的硬度高于硬铬;2.耐磨性随热处理而明显提高;3.接触电阻接近于银镀层;4.在碱和有机溶剂中的耐蚀性优于Ni-P合金层化学镀Ni-B合金层的优点：1.共晶温度比Ni-P合金的高2.硬度高3.耐磨性优于Ni-P合金4.好的焊接性能和键合性能Ni-B合金层的应用：1.玻璃制品的金属模具2.接触电阻与与银层相似，良好的耐磨性与耐蚀性，可作为代银镀层3.变压器铜触电以前要镀金0.7μm，现在只要镀Ni-3%B合金2.5~3.8μm4.双列直插式插座材料是Be-cu合金，以前需镀镍5μm，再镀5μm金，现只需镀Ni-0.3%B合金2.5μm即可（3）化学镀锡铅合金在电子工业中应用在印制板制造中，铜导线图形上往往要涂复60%~65%Sn和35%~40%Pb的锡铅合金。锡铅合金起着抗蚀保护作用，并使元器件焊于印制板上。（4）化学镀金在印制板及电子元器件工业中应用镀金层广泛用于印制电路、电子元件件及光学仪器。电连接器化学镀层作为功能性镀层，未来将向两方面发展。一方面在已有的基础上进一步完善提高，这包括化学镀镍钴合金的高容量存储、化学镀锡和金的速度提高等问题的解决。另一方面，发展功能多样化和与其他先进的辅助技术相互融合，包括印刷电路板的计算机的辅助设计、激光、紫外光、红外线、超声波的诱导化学镀、纳米颗粒的掺杂和特殊性能的LCR元件的制造等先进技术。考虑到可持续发展的需要，对化学镀废液的处理，尤其对于取代有毒的还原剂和络合剂的问题解决，其中镍离子的回收利用、化学镀Sn-Pb合金中重金属Pb的取代等诸多环境保护问题，也是值得关注。作为一种优良的表面处理技术，化学镀还有很多应用领域有待进一步开发，主要表现在以下几个方面：（1）航空及军用器材的表面化学镀。（2）纺织、印刷、食品及木材加工机械的表面强化。（3）模具及铸模的表面化学镀。（4）医疗器件的表面化学镀。