综合实验之化学镀镍磷成品

彭发学

3090702052，金属材料工程0902，材料科学与工程学院

摘要：在简述了化学镀镍磷发展的基础之上，详述了化学镀镍磷的实验原理，阐述了化学镀镍磷的实验流程及配方，概述了镀层的性能检测，指出了实验中的注意事项，根据实验结果和实验过程中出现的问题，综述了化学镀镍磷的作用及应用，并针对对化学镀镍磷的缺陷提出了自己的观点。

关键词：化学镀镍磷;配方;镀层;性能检测

     Electroless nickel plating phosphorus

                  PENG Fa-xue

  3090702052, Metal material engineering 0902 class, Materials science and engineering college  

Abstract: In the paper the electroless nickel plating on the basis of the development of phosphorus, detailing the electroless nickel plating of phosphorus experiment principle, this paper expounds the electroless nickel plating experimental process and formula of phosphorus, and summarizes the performance test of coating, and points out the matters of attention in the experiment, according to the result of the experiment and problems appeared in the course of experiment, this paper reviews the electroless nickel plating effect and application of phosphorus, and in the light of electroless nickel plating on the defects of phosphorus presented their views. 

Key words: Electroless nickel plating p; Formula; Plating; Performance testing

    化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。

1.化学镀镍磷的发展

化学镀镍磷工艺是今年来迅速发展起来的一种新型表面保护和表面强化技术手段，具有广泛的应用前景。目前化学镀镍磷合金已经广泛应用在石油化工、石油炼制、电子能源、汽车、化工等行业。化学镀镍磷能够显著提高设备的耐磨，耐蚀性能，延长其寿命，在碳钢、铸铁、有色金属这些方面也具有重要的意义。 

2.化学镀镍磷实验原理

化学镀镍磷合金是一种在不加电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍磷镀层的方法。以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍磷工艺，其反应机理有三种看法，分别为原子氢理论、氢化物理论和电化学理论。（一）原子氢理论过程认为溶液中的金属离子是被还原剂中释放的氢原子还原的。

1、化学沉积镍磷合金镀液加热时不起反应，而是通过金属的催化作用，次亚磷酸根在水溶液中脱氢而形成亚磷酸根，同时放出初生态原子氢。

H2PO2 - + H2O          HPO32-+2H+H+

    2、初生态原子氢被吸附在催化金属表面上而使其活化，使镀液中的镍阳离子还原，在催化金属表面上沉积金属镍。

Ni2++2H         Ni+2H+

    3、在催化金属表面上的初生态原子氢使次亚磷酸根还原成磷。同时，由于催化作用使次亚磷酸根分解，形成亚磷酸根和分子态氢。

H2PO2 -+H         H2O+OH- +P

2H         H2  

    4、镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金层。

3P+Ni          NiP3 

  （二）氢化物理论认为还原剂放出的不是氢原子，而是氢负离子（H-)，金属离子是由还原性更强的H-离子还原的。

         1、     H2PO2 - + H2O            H2PO3-+H++H-酸性

         2、     H2PO2 - + H2O            HPO32-+H2O+H-碱性

                 3、                Ni2++2H-            Ni↓+H2↑

         4、         H+ + H-              H2 ↑    酸性

               5、                H2O + H-             H2↑+OH-  碱性

  （三）电化学理论则认为溶液中的金属离子是经电化学反应而被还原为金属原子的。

       阳极： H2PO2 - + H2O              H2PO3-+2H++2e

       阴极：      Ni2++2e              Ni

                 H2PO2 -+ e              2OH- +P

                       2H               H2  

                    3P+Ni              NiP3 

综上，镍盐是镀液主盐，一般使用硫酸镍。镍盐浓度高，镀液沉积速度快，但稳定性下降。次磷酸钠作为还原剂通过催化脱氢。

酸性化学镀镍磷沉积速度随着镀液PH的下降而降低，当镀液PH值远小于4时，沉积速度很低，已失去了实际意义。另一方面，当镀液PH值大于6时，易产生亚磷酸镍沉淀，引起镀液自发分解。酸性化学镀镍磷液最佳的PH值通常是4.2-5.0。PH值升高时，镀层中的含磷量降低。

温度是影响酸性化学镀镍磷沉积速度的重要因素之一。温度低于65 0C时，沉积速度很慢，随温度的升高沉积速度加快。但是温度过高或加热不均匀都会引起镀液的分解。

3.实验流程及配方

    实验流程： 化学脱脂（碱性除油）→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→化学镀→冷水洗→滴上酒精溶液→干燥→性能检测 

1.碱性化学除油溶液配方及参数见表1。

  表1 碱性化学除油溶液配方及参数

 1). 用托盘天平称取2.5gNaOH,12.5gNa2CO3,12.5gNa3PO4,4.0gNa2SiO3 ;

 2).按上述称取顺序将药品在玻璃棒的搅拌下溶进少量的蒸馏水中;

 3).向溶液中滴加两滴洗洁精，并加蒸馏水至500mL即可配制溶液成功. 

检验除油成功与否的方法：将实验样品放在水龙头下冲洗一下，然后马上取出观察样品表面在短时间内能否形成一层薄且均匀的水膜，如果可以则除油成功即可进行下一实验步骤。

2.热水洗

热水洗的作用主要是脱脂和清洗碱液。适当在热水中搅拌即可，无时间要求。

3.冷水洗

适当在冷水中搅拌即可，无时间要求。 

4.酸洗

将钢材浸入5％的稀硫酸溶液中0.5-1min。 

5.冷水洗

适当在冷水中搅拌即可，无时间要求。  

6.化学镀镍磷溶液的配方及参数见表2。

    表2  化学镀镍磷溶液的配方及参数

（1）用托盘天平称取12.5g硫酸镍，10.0g次磷酸钠，12.5g乳酸，5.0g硼酸，分别用少量的蒸馏水溶解；

（2） 按上述称取顺序将药品在玻璃棒的搅拌下溶进少量的蒸馏水中;

（3）用蒸馏水稀释至400mL；

（4）用氢氧化钠稀液调整pH值；

（5）将配好的溶液放入水浴炉中加热至实验要求温度。

在化学镀液到温后将工件放入镀液中1小时，使工件表面获得理想的镀层。取三个已镀工件分别放入200℃，300℃,400℃的箱式电阻炉保温2小时进行镀后处理。

7.冷水洗

 适当在冷水中搅拌即可，无时间要求。 

8.滴上酒精溶液

 向实验样品上滴加数滴的酒精溶液即可。

9.干燥

将实验样品置于空气中干燥即可。

4.性能检测

1. 表面形貌观察

    利用金相显微镜分别对无镀后处理试样进行表面形貌观察并拍照。无镀后处理试样的表面形貌见图1、2，可见图中分布了均匀的圆珠小球的泡，这些正是经过化学镀镀上去的镍磷层。它们的大小、形状、分布等都对表面硬度有一定的影响。

          图1 无镀后处理   100X            图2   无镀后处理   100X   

    为了使得试样表面硬度得到进一步提升，同时为了探讨试样表面硬度随热处理温度变化的影响，因此实验中选取了200℃、300℃、400℃ 的热处理温度，同时保温两个小时后取出再观察表面形貌并拍照。热处理后的形貌见图3、4、5。

图3 200℃保温2小时 100X  图4 300℃保温2小时 100X   图5 400℃保温2小时 100X

     从上图中可观察到进行了热处理后，镍磷镀层的磷原子扩散偏聚为脱溶、分解和晶化做准备，而且圆珠状小球更加致密且随温度的升高越来越致密。 

2. 镀层硬度检测

    利用显微硬度仪在0.98N的压力下测量硬度。其过程为：

将样品放入显微硬度仪的样品台上，选择合适的载荷，打开电源；在400倍的显微镜下调整焦距至能看清样品表面形貌为止，转动压头之样品上，按Start开始打压痕，结束后再将400倍显微镜转至样品上方；寻找压痕，转动右转轮，使左测量线对准压痕左端点，转动鼓轮使右测量线靠近左测量线（二线之间留有空隙），记下刻度；在转动鼓轮使右测量线与右端点相切，读取刻度；两数值想减的纪录值，按纪录值查表得硬度。

无镀后处理：477.3HV

200℃保温： 552.2HV

300℃保温： 635.7HV

400℃保温： 765.2HV 

3.镀层厚度检测

锯开→镶嵌→砂轮磨→砂纸磨→抛光→腐蚀（3%酒精溶液）→酒精洗→烘干→金相显微镜观察→测镀层厚度→拍照片。膜层厚度见图6、7。

     图6   镶嵌后测厚度   100X                图7   镶嵌后测厚度 100X              

镀层厚度：0.013mm

5.注意事项

1、 工序不可颠倒，且要连贯，工序间不宜停留太长时间；

2、在配置过程中一定要进行搅拌；

3、在进行pH值调整时除了应在剧烈搅拌下进行外，药品的加入还应缓慢少量；

4、要在所需溶液全部配完后开始第一步化学除油处理，且在活化之后要迅速将工件放入镀液中，以免被氧化。

6.实验结论

实验样品通过化学镀镍磷提高了样品表面的硬度，耐磨性及耐腐蚀性也得到了改善，化学镀镍磷的镀层表面呈分布较均匀圆珠状，热处理后表面形貌改变不大。

由于进行了热处理，镍磷镀层的磷原子扩散偏聚为脱溶、分解和晶化做准备，从而使硬度上升。这可从实验数据中观察得到。

化学镀镍磷层具有耐磨、耐蚀、高硬度等性能，因此化学镀镍磷在电子、石油、化学化工、航空航天、核能、汽车、汽车、机械等工业中得到广泛应用。但是化学镀的溶液稳定性差，使用温度高，寿命短。这是需要研究和探讨的问题，相信在不久的将来化学镀镍磷会发展得更加完善。

致谢：本文是江苏大学材料科学与工程学院金属材料工程专业综合实验项目，江苏大学材料科学与工程学院王兰老师对实验的开展做了精确的指导，同时也给文章的书写与改进给予了大力的支持，我向所有在本文中引用的参考文献原作者和有关资料提供者表示衷心的感谢！   

参考文献：

1. 伍学高.化学镀技术.成都：四川科学技术出版社，1985  

2. 钱苗根主编，钱苗根主编.材料表面技术及其应用手册.北京：机械工业出版社，1998

3. 陈锡栋，等.磨具精饰加工及表面强化技术[M].北京：机械工业出版社，1999