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化学镀镍的应用

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张斌

[导读] 摘要：基于化学镀镍、合金和复合涂层的金属沉积工艺的发展引起了研究人员的极大兴趣，许多优异的性能使其最近的许多应用成为可能。

        中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市 230011
        摘要：基于化学镀镍、合金和复合涂层的金属沉积工艺的发展引起了研究人员的极大兴趣，许多优异的性能使其最近的许多应用成为可能。近年来，这些涂层表现出良好的耐腐蚀性和耐磨性能，大量新的发展成为最重要的宏观和纳米级应用。
        关键词：化学镀镍；食品工业；石油工艺；化学加工工艺
        引言
        化学镀镍是一种无需电流就可以将镍合金从溶液中沉积到基材上的方法，因此它不同于电镀，后者依靠外部直流电源将电解液中的镍离子沉积到基材上形成镍金属。化学镀镍是一种化学过程，通过化学还原将镍溶液中的镍离子还原成金属镍。最常用的还原剂是次磷酸钠，替代品是硼氢化钠和二甲胺硼烷，但它们的使用频率要低得多。据统计超过99%的化学镀镍平台大多使用了次磷酸钠这种还原剂。
        尽管如此，并不是所有的设计师、工程师、冶金学家和其他负责材料选择的人都知道化学镀镍作为工程或功能性涂层的价值。然而在电子、石油和天然气、化工、航空航天和汽车等行业，它已经牢固地确立为一种功能性涂层。它在许多其他应用程序中也得到了有效的认可和使用，应用程序的数量继续增长。
        一、化学镀镍的特性概述
        电沉积镍和化学镀镍之间的主要区别在于它们的纯度和结构。例如：电沉积镍的纯度通常高于99%，但当次磷酸钠在化学镀镍中用作还原剂时，典型的镀层成分是92%的镍和8%的磷。磷的含量对沉积物的性质有很大的影响，可以在很大的范围内变化，通常是3%到12%。因此一旦确定了涂层的性能要求，就必须指定适当类型的化学镀镍。例如：低磷镀层和高磷镀层在耐蚀性和硬度性能方面存在明显差异。
        化学镀镍的结构决定了它的一些独特性质。它与电沉积镍的结晶结构有很大的不同，通常可以描述为具有非晶结构或由超细晶组成的结构。随着磷含量的增加，镀层的非晶性质变得更加明显，在10.5%以上，镀层被认为是真正的非晶结构。由于缺乏一个明确的晶体结构，消除了焊缝锈蚀的可能性，这可能是一个问题与晶体沉积物，如电解镍。因此化学镀镍在保护基体免受腐蚀性浸蚀方面提供了更有效的屏障涂层。
        镍磷合金镀层经热处理后，其性能和结构会发生显著变化。X射线衍射分析表明，沉积物具有较高的结晶度，并分别形成两种不相同的小晶粒：金属镍和磷化镍（Ni3P）。一些体积收缩与重结晶有关，这可能导致高磷和中磷沉积物的开裂。
        化学镀镍不具有纯镍的高温特性，例如抗高温氧化物。纯镍的熔点为1455℃下降到880℃几乎是线性的。这是镍/磷体系的最低熔点(共晶)，在这个温度下，无论磷含量如何，只要大于0.2%，就会发生一些熔化。
        在化学镀镍的所有应用中，一个非常重要的特征是能够产生厚度非常均匀的沉积物。这显然是有益的涂层与关键尺寸的复杂部件，如球阀或螺纹部件。与电沉积镍相比，这种巨大的优势是由于不涉及电流，并且不存在与电流分布有关的问题。随着零件复杂度的增加，镀层厚度的均匀性不易获得，而且难度越来越大。通过合理性选择电解液、使用辅助阳极和屏蔽以及优化机架设计，可以改善电流分布。然而几乎可以肯定的是，在复杂的零件上通过电镀是无法达到化学镀的厚度均匀性的。由于无电解镀镍是一个没有电流参与的化学过程，只要保持统一的溶液条件，所有区域的镍沉积速率应该是相等的。
        温度、PH值、搅拌和溶液组成是控制沉积速度和均匀厚度的参数，除非允许这些参数在零件表面上变化。无电解镀镍的广泛接受和发展可以部分归于这种显著的沉积物均匀性，即使是在复杂的成分上。
        化学镀镍的耐腐蚀性是其被广泛用作防护涂层的主要原因之一。然而必须强调的是，所有化学镀镍的表现方式并不相同，必须选择符合特定条件要求的类型。例如，在高温、强碱性介质中，高磷矿床不如低磷矿床，但在中性或酸性介质中，高磷矿床较好。其他因素，必须考虑到优化腐蚀保护包括性质和表面条件的基板，沉积层的厚度和任何厚镀层的要求，如热处理等。

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        二、化学镀镍工艺在化学加工工业的应用
        化学镀镍工艺在化学加工工业中被广泛使用。创新和便宜的基体材料在与化学镀镍涂层结合使用时已经找到了应用，作为一些高成本的传统材料的替代品，这些传统材料并不总是提供一致和可靠的性能。为了确保持续增长，该行业积极寻求降低化工产品储存、制造和运输成本的方法。反过来，这种探索导致了对化学镀镍的需求增加和对标准的执行，这些都提高了建筑材料性能的可靠性。化学工业对材料的要求包括保持产品纯度，防止可能影响环境的腐蚀/侵蚀问题，以及优化设备的成本和使用寿命。化学镀镍具有优异的耐腐蚀性，不易受应力腐蚀裂缝的影响，可以在酸性、中性或碱性条件下用一系列成分沉积。因此，化学加工工业广泛地评价了它，以确定它作为磷含量函数的性能，并建立相对的经济信息和性能能力。结果是该涂料已被广泛应用接受。重要的是要认识到，仅仅指定涂层组件的化学镀镍是不够的，因为沉积物的组成可以对性能产生巨大的影响。然而，从对磷酸和化学镀镍这两种工业中常用的非常重要的化学品进行腐蚀试验结果来看，磷酸和氢氧化钠的组成对涂料的影响是显而易见的。
        三、食品工业的应用分析
        化学镀镍在食品工业中有许多应用。然而，没有任何涂层系统获得了美国食品和药品管理局（FDA）的全面批准。只有不锈钢有这样的认可，并广泛用于食品加工设备。事实上，与食物接触的物料和物品，如果物品的成分可能会迁移到食物中，FDA处理的方法与处理食物添加剂的方法相同，即需个别获得批准才可使用。
        当由于成本、制造问题等原因使用不锈钢替代材料时，制造商可以考虑使用铝合金、碳钢或低级不锈钢。在这种情况下，经常需要涂层这些材料，以提供适当的耐腐蚀性，耐磨性和清洁性，例如，化学镀镍已被广泛接受为许多不直接接触食物的不同成分的保护涂层，例如，典型的包装设备应用包括轴承、滚筒，输送系统，液压和齿轮在肉类加工，粮食加工，面包店，快餐店，啤酒厂和家禽加工等。在食品工业中应用最为广泛的化学镀镍涂料是含有10%到12%磷的高磷型涂料。这些无定型的玻璃状涂层具有优异的耐腐蚀性，而且晶界的缺失从根本上消除了不锈钢在某些环境中可能存在的应力腐蚀裂缝的担忧。由于沉积硬度值约为45，所以耐磨性好。如果有必要，通过热处理可以使硬度提高到68RC，通过共沉积氟化碳（CFX）或聚四氟乙烯（PTFE）颗粒可以改善润化性。
        四、石油和天然气应用的分析
        石油和天然气工业多年来一直是化学镀镍的试验场。该涂料在广泛的应用领域中提供了优良的服务，据报道，该行业占北美无电解镍的15%左右。对工业最有价值的特性是沉积物的厚度均匀性、优异的耐腐蚀性（特别是高磷型）和耐磨蚀性。传统工业中使用的许多基础材料的性能通过化学镀镍的应用得到了极大的提高，降低了制造成本，延长了使用寿命。后者具有特殊的价值，因为这个行业为更换零部件或关闭的成本可能非常高。化学镀镍的厚度均匀性、耐腐蚀性和耐磨性，使其在阀门和流量控制装置中得到广泛应用。这些显然是油井作业的关键组成部分，由于良好的性能和长的使用寿命是主要的经济因素，在这些应用中有潜在用途的化学镀镍的特性是抗腐蚀性、平滑性和沉积层厚度的均匀性。据认为，这些性能将提供球塞所需的表面条件，并改善密封在座位区域。
        在石油和天然气工业中，还有许多其他钢铁部件和工具经常镀上化学镍。这些是表面和潜水部件，需要防腐蚀和研磨环境的保护。在指定零件的任何热处理之前，必须考虑到这可能对其在腐蚀性条件下的性能产生的影响。化学镀镍的典型厚度是25到75微米，但是如果曝光条件要求，这个范围可以扩大。该行业已经使用了厚度均匀的涂层的巨大优势，特别是管道、螺纹部件和球阀。
        参考文献：
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