化学镀镍原理及应用：表面处理技术的发展与应用

化学镀镍原理及应用：表面处理技术的发展与应用

化学镀镍及其原理 类别： 1 化学镀镍 2 化学镀镍 3 化学镀镍的化学反应 4 化学镀镍的热力学 5 化学镀镍关键技术 6 化学镀镍应注意的问题 7 化学镀镍的应用 A 化学镀 摘要： 化学镀是一种新型的金属表面处理技术，以其工艺简单、节能环保等特点受到越来越多的关注。化学镀用途广泛，镀金层均匀，装饰性好。在防护性能方面，可以提高产品的耐腐蚀性和使用寿命;在功能性方面，它可以提高加工零件的耐磨性、导电性、润滑性等特殊功能，因此已成为世界范围内表面处理技术的发展。细节： 化学镀 [1]（ ） 也称为化学镀或自催化镀（Auto-），它是一种电镀方法，它是一种电镀方法，它借助合适的还原剂将其还原为金属，并在没有外部电流的情况下将其沉积在零件表面。化学镀是在金属的催化作用下，通过受控氧化还原反应沉积金属的过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、无需直流电源设备、在非导体上沉积等一些特殊性能等特点。此外，由于化学镀技术废液排放量少、环境污染小、成本低等特点，电镀在许多领域已逐渐取代电镀，成为一种环保的表面处理工艺。

目前，化学电镀技术已在电子、阀门制造、机械、石化、汽车、航空航天等行业得到广泛应用。化学浸镀（简称化学镀）技术的原理是：化学镀是一种不需要电的方法，根据氧化还原反应的原理，利用强还原剂将金属离子还原成含有金属离子的溶液中的金属离子，并将它们沉积在各种材料的表面，形成致密的涂层。化学镀常用解决方案：化学镀银、镀镍、镀铜、镀钴、镀镍磷、镀镍磷硼等。目前，以亚磷酸酯为还原剂的化学镀镍自催化沉积反应已被提出为“原子氢态理论”、“氢化物理论”和“电化学理论”。在这些理论中，被广泛认可的是“原子氢态理论”。二、化学镀镍概念：通过电解或化学方法在金属或某些非金属上镀上一层镍的方法称为镀镍。镀镍分为电镀镍镀镍和化学镀镍。镀镍是在电解液中由镍盐（称为主盐）、导电盐、pH缓冲剂、润湿剂、金属镍作为阳极、阴极镀层的部件，通过直流电，在阴极（镀层部件）上沉积出均匀、致密的镀镍层。 光亮镍是从含有光亮剂的电镀溶液中获得的，而暗镍是从不含光亮剂的电解质中获得的。化学镀镍是通过与金属盐和还原剂在溶液中发生自催化反应，在材料表面获得镀镍层的方法。

经过多年的不断探索和研究，化学镀镍在近几年中已经发展得极其成熟。例如，Q/YS.602（义顺）化学镀镍水适用于几乎所有金属表面的镀镍。如：钢镀镍、不锈钢镀镍、铝镀镍、铜镀镍等，也适用于非金属表面的镀镍。例如：陶瓷用镀镍、玻璃用镀镍、金刚石用镀镍、碳片用镀镍、塑料用镀镍、树脂用镀镍等。使用范围非常广泛。化学镀镍的历史与电镀相比相对较短，其在国外真正应用于工业界只是在70年代末和80年代初。1844 年，A. Wurtz 发现镍可以通过次磷酸盐从镍盐的水溶液中沉积出来。化学镀镍技术的真正发现及其至今的应用，是在1944年，当时美国国家标准局的A.和G.做出了发现，阐明了形成涂层的催化性能，发现了沉积非粉化镍的方法，使化学镀镍技术在工业上的应用成为可能。然而，当时的化学镀镍溶液极不稳定，因此在严格意义上没有实用价值。化学镀镍工艺的应用比实验室研究的结果晚了近十年。二战后，美国通用运输公司对这一过程产生了兴趣，他们想运输烧碱筒内表面镀镍，这是普通电镀方法无法达到的，五年后他们研究开发了化学镍磷合金技术，并公布了多项专利。

1955 年，他们建立了第一条试验线，并生产了一种商业上有用的化学镀镍溶液，在商业上被称为“化学镀镍”。在国外，特别是美国、日本和德国，化学镀镍已经成为一种非常成熟的高科技，并在各个工业部门得到了广泛的应用。我国化学镀镍工业生产起步较晚，但近年来发展十分迅速，不仅发表了大量论文，还召开了全国性的化学镀大会，据第五届化学镀年会发表的文章统计有300多家厂家，但这个数字在当时应该是极其保守的。据估计，国内化学镀镍市场总规模应在每年300亿元左右，并将以每年10%~15%的速度发展。3. 化学镀镍中的化学反应 目前，化学镀镍（镍磷合金）的沉积机理有四种，即原子氢理论、氢化物输运理论、电化学理论和羟基镍离子配位理论。最被接受的是原子氢理论：1化学镀镍液加热后，在催化作用下，次磷酸盐脱氢生成亚磷酸盐，同时析出初级生态原氢2次生态原子氢吸附在催化金属表面使其活化， 使溶液中的镍阳离子减少，金属镍沉积在催化金属表面：Ni2++2[H]-→Ni+2H↑3催化金属表面的初级原子氢将次磷酸盐还原为磷;同时，由于催化作用，亚磷酸盐分解生成亚磷酸;其原子态的氢也会被合成成氢并释放出来：H+ + H- → H2+ 总反应为：Ni2+ + H2PO2- + H2O → HPO3 2 - +3H+ + Ni 4 镍原子和磷原子共沉积形成镍磷合金层：Ni + P → NI -P 合金（固溶体或非晶态） IV.化学镀镍的热力学 化学镀起源于化学镀镍。

化学镀镍已有66年的历史，但作为一项高新技术，它仍然是国内外的研究热点。化学镀镍液的基本成分由主盐（镍盐）、还原剂、络合剂、缓冲剂和稳定剂组成。化学镀反应的必要条件是还原剂在镀液中的氧化电位必须低于氧化剂的氧化电位（N i2+），满足此条件常用的还原剂有次磷酸钠、肼、氨基硼烷和硼氢化钠。 络合剂是电镀液中除主要盐和还原剂外最重要的成分，其主要功能是在电镀液中形成镍络合物，降低游离镍离子的浓度，稳定电镀液，抑制氢氧化镍和亚磷酸镍沉淀的析出，并保持电镀液一定的沉积速率和较长的周期。络合反应能否在目标方向上自发进行，对整个化学镀工艺的顺利进行起着关键作用。 因此，络合反应的热力学研究对化学镀镍工艺的理论和实践具有重要意义。化学镀镍中多种有机酸络合反应的热力学模型和分析仅在文献[8]中报道。然而，该文献的一个缺点是，不同酸离子数（n = 1， 2， 3）的有机酸络合反应的热力学模型是单独建立的，而不是通用模型，这使得模型数量众多，使用不便。其次，在模型的计算中没有考虑反应物和产物浓度对Gibbs自由能G值和镀液pH值（当G 0时）的影响，这使得计算误差较大。 （3）未系统地计算和分析模型中相关参数对G值的影响。

针对上述缺点，以热力学函数吉布斯自由能（G）为判据，以次磷酸钠为还原剂，以单乳酸、二元酸琥珀酸、三元酸硼酸和季盐酸焦磷酸为例，建立了N-元酸与镍盐络合反应的热力学通用模型， 重点分析了pH值、温度、络合比和络合剂类型对化学镀镍络合反应热力学过程的影响。 在化学镀镍过程中，n元素酸络合剂和镍盐之和，G值在热力学配位平衡中不仅与化学镀镍的工艺条件（如硫酸镍盐和络合剂的初始摩尔浓度[N i 2+]）、镀层温度T、 络合率X与N元酸x与电镀液的pH值有关，还与络合剂的种类有关（不同的络合剂具有不同的电离常数K和酸离子数n）。 但是，对于镀镍的化学反应，必须有以下步骤：反应物向表面扩散;在催化表面吸附;化学反应发生在催化表面;产品从表层解吸;根据化学动力学的基本原理，这些步骤中最慢的是整个沉积反应的控制步骤。 5、化学镀镍关键技术 （1）化学镀镍液可循环再利用，可节省大量镍盐等成分。此外，连续使用还可以大大减少镀镍废水的排放，对于提高经济效益和保护环境具有重要意义。

（2）与新镀液相比，旧镀液在镀层过程中pH值的下降有所减少，镀层中的P含量也有所下降。这可能是由于随着pH值的调节，电镀液的缓冲能力增加，并且随着电镀次数的增加，旧电镀液的镍盐利用率逐渐提高，电镀速度的提高也更快，劳动生产率也会相应提高， 在相同条件下，所得镀层的外观比新的镀液更好。 （3）镀液的离子浓度。遇到的第一个问题是电镀部分的面积大，所需的电镀液体积过大。镀液中镀液中不同位置的Ni离子浓度不均匀：靠近镀层表面，因为Ni经过化学反应形成镍磷合金涂层，粘附在设备表面，所以镀层周围的镀液离子浓度低;在其他地方，电镀液的离子浓度高，这使得生产中难以检测和控制。为此目的，已经进行了一些试验。开始试验，将镀件平放在电镀槽底部，电镀液在热交换器管内的流动是强制性的，将热交换器的一端与头部密封，与循环水泵连接，并利用循环水泵的吸力带动电镀液在管内的流动。但是，由于镀液在镀管中的流速快，形成的NiP合金颗粒无法沉积在镀层表面，镀层部分的两端没有得到适当的镀层。后来发现，化学镀镍在反应过程中会产生大量的氢气，这些气体会自然地漂浮到水面，从而带动镀液的循环。

因此，换热器的一端升起，形成一定的倾角，反应过程中产生的气体在浮力作用下以一定的倾角倾斜，反应过程中产生的气体在浮力作用下以一定的倾角倾斜，反应过程中产生的气体在浮力工件的面积上较大， 而且反应激烈，产生的气体量巨大，使大量气泡的流动带动了镀液的流动，使镀液的换热器管内的这一端流向那一端，然后从换热器管的外部再循环到这一端， 形成一对流; 这样，电镀液的浓度是均匀的。6、化学镀镍中应注意的问题 与电镀相比，化学镀镍具有以下缺点：所用溶液的稳定性差，溶液的维护、调整和再生较为麻烦，材料成本较高。但是，化学镀镍得到的涂层是一种非晶态镍磷合金，具有结晶细小、孔隙率低、硬度高、涂层厚度均匀、焊接性好、镀液深镀能力好、化学稳定性高等特点。1、镀镍液的离子浓度应均匀。由于颗粒浓度的差异，最终镀层物体的两端没有镀层，因此应加强镀液的整体对流，采用循环水泵抽水的方法，将镀液从镀槽的这一端抽出，另一端流入， 且方向与化学镀反应自动形成的对流循环方向一致，加强了镀槽中镀液的整体流动性，使镀液中的离子浓度分布更加均匀。2.镀镍面积问题 由于镀层部件大，液态较多，所以化学反应不易控制，因此生产的镀层产品容易形成阴阳面，这是指镀层的上表面和下表面的镀层亮度、致密度和孔隙率不一致： 涂层上表面粗糙，金属颗粒大，孔隙率高，容易生锈;下表面手感光滑，孔隙率低，致密性好。

造成这种现象的原因有很多，在后来的生产中通过各种措施得到了改善。用于准备桑拿房的水得到了改善，自来水已被加热到90°C并沉淀的水所取代。由于使用了水龙头降水。如果在镀液中产生这种颗粒，随着它的产生，颗粒的表面具有很大的表面活性和能量，可以起到有效的催化作用，使Ni和（H2PO2）在其表面发生化学反应，生成NiP合金的小颗粒，从而产生沉积，小颗粒在镀液中漂浮和生长， 然后沉积在镀层部分的上表面。 3 渡槽的衬里材料应及时更换 原来的镀槽是橡胶衬里，使用一段时间后会自然老化。考虑到橡胶成本高，在实验室将847涂层涂层部件与电镀液煮沸，连续煮沸36小时后，847涂层无溶出变化。 因此，在浴缸内部涂上了847涂料，而不是橡胶衬里。但是，使用847涂料作为衬里需要高温烘烤和固化，工艺复杂且麻烦。因此，在另一次测试之后，改用了 901 涂层。七、化学镀镍的应用 航空航天工业 航空航天工业是化学镀的主要用户之一 比较突出的应用有： 文学 面积 价格 邵 美国 奥克霍马航空中心 197 9， 西北航空公司 自1983年以来的空前发展，使净镀层厚度增加了27至75微米，以防止气体腐蚀， 其疲劳强度与电镀铬镀相比降低25%，化学镀镍表面耐腐蚀、耐磨。

化学镀镍在航空航天中起着重要作用。在汽车工业中，使用乙醇和汽油等燃料混合物会引起燃油系统的腐蚀，应用化学镀镍技术保护锌和镀镍已成为汽化器的一种保护手段。汽车工业利用非常均匀的化学镀镍层，在形状复杂的零件上镀镍保护可以提供良好的抗燃料腐蚀和耐磨性。化学镀镍可防止注射器磨损，提高可靠性和使用寿命。化学工业 化学工业采用化学镀镍技术替代昂贵的耐腐蚀合金来解决问题，以期提高化学纯度和环境，提高操作安全性和生产运输可靠性，获得有利的技术和经济竞争力。油气油田采油和输油管道设备广泛采用化学镀镍技术，可使泵筒体变成一个整体，显著提高泵的质量，降低生产成本。食品加工业 目前，食品包装机械中不与食品直接接触的部件是化学镀镍在食品加工中的重要应用。 在采矿业中，高压泵和喷射喷嘴用于一些露天采矿生产，这些生产中的腐蚀和侵蚀相当严重，而耐腐蚀的化学镀镍可防止机械部件过早损坏。请介绍以下信息： 我对化学核心素养的理解，在一定程度上指明了新形势下化学的教学目标和教育要求，将化学知识转化为解决生活、工作和学习中具体问题的具体能力。在我看来，化学的核心素养主要包括五个方面：巨集观察与微观探索、变化概念与均衡思维、证据推理与模型认知、科学研究与创新、科学精神与社会责任。这种不可能性的内容如下：一是巨集观察和微观探索，旨在引导学生全方位、多层次、多角度认识物质的多样性，从而有效地对物质进行分类;旨在从元素中引导学生，