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合肥開爾納米能源科技股份有限公司—官網
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化學鍍的特點、原理及應用

一、 特點 

 化學鍍就是在不通電的情況下,利用氧化還原反應在具有催化表面的鍍件 上,獲得金屬合金的方法。它是新近發展起來的一門新技術。美、英、日、德等 國,其工業產值正以每年 15%的速度遞增。它廣泛地應用于機械、電子、塑料、 模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工業部門,是一項很有發展前 途的高新技術之一。其特點如下: 

1、表面硬度高,耐磨性能好: 

其表面硬度可在 Hv0.1 =550-1100kg/mm(相當于 HRc =55-72)的范圍內任 意控制選擇。處理后的機械部件,耐磨性能好,使用壽命長,一般可提高 3-4 倍,有的可達 8 倍以上。 

2、硬化層的厚度極其均勻,處理部件不受形狀限制,不變形。特別適用于形狀復雜、深盲孔及精度要求高的細小   及大型部件的表面強化處理。 

3、具有優良的抗腐蝕性能: 

它在許多酸、堿、鹽、氨和海水中具有很好的耐蝕性,其耐蝕性比不銹鋼要 優越得多,如表(1)所示。 

(1)Ni-12P 合金鍍層在下列介質中的腐蝕速率 

4、處理后的部件,表面光潔度高,表面光亮,不需重新機械加工和拋光, 即可直接裝機使用。 

5、鍍層與基體的結合力高,不易剝落,其結合力比電鍍硬鉻和離子鍍要高。

6、可處理的基體材料廣泛: 可處理材料有各種模具合金鋼、不銹鋼、銅、鋁、鋅、鈦、塑料、尼龍、玻璃、橡   膠、粉末、木頭等。

 

二、 化學鍍鎳的分類 

(一)所有化學沉積法可以分成三類(廣義分類):

1.置換鍍(離子交換或電荷交換沉積): 一種金屬浸在第二種金屬的金屬鹽溶液中,第一種金屬的表面上發生局部溶解,同時在其表面自發沉積上第二種金屬。在離子交換情況下,基底金屬本身就 是還原劑。使用最廣泛的基底金屬(Me1)是銅、鐵和鎳,而用得最多的鍍層金屬(Me2) 則是金和銅。如將一只鐵釘浸在硫酸銅溶液中,鐵釘上就鍍上薄薄一層銅。但它 的實際應用是有限的,因為基底金屬的表面一旦被溶液中的金屬(Me2)覆蓋, 過程馬上停止。所以其最大厚度是很小的,而且結合力沒有真正的化學鍍那么好。 由于鍍層質量差,厚度有限,所以應用非常有限。 

2.接觸鍍:將欲鍍的金屬與另一種金屬或另一塊相同金屬接觸,并沉浸在沉積金屬的鹽 溶液中的沉積法。當欲鍍的導電基底表面與比溶液中待沉積的金屬更為活潑的金屬接觸時,便 構成接觸沉積。在基底和接觸金屬之間形成了原電池對,其中接觸金屬是陽極, 發生溶解,而欲鍍基底起陰極的作用,金屬便沉積到它的上面。此法與電沉積反 應相同,所不同的是電流來自化學反應,而不是由外電源提供。此法幾乎沒有實 用意義,但是,它對在無催化活性基底上引發化學沉積,起到“反應起動劑”的 作用上,具有重要意義。 

3.真正的化學鍍:從含有還原劑的溶液中沉積金屬。下面我們所提的化學 鍍鎳即為此種。 

(二)化學鍍鎳的分類:
1.按鍍液的 PH 值分類:有酸性、中性和堿性三類。

2.按沉積溫度分類:有低溫、中溫、高溫三類。

3.按合金成分分類:有低磷、中磷和高磷三類。

4.按所用還原劑分類:有 Ni-P、Ni-B 等。

 

三、 化學鍍鎳的原理 

 化學鍍鎳是利用鎳鹽溶液在強還原劑次亞磷酸鈉的作用下,使鎳離子還原成 金屬鎳,同時次亞磷酸鹽分解析出磷,因而在具有催化表面的鍍件上,獲得 NI-P 合金鍍層。關于其氧化-還原機理的解釋有許多理論論述。 

對于以次亞磷酸鹽還原鎳離子的總反應可以寫成:

3NaH2PO2+3H2O+NiSO4————3NaH2PO3+H2SO4+2H2+Ni (1)

同樣的反應可以寫成如下離子式:  

H2PO2-+Ni2++2H2O————2H2PO3-+H2+2H++Ni(2)

或寫成另一種形式:

Ni2++ H2PO2-+H2O————Ni+ H2PO3-+2H+ (3) 

所有這些反應都發生在催化活性表面上,需要外界提供能量,即在較高的溫度(60≤T≤95°C)下,除了金屬鎳之外,還形成分子氫。此外,形成的氫離子-使鍍液變得更加酸性,同時還生成亞磷酸離子 H 2PO3 。 

根據 G.古祖才特(G.Gutzeit)的理論,提出了如下的分部反應: 

H2PO2-+H2O ————H2PO3-+H++2H 吸附    (4) 

Ni2++2H 吸附——— Ni+2H+             (5) 

2H 吸附  ———— H2                          (6)

H2PO2-+H ————H2PO3-+H2             (7)

H2PO2-+H 吸附————H2O+OH-+P         (8)

3H2PO2-———— H2PO3- + H2O+2OH-+2P  (9)

 

 所有上述階段,實際上還有其它一些,在整個還原反應中是同時發生的。速 率取決于鍍液成分、PH 和溫度以及其他因素。

 從方程(5),(8),(9)可以看到,除了鎳以外,還形成磷,它與鎳一 起形成鍍層成分。因而用次亞磷酸鹽反應形成的化學鍍鎳層實際上是含 3-15%磷 的鎳磷合金。 

  同時也可看出上述反應過程包括幾個相互競爭著的氧化還原反應,它們是:

Ni2++H2PO-+H2O ————Ni+H2PO3-+2H+  (10)

H2PO-+H————H2O+OH-+P             (11)

H2PO2-+H2O————H2PO3-+H2              (12)

 這些競爭著的反應表明,如槽液溫度不變,那么 PH 值高,有助于式(10) 反應的進行,即是鎳的還原速度升高,磷的還原速度下降,得到鍍層其磷含量下 降;反之,PH 值低,有助于式(11)、(12)兩反應的進行,即鎳的還原速度 下降,磷還原速度升高,析氫量變大。

 

四、 化學鍍鎳鍍液 

1.鍍液的組成:
化學鍍鎳溶液的組成包括: 鎳離子,絡合劑、緩沖劑、加速劑、還原劑、穩定劑、濕潤劑、光亮劑、去應力劑、PH 調整劑等。

(1)鎳離子:為鍍層金屬的來源,主要有硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳、磺酸鎳等。

(2)絡合劑:形成鎳的絡合物或整合物,防止鎳離子濃度過量,從而穩定溶液,阻止亞磷酸鎳沉淀,還起 PH 值緩沖作   用。如羥基乙酸(乙醇酸)、氨基乙酸、乳酸、羥基丁二酸、檸檬酸、酒 酸及其鹽類。

(3)緩沖劑:長期控制 PH 值,使其穩定。如乙酸、乙酸鈉、硼酸等。

(4)加速劑:活化次亞磷酸鹽離子,加速沉積反應的進行。如某些 1-和 2-羧酸陰離子、氟化物、硼酸鹽等。

(5)還原劑:主要有次亞磷酸鈉,硼氫化鈉,二甲基胺硼烷,二乙基胺硼烷,聯氨等。 

(6)穩定劑:通過吸附遮敝催化活性核心,防止鍍液分解。如 Pb、Sn、鉬、 Cd 或鉈離子、硫尿等。 

(7)濕潤劑(表面活性劑):提高鍍件表面的浸潤性,如離子或非離子表 面活性劑。 

(8)光亮劑:增強化學鎳層的光亮度,提高裝飾效果。主要有丁炔二醇、 炔丙醇、 、 、 、 等。 

(9)去應力劑:降低鍍層的內應力(張應力),提高鍍層與基體的結合力。 如糖精等。 

(10)PH值調整劑:連續調整PH值。如HSO、HCl、NaOH、氨水等。 2.一些酸、堿性化學鎳槽液示例: 

(1)酸性槽液:
硫酸鎳:23g/l ,次亞磷酸鈉:18g/l ,乳酸:20g/l,
蘋果酸:15g/l ,Pb :1mg/l ,PH:5.2(NaOH 調節) 

溫度:85-90°C。

(2)堿性槽液: 

硫酸鎳:32 g/l ;次亞磷酸鈉:15 g/l ;檸檬酸鈉:84 g/l ; 氯化銨:50 g/l ;NHOH:60 g/l ;PH:9.3
溫度:89°C。

 

五、 化學鍍鎳的應用 

化學鍍鎳主要應用于下列幾種不同情況:(1)耐磨性;(2)耐蝕、耐熱性; (3)光亮性、脫模性;(4)潤滑性;(5)焊接性;(6)電磁及導電性;(7) 磨損或超差表面的加厚和修復等。如表(2)所示。

 表(2) 化學鍍鎳的應用范圍  

 


 

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