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钢和铜的化学镀镍

放大字体  缩小字体发布日期:2012-07-16  浏览次数:1132
核心提示: 本文总结了化学镀镍的基本原理、化学镀镍工艺。镀液稳定性的确定,钢和铜基体表面进行化学镀镍,钢和铜工件的前处理,镀层的检测(包括外观、孔隙率、耐蚀性、厚度、结合力、脆性、硬度和组织结构检测分析等),
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  摘要:

  本文总结了化学镀镍的基本原理、化学镀镍工艺。镀液稳定性的确定,钢和铜基体表面进行化学镀镍,钢和铜工件的前处理,镀层的检测(包括外观、孔隙率、耐蚀性、厚度、结合力、脆性、硬度和组织结构检测分析等),废液处理(化学沉淀法);了解镀液的调整与维护、不良镀层的退除方法、故障的分析与排除方法:基本掌握化学镀镍的工艺生产实际操作,懂得使用化学镀镍的基本理论对化学镀镍工艺进行解释,并对化学镀镍的未来发展趋势和开发新工艺的方式有所了解。

  1、 理论概述

  化学镀是不依赖外加电流,仅靠镀液中的还原剂进行氧化还原反应,在金属表面的催化作用下使金属离子不断沉积于金属表面的过程。由于化学镀必须在具有自催化性的材料表面专题进行,因而化学镀又称“自催化镀”。由置换反应或其他化学反应,而不是自催化还原反应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,依据氧化还原反应原理,利用强还原剂在含有金属离子的溶液中,将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。化学镀常用溶液:化学镀银、镀镍、镀铜、镀钴、镀镍磷液、镀镍磷硼液等。

  化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的表面上。化学镀镍可以选用多种还原剂,目前工业上应用最普遍的是以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍工艺,其反应机理普遍接受的是“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,该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。化学镀使用范围很广,镀金层均匀、装饰性好。在防护性能方面,能提高产品的耐蚀性和使用寿命;在功能性方面,能提高加工件的耐磨导电性、润滑性能等特殊功能,因而成为全世界表面处理技术的一个发展。

  化学镀技术是在金属的催化作用下,通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比,化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。另外,由于化学镀技术废液排放少,对环境污染小以及成本较低,在许多领域已逐步取代电镀,成为一种环保型的表面处理工艺。目前,化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。

  化学镀镍技术在微电子器件制造业中应用的增长十分迅速。据报导施乐公司在超大规模集成电路多层芯片的互连和导通孔(via-hole)的充填整平化工艺中,采用了选择性的镍磷合金化学镀技术;其产品均通过了抗剪切强度、抗拉强度、高低温循环和各项电性能的试验。实践说明,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、项目开展方案

  (1)镀液的配制

  镀液组成及工艺条件含量

  硫酸镍(NiSO4·7H2O)/g· L-1

  次磷酸钠(NaH2PO2·H2O)/g· L-1

  醋酸钠(CH3COOHNa)/g· L-1

  丙酸(CH3CH2COOH)/g· L-1

  乳酸(C3H6O3)/g· L-1

  硫尿/mg.L-126

  28

  10

  2

  33

  4

  pH值

  温度/℃

  沉积速度/μm·h-14.5

  85

  (2)镀液稳定性的检测

  通过煎沸法测量化学镀液的稳定性,把200亳升的化学镀镍液放在电炉上煎沸,沸腾一定时间,考察镀液是否分解。煎沸30分钟也不分解,则说明镀液的稳定性好。否则,镀液的稳定性差。

  镀液的起镀温度为60℃。镀层表面光亮度三级(半光亮),镀层的附着力好;耐蚀性30~180s;孔隙率16cm²;使用化学沉淀法处理后,过滤出的水是无色的。从低温逐渐提高镀液温度,当镀液加热到某一温度时,把制好的铁试样放进镀液中,如果有反应(有气泡外溢),则说明在该温度已经开始发生化学镀反应,该温度即为起镀温度。本项目,加热温度分为四个档次50℃、60℃、70℃、80℃、90℃。

  (3)样品表面的预处理

  用沙布把钢,铜片进行抛光处理,以除去其表面氧化物等杂质

  (4)化学镀镍

  样品准备——机械抛光——有机溶剂除油——化学除油——热水洗——冷水洗——活化——冷水洗——去离子水洗——化学镀镍——水洗——吹干

  (5)镀层性能检测

  镀层性能:金属零件电镀层的外观检验是最基本﹐最常用的检验方。外观不合格的镀件就无需进行其它项目的测试。检验时用目力观察﹐按照外观可将镀件分为合格的﹑有缺陷的和废品三类。外观不良包括有针孔﹐麻点﹐起瘤﹑起皮﹑起泡﹑脱落﹑阴阳面﹑斑点﹑烧焦﹑暗影﹑树枝状和海绵状江沉积层以及应当镀覆而没有镀覆的部位等缺陷。

  镀层表面缺陷检测

  缺陷类型及特征:镀层表面不允许有针孔、麻点、起皮、毛刺、起泡、斑点、起瘤、阴阳面、雾状、烧焦、树枝状及海绵状镀层等缺陷,检测时应严格区分,下面简要介绍一下其特征,以便目测评定。

  镀层孔隙率的检测

  镀层耐蚀性检测

  (6)废液处理(化学沉淀法)

  量取废液→加热→添加浓度为15%的氢氧化钠至废液pH10~12→搅拌保温1小时→添加沉淀剂→过滤→温度下降到50摄氏度,用稀硫酸调节溶液pH-8.0→添加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→添加适量沉淀剂→沉淀过滤。

  化学沉淀法是常用的处理含重金属废水的方法,采用苛性钠、石灰、纯碱调节老化液的pH大于8,则可以生成Ni(OH)2,通过静止后分离出沉渣、达到老化液中去除镍的目的,另外,硫化亚铁、不溶性淀粉黄源酸酯(ISX)等也可以作为沉淀剂用于含镍废水的处理,以上研究通常是处理镍浓度小于500/mgL-1的含镍废水。化学镀镍老化液中的磷可以采用化学氧化沉淀法处理,即利用高猛酸钾、过氧化氢等氧化剂破坏镀液中的铬合剂和使次亚磷酸根等氧化成磷酸根,然后再用沉淀剂使磷酸盐沉淀,从而减少废液中总磷的排放量。化学沉淀法处理含镍、磷废水会产生大量沉渣,如处置不当会产生二次污染,目前对沉渣的处理除填埋外没有更好的方法。

  化学镀镍的性能优点:

  1、镀层的光亮度

  l 与淡黄色的电镀镍相比,大多数化学镀镍层为银白色,具有优良的耐变色性能,亮度可以保持更长时间。对于镍磷化学镀层来说,随着磷含量的增加,镀层光亮度也增加,在化学镀液中加入一定量的光亮剂后,镀层的反光率可以达到80%以上。最近的研究表明,化学镀镍铜磷合金的光亮度好且具有更强的抗变色能力。

  2、镀层的硬度

  电镀硬铬层的硬度为960HV,在加热时,硬度急剧下降,经400℃×1h热处理的化学镀镍层硬度可达1100HV,且在室温至400℃时,镀层的硬度变化不大,因此,化学镀镍层是一种耐热镀层,适合于摩擦生热的情形下使用,而电镀硬铬层只能适用于常温下使用。

  3、耐磨性能

  对于中高磷镀层而言,经过适当的热处理后,镍磷合金镀层的拥有较好的自润滑性能,而低磷镀层拥有较高的硬度,但是在进行的磨损性能试验证明高磷镀层的耐磨性能高于低磷合金镀层。为了提高镍磷镀层的耐磨性,在镍磷镀层中加入硬度极高的W,形成三元合金镀层,其耐磨性能大幅提高。

  4、耐腐蚀性能

  化学镀镍是一种均匀的非晶态结构,它不存在晶界、位错、层错之类的缺陷,且各基体结合致密,腐蚀介质难于通过结合界面而侵蚀到基体金属,耐腐蚀性比电镀铬要好。另外,化学镀镍几乎不受海水、盐水、淡水的侵蚀,在HCL和硫酸中的耐腐蚀性比不锈钢要好,它能耐多种介质的侵蚀,例如高浓度烧碱、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性、耐蚀性和电接触性能,而且要求镀层有较好的可焊性,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,就能提高其可焊性,解决了铝散热片和晶体管的连接问题。另外,化学镀镍还可用于高能微波器件、接插件和潜水艇的通信元件上。在一般情况下,采用扩展面积法来测量化学镀镍层的可焊性,即采用φ1.5mm的焊锡丝放在镀层的表面上,在400℃和氢氮混合气体中加热30min,测定扩展面积,就能得到可焊性与镀层含磷量的关系,扩散面积越大,镀层的可焊性越好。

  仪器设备

  两孔恒温水浴锅一台、100 mL烧杯4个、200mL烧杯3个、500mL烧杯1个、10mL和50 mL量筒各1个、0.001g(或0.0001g)电子天平1台、0.2克天平1台、千分尺一把、pH计1台、1000瓦电炉1个、温度计2个、水洗瓶1个、镊子1套、滤纸、架台及铁架台用铁圈、玻璃漏斗、玻璃棒、药勺、半自动滴定管、移液管、吸耳球、试管刷、防酸手套、锯片一条、砂纸(100号~800号)各半张、4节1号干电池。

  药品:紫脲酸铵、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、醋酸钠、乳酸、十二烷基硫酸钠、硫尿、铁氰化钾、氢氧化钙、双氧水、钨酸钠、助凝剂如聚合氯化铝、钢和铜试样若干。

  结论

  总结了化学镀镍的基本原理、化学镀镍工艺。测试了化学镀镍液的稳定性和起镀温度;在钢和铜样品表面进行了化学镀镍试验,检测了化学镀镍层的外观、孔隙率、耐蚀性、厚度、结合力、脆性、硬度等性能;采用化学沉淀法处理了化学镀镍废液。实验过程和结果显示本实验使用的化学镀镍液稳定性极好,沸腾状态30分钟也不会发生分解。

  参考文献

  [1] 黄元盛,电镀与化学镀技术,化学工业出版社,2009.

  [2] 百度百科

  [3] 谷歌

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