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化學鍍鎳鍍液主要由金屬鹽、還原劑、pH緩沖劑、穩定劑或絡合劑等組成。鎳鹽用得最多的是硫酸鹽,還有氯化物或者醋酸鹽。還原劑主要是亞磷酸鹽、硼氫化物等。pH緩沖劑和絡合劑通常采用的是氨或氯化銨等。
以次亞磷酸鈉作還原劑的化學鍍鎳是目前使用最多的一種。其反應機理如下。在酸性環境:
Ni2++H2PO2+H20—Ni+H2P03-+2H+
在堿性環境:
[NiXn]2++H2PO3-+30H一一Ni+HP032-+nX+2H20
磷的析出反應如下:
H2PO2-+2H+一P+2H2O
2H2PO2-—P+HPO32-+H++H2O
H2PO2-+4H+H+一PH3+2H2O
化學鍍鎳的沉積速度受溫度、pH值、鍍液組成和添加劑的影響。通常溫度上升,沉積速度也上升。每上升10℃,速度約提高2倍。
pH值是最重要的因素,對反應速度、還原劑的利用率、鍍層的性質都有很大的影響。
鎳鹽濃度的影響不是很主要的,次亞磷酸鈉的濃度提高,速度也會相應提高,但是到了一定限度以后反而會使速率下降。每還原lmol的鎳,需消耗3mol的次磷酸鹽(即1g鍍層消耗5.4g的次亞磷酸鈉)。同時,一部分次亞磷酸鹽在鎳表面催化分解。常常以利用系數來評定次亞磷酸鹽的消耗效率,它等于消耗在還原金屬上的次亞磷酸鹽與整個反應中消耗的次亞磷酸鹽總量的比:
次亞磷酸鹽的利用系數與溶液成分如緩沖劑和配位體的性質和濃度有關。當其他條件相同時,在鎳還原速度高的溶液里,利用系數也高。利用系數隨著裝載密度的加大而提高。
在酸性環境里,可以用只含鎳離子和次亞磷酸鹽的溶液化學鍍鎳,但是為了使工藝穩定,必須加入緩沖劑和絡合劑。因為化學鍍鎳過程中生成的氫離子使反應速度下降乃至停止。常用的有醋酸鹽緩沖體系,也有用檸檬酸鹽、羥基乙酸鹽、乳酸鹽等。絡合物可以在鍍液pH值增高時也保持其還原能力。當調整多次使用的鍍液時,這一點很重要,因為在陳化的鍍液里,亞磷酸的積累會增加,如果沒有足夠的絡合劑,鍍液的穩定性會急劇下降。
酸性體系里的絡合劑多數采用的是乳酸、檸檬酸、羥基乙酸及其鹽。有機添加劑對鎳的還原速度有很大影響。其中許多都是反應的加速劑。如丙二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸以及氟離子,但是添加劑也會使沉積速度下降,特別是穩定劑,會明顯下降沉積速度。
在堿性化學鍍鎳溶液里,鎳離子配位體是必需的成分,以防止氫氧化物和亞磷酸鹽沉淀。一般用檸檬酸鹽或銨鹽的混合物作為絡合劑。也有用磺酸鹽、焦磷酸鹽、乙二胺鹽的鍍液。
提高溫度可以加速鎳的還原。在60~90℃,還原速度可以達到20~30μm/h,相當于在中等電流密度(2~3A/dm2)下電鍍鎳的速度。
采用硼氫化物為還原劑的反應機理如下:
2NiCl2+NaBH4+4NaOH一2Ni+NaB02+4NaCl+2H20+4H+
4NiCl2+2NaBH4+6NaOH一2Ni2B+8NaCI+6H20+H2↑
由上可見,析出物就是鎳硼合金。與用次亞磷酸鹽做還原劑相比,還原劑的消耗量較少,并且可以在較低溫度下操作,但是由于硼氫化物價格高,在加溫時易分解,使鍍液管理存在困難,一般只用在有特別要求的電子產品上。鎳磷和鎳硼化學鍍的特點見表。
化學鍍鎳磷和化學鍍鎳硼的性能比較
各項指標 化學鍍鎳磷 化學鍍鎳硼
鍍層的性質 合金成分(質量分數)/% Ni 87~98
P 2~13 Ni 99~99.7
B 0.3~1
結構 非晶體 微結晶體
電阻率/μΩ?cm 30~200 5~7
密度/(g/cm3) 7.6~8.6 8.6
硬度(HV) 500~700 700~800
磁性 非磁性 強磁性
內應力 弱壓應力至拉應力 強拉應力
熔點/℃ 880~1300 1093~1450
焊接性 較差 較好
耐腐蝕性 較好 比鎳磷差
鍍液特性 沉積速度/(μm/h) 3~25 3~8
溫度/℃ 30~90 30~70
穩定性 比較穩定 較不穩定
壽命 3~10MT0① 3~5MT0
成本比 1 6~8
① MTO是化學鍍循環周期的縮寫。