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化學(xué)鍍鎳鍍液主要由金屬鹽、還原劑、pH緩沖劑、穩(wěn)定劑或絡(luò)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(luò)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(xué)鍍鎳是目前使用最多的一種。其反應(yīng)機(jī)理如下。在酸性環(huán)境:
Ni2++H2PO2+H20—Ni+H2P03-+2H+
在堿性環(huán)境:
[NiXn]2++H2PO3-+30H一一Ni+HP032-+nX+2H20
磷的析出反應(yīng)如下:
H2PO2-+2H+一P+2H2O
2H2PO2-—P+HPO32-+H++H2O
H2PO2-+4H+H+一PH3+2H2O
化學(xué)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(duì)反應(yīng)速度、還原劑的利用率、鍍層的性質(zhì)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(huì)相應(yīng)提高,但是到了一定限度以后反而會(huì)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(shí),一部分次亞磷酸鹽在鎳表面催化分解。常常以利用系數(shù)來(lái)評(píng)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(gè)反應(yīng)中消耗的次亞磷酸鹽總量的比:
次亞磷酸鹽的利用系數(shù)與溶液成分如緩沖劑和配位體的性質(zhì)和濃度有關(guān)。當(dāng)其他條件相同時(shí),在鎳還原速度高的溶液里,利用系數(shù)也高。利用系數(shù)隨著裝載密度的加大而提高。
在酸性環(huán)境里,可以用只含鎳離子和次亞磷酸鹽的溶液化學(xué)鍍鎳,但是為了使工藝穩(wěn)定,必須加入緩沖劑和絡(luò)合劑。因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳過(guò)程中生成的氫離子使反應(yīng)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(luò)合物可以在鍍液pH值增高時(shí)也保持其還原能力。當(dāng)調(diào)整多次使用的鍍液時(shí),這一點(diǎn)很重要,因?yàn)樵陉惢腻円豪?,亞磷酸的積累會(huì)增加,如果沒(méi)有足夠的絡(luò)合劑,鍍液的穩(wěn)定性會(huì)急劇下降。
酸性體系里的絡(luò)合劑多數(shù)采用的是乳酸、檸檬酸、羥基乙酸及其鹽。有機(jī)添加劑對(duì)鎳的還原速度有很大影響。其中許多都是反應(yīng)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(huì)使沉積速度下降,特別是穩(wěn)定劑,會(huì)明顯下降沉積速度。
在堿性化學(xué)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(luò)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(dá)到20~30μm/h,相當(dāng)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(yīng)機(jī)理如下:
2NiCl2+NaBH4+4NaOH一2Ni+NaB02+4NaCl+2H20+4H+
4NiCl2+2NaBH4+6NaOH一2Ni2B+8NaCI+6H20+H2↑
由上可見(jiàn),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(jià)格高,在加溫時(shí)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(chǎn)品上。鎳磷和鎳硼化學(xué)鍍的特點(diǎn)見(jiàn)表。
化學(xué)鍍鎳磷和化學(xué)鍍鎳硼的性能比較
各項(xiàng)指標(biāo) 化學(xué)鍍鎳磷 化學(xué)鍍鎳硼
鍍層的性質(zhì) 合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/% Ni 87~98
P 2~13 Ni 99~99.7
B 0.3~1
結(jié)構(gòu) 非晶體 微結(jié)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(qiáng)磁性
內(nèi)應(yīng)力 弱壓應(yīng)力至拉應(yīng)力 強(qiáng)拉應(yīng)力
熔點(diǎn)/℃ 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(wěn)定性 比較穩(wěn)定 較不穩(wěn)定
壽命 3~10MT0① 3~5MT0
成本比 1 6~8
① MTO是化學(xué)鍍循環(huán)周期的縮寫(xiě)。