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化学镀镍溶液的配方组成

放大字体  缩小字体发布日期:2013-01-23  浏览次数:1304
核心提示:化学镀镍溶液的组分虽然根据不同的应用有相应的调整,但一般是由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂、加速剂、表面活性剂等组成,以下分别讨论各成分的作用。

目前广泛应用的化学镀镍溶液,大致可分为酸性镀液和碱性镀液两种类型。化学镀镍溶液的组分虽然根据不同的应用有相应的调整,但一般是由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂、加速剂、表面活性剂等组成,以下分别讨论各成分的作用。

(1)主盐

化学镀镍溶液的主盐是提供金属镍离子的可溶性镍盐,在化学还原反应中为氧化剂。可供采用的镍盐有硫酸镍(NiS04·7H20)、氯化镍(NiCl2·6H20)、醋酸镍[Ni(CH3COO)2]、氨基磺酸镍[Ni(NH2S03)2]及次磷酸镍[Ni(H2P02)2]等。早期曾以氯化镍为主盐,但由于Cl一的存在会降低镀层的耐蚀性,同时产生拉应力,所以目前已不再使用。而醋酸镍及次磷酸镍价格昂贵,目前使用的主盐是硫酸镍。由于制备工艺的不同有两种结晶水的硫酸镍:NiS04·6H20和NiS04·7H20。常用的为NiS04·7H20,其相对分子质量为280.88,绿色结晶,l00℃时在100g水中的溶解度为478.5g,配成的溶液为深绿色,pH值为4.5。

从动力学上分析,随着镀液中Ni2+浓度增加,沉积速度应该增加。但试验表明,由于络合剂的作用,主盐浓度对沉积速度影响不大(镍盐的浓度特别低时例外)。一般化学镀镍溶液配方中镍盐浓度维持在20~40g/L,或者说含Ni 4~8g/L。镍盐的浓度过高,以致有一部分游离的Ni2+存在于镀液中时,镀液的稳定性下降,得到的镀层常常颜色发暗,且色泽不均匀。在通常的主盐浓度范围内,镍盐与络合剂量、镍盐与还原剂的比例对镍的沉积速度有影响,它们均有一个合理范围。Ni2+与H2P02-的摩尔比应在0.3~0.45之间,这样才能保证化学镀镍溶液既有最大的沉积速度,又有良好的稳定性。

(2)还原剂

化学镀镍所用的还原剂有次磷酸钠、硼氢化钠及肼等几种,在结构上它们的共同特征是含有两个或多个活性氢,还原Ni2+就是靠还原剂的催化脱氢进行的。用次磷酸钠得到Ni-P合金镀层,用硼氢化钠得到Ni-B合金镀层,用肼则得到纯镍镀层。

化学镀镍中,多数使用次磷酸钠为还原剂,因为其价格低廉,镀液容易控制,而且Ni-P合金镀层性能优良。次磷酸钠在水中易溶解,水溶液pH值为6。次磷酸盐离子的氧化还原电位为一1.065V(pH=7)和一0.882V(pH一4.5),在碱性介质中为一1.57V,因此次磷酸盐是一种强的还原剂。

研究表明,只有在络合剂比例适当条件下,次磷酸盐浓度变化对沉积速度才有影响。随着次磷酸盐浓度的增加,镍的沉积速度上升。但次磷酸盐的浓度也有限制,它与镍盐浓度的摩尔比,不应大于4。否则容易造成镀层粗糙,甚至诱发镀液瞬时分解。一般次磷酸钠的含量为20~40g/L。

研究同时表明,在保证化学镀镍液有足够稳定性的情况下,尽量高的pH值有利于提高镍沉积速度和次磷酸钠的利用率,但同时镀层中含磷量降低。

(3)络合剂

化学镀镍溶液中的络合剂除了能控制可供反应的游离Ni2+浓度外,还能抑制亚磷酸镍沉淀,提高镀液的稳定性,延长镀液寿命,有些络合剂还兼有缓冲剂和促进剂的作用,提高镀液的沉积速度,影响镀层的综合性能。化学镀镍的络合剂一般含有羟基、羧基、氨基等,常用的络合剂有乳酸、乙醇酸(羟基乙酸)、苹果酸、氨基乙酸(甘氨酸)和柠檬酸等。碱性化学镀镍溶液中的络合剂有柠檬酸盐、焦磷酸盐和氨水等。

通常每种镀液都有一种主络合剂,配以其他的辅助络合剂。不同种类的络合剂及不同的络合剂用量,对化学镀镍的沉积速度影响很大。合理选择络合剂及其用量不仅可在同样条件下获得更高的镀层沉积速度,而且可以使镀液稳定,使用寿命延长。从根本上说,化学镀镍溶液在工作中是否稳定,不是单纯依赖镀液中是否加入某种稳定剂,而更主要的是取决于络合剂的选择、搭配、用量是否合适。因此,选择络合剂不仅要使镀层沉积速度快,而且要使镀液稳定性好,使用寿命长,镀层质量好。

络合剂的浓度至少应能络合全部镍离子。因此,乳酸、乙醇酸和氨基乙酸的物质量浓度至少应为Ni2+物质量浓度的两倍,而酒石酸和柠檬酸的物质量浓度至少应与Ni2+的物质量浓度相等。若络合剂浓度不足以络合全部Ni2+,以致溶液中游离的Ni2+浓度过高时,镀液的稳定性下降,镀层的质量变差。

(4)缓冲剂

在化学镀镍反应过程中,除了有镍和磷的析出之外,还有氢离子产生,从而导致溶液的pH值会不断降低,这不但使沉淀速度变慢,也对镀层质量产生影响,因此,在化学镀镍溶液中必须加入缓冲剂,使溶液具有缓冲能力,即在施镀过程中使溶液pH值不致变化太大,能维持在一定范围内。化学镀镍溶液中常用的缓冲体系及其pH值范围列于表6-1。、

表6-1化学镀镍溶液缓冲体系及其pH值范围

 

化学镀镍溶液缓冲体系及其pH值范围

 

(5)稳定剂

化学镀镍溶液是一个热力学不稳定体系,在施镀过程中,如因加热方式不当导致局部过热,或因镀液调整补充不当导致局部pH值过高,以及因镀液被污染或缺乏足够的连续过滤导致杂质的引入或形成等,都会触发镀液在局部发生激烈的自催化反应,产生大量Ni-P黑色粉末,从而使镀液在短期内发生分解,因此镀液中应该加入稳定剂。

稳定剂的作用在于抑制镀液的自发分解,使施镀过程在控制下有序进行。稳定剂能优先吸附在微粒表面抑制催化反应,从而掩蔽催化活性中心,阻止微粒表面的成核反应,但不影响工件表面正常的化学镀过程。但必须注意的是,稳定剂是一种化学镀镍毒化剂,即反催化剂,只需加入痕量就可抑制镀液自发分解。稳定剂不能使用过量,过量后轻则降低镀速,重则不再起镀,因此必须慎重使用。

化学镀镍中常用的稳定剂有以下几种。

①重金属离子,如Pb2+、Sn2+、Cd2+、Zn2+、Bi3+等。

②第ⅥA族元素S、Se、Te的化合物,如硫脲、硫代硫酸盐、硫氰酸盐等。

③某些含氧化合物,如AsO2-、M0042-、N02-、IO3-等。

④某些不饱和有机酸,如马来酸等。

(6)加速剂

在化学镀镍溶液中能提高镍沉积速度的成分称为加速剂。它的作用机理被认为是活化次磷酸根离子,促进其释放原子氢。化学镀镍中的许多络合剂兼有加速剂的作用。无机离子中的F一是常用的加速剂,但必须严格控制其浓度,用量大不仅会降低沉积速度,还对镀液稳定性有影响。

研究表明,许多作为化学镀镍液中的稳定剂的物质,当它们以更微量存在于镀镍液中的时候,可以起到加速剂的作用。如硫脲加量为5mg/L时,作为稳定剂起作用,当添加量降低为1mg/L时,则有加速剂的作用。

(7)其他组分

在化学镀镍溶液中,除了以上主要成分外,有时还加入表面活性剂以抑制镀层针孔,加入光亮剂以提高镀层光亮度。但电镀镍溶液中常用的表面活性剂十二烷基硫酸钠,却不适用于化学镀镍溶液,因为它常使镀层出现不完整的污斑。

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