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化學鍍
鎖定
- 中文名
- 化學鍍
- 外文名
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Chemical plating
Electroless plating
Autocatalytic plating
化學鍍化學鍍簡介
化學鍍
[1]
(Chemical plating)也稱無電解鍍(Electroless plating)或者自催化鍍(Autocatalytic plating),是在無外加電流的情況下藉助合適的還原劑,使鍍液中金屬離子還原成金屬,並沉積到零件表面的一種鍍覆方法。
化學鍍技術是在金屬的催化作用下,通過可控制的氧化還原反應產生金屬的沉積過程。與電鍍相比,化學鍍技術具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源設備 、能在非導體上沉積和具有某些特殊性能等特點。另外,由於化學鍍技術廢液排放少,對環境污染小以及成本較低,在許多領域已逐步取代電鍍,成為一種環保型的表面處理工藝。目前,化學鍍技術已在電子、閥門製造、機械、石油化工、汽車、航空航天等工業中得到廣泛的應用。
化學鍍原理
化學浸鍍(簡稱化學鍍)技術的原理是:化學鍍是一種不需要通電,依據氧化還原反應原理,利用強還原劑在含有金屬離子的溶液中,將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成緻密鍍層的方法。化學鍍常用溶液:化學鍍銀、鍍鎳、鍍銅、鍍鈷、鍍鎳磷液、鍍鎳磷硼液等。
化學鍍敏化
敏化就是使非金屬表面形成一層具有還原作用的還原液體膜。這種具有還原作用的處理液就是敏化劑。好的敏化效果要求具有還原作用的離子在一定條件下能較長時間保持其還原能力,並且能控制其還原反應的速度,要點是敏化所要還原出來的不是連續的鍍層,而只是活化點。目前最適合的還原劑只有氯化亞錫。目前,對於非金屬化學鍍鎳用得最多的是Pd活化工藝。當吸附有Sn的非金屬表面接觸到Pd活化液時,Pd會被Sn還原而沉積到非金屬表面形成活化中心,從而順利進行化學鍍。鈀活化反應式:Pd2+ + Sn→Pd + Sn2+
化學鍍Ni-P
一、化學鍍Ni-P技術指標
二、化學鍍Ni-P技術特點
1.硬度高,耐磨性好:化學鍍鍍層經熱處理後硬度達Hv 1100以上,工模具鍍膜後一般壽命提高3倍以上。
2.耐腐蝕強:化學鍍鍍層在酸、鹼、鹽、氨和海水等介質中都具有很好的耐蝕性,其耐蝕性好於不鏽鋼。
3.表面光潔、光亮:工件經化學鍍鍍膜後,表面光潔度不受影響,無需再加工和拋光。
4.可鍍形狀複雜:工件形狀不受限制,不變形,可化學鍍較深的盲孔和形狀複雜的內腔。
5.被鍍材料廣泛:可在模具鋼、不鏽鋼、銅、鋁、塑料、尼龍、玻璃、橡膠、木材等材料上化學鍍。
三、化學鍍Ni-P應用部件
2.石油化工耐腐蝕部件:反應器、閥門、管道、泵體、轉子葉片等。
四、相關反應式
- 主反應:Ni2+ + 2H2PO2- + 2H2O → Ni +2HPO32- + 4H+ + H2
- 副反應:4H2PO2- → 2HPO32- + 2P + 2H2O + H2
化學鍍鍍鎳
主鹽:
化學鍍鎳溶液中的主鹽就是鎳鹽,一般採用氯化鎳或硫酸鎳,有時也採用氨基磺酸鎳、醋酸鎳等無機鹽。早期酸性鍍鎳液中多采用氯化鎳,但氯化鎳會增加鍍層的應力,現大多采用硫酸鎳。目前已有專利介紹採用次亞磷酸鎳作為鎳和次亞磷酸根的來源,一個優點是避免了硫酸根離子的存在,同時在補加鎳鹽時,能使鹼金屬離子的累積量達到最小值。但存在的問題是次亞磷酸鎳的溶解度有限,飽和時僅為35g/L。次亞磷酸鎳的製備也是一個問題,價格較高。如果次亞磷酸鎳的製備方法成熟以及溶解度問題能夠解決的話,這種鎳鹽將會有很好的前景。
還原劑:
化學鍍鎳的反應過程是一個自催化的氧化還原過程,鍍液中可應用的還原劑有次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、烷基胺硼烷及肼等。在這些還原劑中以次亞磷酸鈉用的最多,這是因為其價格便宜,且鍍液容易控制,鍍層抗腐蝕性能好等優點。
絡合劑:
化學鍍鎳溶液中的絡合劑除了能控制可供反應的遊離鎳離子的濃度外,還能抑制亞磷酸鎳的沉澱,提高鍍液的穩定性,延長鍍液的使用壽命。有的絡合劑還能起到緩衝劑和促進劑的作用,提高鍍液的沉積速度。化學鍍鎳的絡合劑一般含有羥基、羧基、氨基等,常用的絡合劑有檸檬酸鈉、酒石酸鈉等。
在鍍液配方中,絡合劑的量不僅取決於鎳離子的濃度,而且也取決於自身的化學結構。在鍍液中每一個鎳離子可與6個水分子微弱結合,當它們被羥基,羧基,氨基取代時,則形成一個穩定的鎳配位體。如果絡合劑含有一個以上的官能團,則通過氧和氮配位鍵可以生成一個鎳的閉環配合物。在含有0.1mol的鎳離子鍍液中,為了絡合所有的鎳離子,則需要含量大約0.3mol的雙配位體的絡合劑。當鍍液中無絡合劑時,鍍液使用幾個週期後,由於亞磷酸根聚集,濃度增大,產生亞磷酸鎳沉澱,鍍液加熱時呈現糊狀,加絡合劑後能夠大幅度提高亞磷酸鎳的沉澱點,即提高了鍍液對亞磷酸鎳的容忍量,延長了鍍液的使用壽命。
緩衝劑:
由於在化學鍍鎳反應過程中,副產物氫離子的產生,導致鍍液pH值會下降。試驗表明,每消耗1mol的Ni2+ 同時生成3mol的H+,即就是在1L鍍液中,若消耗0.02mol的硫酸鎳就會生成0.06mol的H+。所以為了穩定鍍速和保證鍍層質量,鍍液必須具備緩衝能力。緩衝劑能有效的穩定鍍液的pH值,使鍍液的pH值維持在正常範圍內。一般能夠用作pH值緩衝劑的為強鹼弱酸鹽,如醋酸鈉、硼砂、焦磷酸鉀等。
穩定劑:
化學鍍鎳液是一個熱力學不穩定體系,常常在鍍件表面以外的地方發生還原反應,當鍍液中產生一些有催化效應的活性微粒——催化核心時,鍍液容易產生激烈的自催化反應,即自分解反應而產生大量鎳-磷黑色粉末,導致鍍液壽命終止,造成經濟損失。
在鍍液中加入一定量的吸附性強的無機或有機化合物,它們能優先吸附在微粒表面抑制催化反應從而穩定鍍液,使鎳離子的還原只發生在被鍍表面上。但必須注意的是,穩定劑是一種化學鍍鎳毒化劑,即負催化劑,穩定劑不能使用過量,過量後輕則降低鍍速,重則不再起鍍,因此使用必須慎重。
加速劑:
在化學鍍溶液中加入一些加速催化劑,能提高化學鍍鎳的沉積速率。加速劑的使用機理可以認為是還原劑次磷酸根中氧原子被外來的酸根取代形成配位化合物,導致分子中H和P原子之間鍵合變弱,使氫在被催化表面上更容易移動和吸附。也可以説促進劑能起活化次磷酸根離子的作用。常用的加速劑有丙二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸、氟化鈉等。
其他添加劑:
在化學鍍鎳溶液中,有時鍍件表面上連續產生的氫氣泡會使底層產生條紋或麻點。加入一些表面活性劑有助於工件表面氣體的逸出,降低鍍層的孔隙率。常用的表面活性劑有十二烷基硫酸鹽、十二烷基磺酸鹽和正辛基硫酸鈉等。
化學鍍技術特性
4、表面硬度高:經本技術處理後,金屬表面硬度可提高一倍以上,在鋼鐵及銅表面可達Hv 570。鍍層經熱處理後硬度達Hv 1000,工模具鍍膜後一般壽命提高3倍以上。
5、結合強度大:本技術處理後的合金層與金屬基件結合強度增大,一般在350-400Mpa條件下不起皮、不脱落、無氣泡,與鋁的結合強度可達102-241Mpa。
8、低電阻,可焊性好。
9、耐高温:該催化合金層熔點為850-890度。
化學鍍適鍍基材
化學鍍合金性能
(國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心檢測)
按GB10125-1997標準規定進行測試,時間為96小時,Nacl濃度50g/l,pH值:6.5-7.2,温度:35,按GB6464-86規定評定防護等級,可達9級。
密 度:7.9g/cm3 熔 點:860-880℃
硬 度:鍍態:Hv500-550(45-48RCH) 熱處理後:Hv1000
結合力:400MPa,遠高於電鍍
內應力:鋼上內應力低於7Mpa
化學鍍技術應用
鋁或鋼材料這類非貴金屬基底可以用化學鍍鎳技術防護,並可避免用難以加工的不鏽鋼來提高它們的表面性質。比較軟的、不耐磨的基底可以用化學鍍鎳賦予堅硬耐磨的表面。在許多情況下,用化學鍍鎳代替鍍硬鉻有許多優點。特別對內部鍍層和鍍複雜形狀的零件,以及硬鉻層需要鍍後機械加工的情況。一些基底使用化學鍍鎳可使之容易釺焊或改善它們的表面性質。
1.化學鍍鎳由於化學鍍鎳層具有優良的均勻性、硬度、耐磨和耐蝕等綜合物理化學性能,該項技術在國外已經得到廣泛應用。化學鍍鎳在各個工業中應用的比例大致如下:航空航天工業:9%;汽車工業:5%;電子計算機工業:15%;食品工業:5%;機械工業:15%;核工業:2%;石油化工:10%;塑料工業:5%;電力輸送:3%;印刷工業:3%;閥門製造業:17%;其他:11%。
2.化學鍍鎳合金
(4)鎳-B-W硬度HV800,電子模具,觸點材料等。
3.化學鍍銀主要用於電子部件的焊接點、印製線路板,以提高製品的耐蝕性和導電性能。還廣泛用於各種裝飾品,如裝配杯、高級旅行保温杯、扣件等。鈹青銅在通訊行業應用廣泛,為進一步提高鈹青銅彈性的導電性,可在鈹青銅上鍍銀。
化學鍍其他應用
非導體可以用化學鍍鎳鍍一種或幾種金屬,在裝飾和功能(例如電磁干擾屏蔽)兩方面部重要。在許多場合下,許多工程塑料已考慮作為金屬的代用品。其中有些具有良好的耐高温性能。所有這些塑料都比金屬輕,而且更耐腐蝕,其中包括聚碳酸脂、聚芳基酮醚、聚醚酰亞胺樹脂等。需要導電性或電屏蔽的場合,塑料需要金屬化,可用化學鍍鎳達到這個目的。
尼龍表面化學鍍
如尼龍表面化學鍍鎳、銀、銅用來代替金屬或裝飾;採用化學鍍的新工藝將純銀鍍敷在特殊的尼龍基布上,使尼龍布具有良好的防電磁輻射性能。
塑料工件表面裝飾鍍
.如鈕釦、車輛上的扣件、防護板等。採用化學鍍既簡單又方便,能滿足市場的需要。
化學浸鍍銅
化學鍍在中國
80年代,歐美等工業化國家在化學鍍技術的研究,開發和應用得到了飛躍發展,平均每年有15–20%表面處理技術轉為使用化學鍍技術,使金屬表面得到更大的發展,並促使化學鍍技術進入成熟時期。為了滿足複雜的工藝要求,解決更尖端的技術難題,化學鍍技術不斷髮展,引入多種合金鍍層的化學複合技術,即三元化學鍍或多元化學鍍技術,得到了一些成果。
例如在Ni-P(鎳—磷)鍍層中,引入SiC或PTFE的複合鍍層比單一的Ni-P鍍層有更佳的耐磨性及自潤滑性能。在Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入金屬鎢,使到Ni-W-P(鎳—鎢—磷)鍍層進一步提高硬度,在耐磨性能方面得到很好的效果。
有Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入銅,使Ni-Cu-P鍍層較好的耐蝕性能。還有Ni-Fe-p(鎳—鐵—磷)、Ni-Co-p(鎳—鈷—磷)、Ni-Mo-p(鎳—鉬—磷)等鍍層在電腦硬碟及磁聲記錄系統中及感測器薄膜電子方面得到廣泛的應用。
化學鍍技術由於工藝本身的特點和優異性能,用途相當廣泛。中國在80年代才開始在化學鍍方面進行探討,國家在1992年分佈了國家標準(GB/T13913——92),稱之為自催化鎳——磷鍍層。中國已將化學鍍技術廣泛用在汽車工業、石油化工行業、機械電子、紡織、印刷、食品機械、航空航太、軍事工業等各種行業,由於電子電腦、通訊等高科技產品的應用和迅速發展,為化學鍍提供了廣闊的市場。
2000年以後,一方面由於國家注重環保,另一方面中國的工業發展了對金屬表面處理要求提高了,加快了化學鍍這一技術的發展,國家的高新技術目錄也新增了化學鍍。化學鍍雖然在中國的起步比較晚,但近年發展相當快,有些性能的技術指標完全可以與歐美的化學鍍媲美,加上價格低、適應中國企業的工藝流程,發展前景備受注目。
目前中國化學鍍研究在北方,推廣應用主要在廣東。在廣東應用化學鍍的企業佔全國三分之一以上,其中一些上規模的企業,技術和價格具有相當的競爭力。
化學鍍研究進展
近年來,世界發達國家利用化學鍍工藝技術進行材料表面鍍覆平均每年以12%-15% 的速度遞增。起初化學鍍只限於鍍覆鎳、銅和金,它們佔表面鍍覆的半數以上。後來隨着化學鍍技術的優越性逐漸被人們認識,研究和發展了鈀、鉑、銀、鈷等的化學鍍工藝技術,並已經逐步工業化。現在多元合金、複合材料的化學鍍,無論從種類範圍和鍍覆規模都在大力開發之中。雖然我國起步較晚,但也處於迅速發展階化學鍍中,金屬的沉積和在基底表面上的鍍覆過程不同於電鍍,工藝過程無需外界供給電能,而是依賴於鍍液中發生的氧化還原反應將欲鍍覆金屬離子還原為單質而沉積在基底表面。鍍層的性質與化學鍍液的組成、配方、化學鍍的工藝條件,以及鍍層的化學組成和微觀結構等均有密切的關係。化學鍍層具有高的緻密度、薄厚均一,具有良好的抗腐蝕性和耐磨損、好的可焊性、高的硬度、低的摩擦係數。根據需要的不同,可以分別鍍覆出具有非磁性的磁性的鍍層。鑑於它有眾多的優越性,在發達國家中,化學鍍工藝技術已經滲透工農業生產和高科技的各個領域,應用十分廣泛。我國隨着經濟建設的高速度發展,化學鍍也在各個領域逐步發展;如塑料的化學鍍、電子工業中陶瓷化學鍍鎳電容器,石油儀器製造工業中化學鍍鎳內襯、耐酸泵中的耐酸部件及耐腐蝕的閥門等。
化學鍍工藝的形成與理論的完善也只有近20-30 年的歷史。它的問世追溯於1946 年美國電化學協會(AES)第34 屆年會上Abneor 和Grace Riddell 報告了他們在電鍍鎳時,為了避免惰性陽極發生氧化而在鍍槽內加入還原劑次亞磷酸鈉後,發現陰極沉積的鎳量多於按照法拉第(M. Faraday)電解定律所計算的,一年以後的另一次年會上,他們首次較全面地報告了利用還原劑還原鎳離子的化學方法鍍覆鎳時,温度、鍍液的化學組成、pH 值等各種參數與所得鍍覆層組成間的關係。此後,該領域新觀點、新工藝不斷湧現,由此也產生了許多專利。為了區別於電鍍而將該工藝起名為化學鍍或無電鍍、自催化鍍(electroless plating, auto-catalytic chemical plating)。化學鍍逐步達到和電鍍並駕齊驅,兩種工藝技術相輔相成。
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- 參考資料
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- 1. 金屬鎢塗層製備工藝的研究進展 .桑堯熱噴塗網.2012-11-16[引用日期2012-11-20]
- 2. 化學鍍技術研究進展 .高分子實驗室[引用日期2013-01-11]
- 3. 化學鍍 .911查詢[引用日期2021-07-06]