化学镀镍工艺的基本原理、操作与未来发展趋势

化学镀镍工艺的基本原理、操作与未来发展趋势

概括：

本文综述了化学镀镍的基本原理及工艺流程。镀液稳定性的测定、钢、铜基体化学镀镍、钢、铜工件的前处理、镀层检测（包括外观、孔隙率、耐蚀性、厚度、结合强度、脆性、硬度及组织结构的检测分析等）、废液处理（化学沉淀法）；了解镀液的调整与维护、不良镀层的去除方法、故障分析及排除方法：基本掌握化学镀镍的实际工艺生产，懂得用化学镀镍的基本理论讲解化学镀镍工艺，了解化学镀镍未来的发展趋势及开发新工艺的途径。

1.理论概述

化学镀是不依靠外加电流，只依靠镀液中的还原剂进行氧化还原反应，在金属表面催化作用下，金属离子不断沉积在金属表面的过程。由于化学镀必须在具有自催化性质的材料表面进行，所以化学镀又称为“自催化镀”。以置换反应或其他化学反应代替自催化还原反应而获得金属镀层的方法不能称为化学镀。化学镀是一种不需要通电的方法，它是根据氧化还原反应的原理，利用含有金属离子的溶液中的强还原剂，将金属离子还原为金属，沉积在各种材料表面，形成致密的镀层。化学镀常用溶液有：化学镀银、化学镀镍、化学镀铜、化学镀钴、化学镀镍磷溶液、化学镀镍磷硼溶液等。

化学镀镍是利用还原剂将溶液中的镍离子还原，沉积在有催化活性的表面上。化学镀镍可采用多种还原剂，目前工业上最常用的化学镀镍工艺是以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍工艺，普遍接受的反应机理为“原子氢理论”和“氢化物理论”。

化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简单、节能环保等优点越来越受到人们的重视。化学镀应用范围广泛，镀金层均匀，装饰性强。在防护性能方面，可提高产品的耐腐蚀性能和使用寿命；在功能性方面，可提高被加工件的耐磨性、导电性、润滑性等特殊功能，从而成为世界范围内表面处理技术的一大发展方向。

化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控的氧化还原反应沉积金属的工艺过程。化学镀技术与电镀相比，具有镀层均匀、针孔小、不需要直流电源设备、沉积在非导体上以及具有某些特殊性能等特点。另外，由于化学镀技术废液排放量少、环境污染小、成本低，已在许多领域逐渐取代电镀，成为一种环境友好的表面处理工艺。目前，化学镀技术已广泛应用于电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等行业。

化学镀镍技术在微电子器件制造行业中的应用发展迅速。据悉，施乐公司在超大规模集成电路多层芯片的互连及通孔填孔整平工艺中，采用了选择性镍磷合金化学镀技术；其产品通过了剪切强度、抗拉强度、高低温循环及各种电性能的试验。实践表明，化学镀镍技术的应用提高了微电子器件制造工艺的技术经济性和产品的可靠性。

2.项目实施方案

（1）镀液的制备

电镀液组成及工艺条件

硫酸镍（NiSO4·7H2O）/g·L-1

次磷酸钠(·H2O)/g·L-1

乙酸钠（）/g·L-1

丙酸（）/g·L-1

乳酸（）/g·L-1

硫脲/mg.L-126

二十八

10

33

pH

温度/℃

沉积速率/μm·h-14.5

85

（2）镀液稳定性检测

化学镀液的稳定性用煮沸法测定，将200ml化学镀镍液放在电炉上煮沸一定时间，观察镀液是否分解，若煮沸30分钟不分解，则说明镀液稳定性好，反之则说明镀液稳定性差。

镀液起始温度为60℃，镀层表面亮度为三级（半光亮），镀层结合力良好；耐蚀性为30~180s；孔隙率16cm²；经化学沉淀法处理后，过滤水为无色。镀液温度由低温逐渐升高，当镀液加热到一定温度后，将配制好的铁样放入镀液中，若有反应（有气泡溢出），说明在此温度下化学镀反应已经开始，此温度为起始温度。本项目加热温度分为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃四个等级。

（3）样品表面预处理

用砂纸打磨钢板、铜板，除去表面的氧化物等杂质。

（4）化学镀镍

试样制备—机械抛光—有机溶剂脱脂—化学脱脂—热水洗—冷水洗—活化—冷水洗—去离子水洗—化学镀镍—水洗—干燥

（5）涂层性能测试

电镀性能：金属零件电镀层的外观检查是最基本、最常用的检查方法。外观不合格的镀件，不需要再进行其他项目的检测。检查时采用目视观察，按外观可将镀件分为合格、不良、废品三类。外观不良包括针孔、麻点、瘤、起皮、起泡、脱落、阴阳边、斑点、烧焦、阴影、树枝状和海绵状河床等缺陷，以及应镀而未镀的部位。

涂层表面缺陷检测

缺陷种类及特征：涂层表面不允许有针孔、麻点、起皮、毛刺、气泡、斑点、瘤子、阴阳面、雾状、烧焦、树枝状、海绵状涂层等缺陷，检查时应严格区分，下面就它们的特点作一下目测评定的简单介绍。

涂层孔隙率检测

镀层耐腐蚀试验

（6）废水处理（化学沉淀法）

计量废液 → 加热 → 加入15%氢氧化钠至废液pH为10~12 → 搅拌保温1小时 → 加入沉淀剂 → 过滤 → 温度降至50摄氏度，用稀硫酸调节溶液pH为-8.0 → 加入Ca(ClO)2粉末（W次氯酸钙：W总p=3.5：1.0的比例）→ 搅拌2小时 → 加入适量沉淀剂 → 沉淀，过滤。

化学沉淀法是处理含重金属废水常用的方法，用烧碱、石灰、纯碱调节陈化液pH大于8，可生成Ni(OH)2，静置后分离沉淀物，达到除去陈化液中镍的目的。此外，硫化亚铁、不溶性淀粉黄原酸酯(ISX)等也可作为沉淀剂用于含镍废水的处理。以上研究通常处理镍浓度小于500/mgL-1的含镍废水。化学镀镍陈化液中的磷可用化学氧化沉淀法处理，即用高锰酸钾、过氧化氢等氧化剂破坏镀液中的铬络合物，将次磷酸盐氧化为磷酸盐，再用沉淀剂将磷酸盐沉淀出来，从而减少废水中的总磷排放量。 化学沉淀处理含镍、磷废水会产生大量沉积物，若处理不当会造成二次污染，目前对这些沉积物除填埋外，尚无更好的处理方法。

化学镀镍的性能优点：

1. 涂层亮度

与泛黄的电镀镍相比，化学镀镍层大多呈银白色，抗变色性能优良，能较长时间保持光亮。对于镍磷化学镀，随着磷含量的增加，镀层光亮性也随之提高。在化学镀液中加入一定量的光亮剂后，镀层的反射率可达80%以上。近来的研究表明，化学镀镍铜磷合金具有良好的光亮性和更强的抗变色性能。

2. 涂层硬度

电镀硬铬层硬度为960HV，加热后硬度急剧下降。化学镀镍层经400℃×1h热处理后硬度可达960HV，且从室温到400℃镀层硬度变化不大。因此，化学镀镍层为耐热镀层，适用于摩擦生热的场合，而电镀硬铬层只能在室温下使用。

3.耐磨性

对于中、高磷涂层，经过适当的热处理后，镍磷合金涂层具有较好的自润滑性能，而低磷涂层的硬度较高。但磨损性能试验证明，高磷涂层的耐磨性高于低磷合金涂层。为了提高镍磷涂层的耐磨性，在镍磷涂层中添加了硬度极高的W，形成三元合金涂层，其耐磨性大大提高。

4.耐腐蚀

化学镀镍层为均匀的非晶态组织，不存在晶界、位错、堆垛层错等缺陷，与基体结合紧密，腐蚀介质很难通过结合界面对基体金属产生腐蚀，其耐蚀性比电镀铬好。另外，化学镀镍层几乎不受海水、盐水、淡水的腐蚀，在HCL和硫酸中的耐蚀性比不锈钢好，能耐多种介质的腐蚀，如高浓度烧碱、硫化氢、乳酸等。

5.可焊性

化学镀镍在电子工业中的应用主要是在分立器件上，这不仅要求镀层有良好的耐磨、耐腐蚀和电接触性能，而且要求镀层有良好的可焊性。例如发电机中的铝散热片的可焊性较差，若在铝基体表面镀上一层7-8um的化学镀镍层，可改善其可焊性，解决了铝散热片与晶体管之间的连接问题。此外，化学镀镍还可用于潜艇的高能微波器件、连接器、通讯部件等。一般采用扩展面积法测量化学镀镍层的可焊性，即在镀层表面放置φ1.5mm的焊锡丝，在400℃、氢氮混合气体下加热30分钟，测量扩展面积，即可得到镀层可焊性与磷含量的关系。扩散面积越大，镀层的可焊性越好。

设备

双孔恒温水浴锅一台、100mL烧杯4个、200mL烧杯3个、500mL烧杯1个、10mL、50mL量筒各1个、0.001g(或0.0001g)电子天平1台、0.2克天平1台、千分尺1把、pH计1把、1000瓦电炉1台、温度计2支、水洗瓶1个、镊子一套、滤纸、铁架台及铁圈1个、玻璃漏斗1个、玻璃棒1根、药匙1把、半自动滴定管1个、移液器1个、耳球1个、试管刷1把、防酸手套1副、锯条1条、砂纸半张(100号～800号)、1号干电池4节。

药物：铵紫红酸、氯化钠、氢氧化钠、EDTA、碳酸钠、磷酸钠、OP-10、盐酸、硫酸、硝酸、硫酸镍、次磷酸钠、丙酸、乙酸钠、乳酸、十二烷基硫酸钠、硫脲、亚铁氰化钾、氢氧化钙、过氧化氢、钨酸钠、聚合氯化铝等助凝剂，以及多种钢和铜样品。

综上所述

概述了化学镀镍的基本原理及工艺流程，对化学镀镍溶液的稳定性、起始温度进行了试验。在钢铁、铜材样品表面进行了化学镀镍试验，测试了化学镀镍层的外观、孔隙率、耐蚀性、厚度、结合强度、脆性、硬度等性能。采用化学沉淀法对化学镀镍废液进行了处理。实验过程及结果表明，本实验所采用的化学镀镍溶液具有优良的稳定性，即使煮沸30分钟也不会分解。

参考

[1]黄元生，电镀与化学镀技术，化学工业出版社，2009。

[2] 百度百科

[3] 谷歌