3.14 金属材料上的化学镀镍及其应用
3.14.1 化学镀镍在钢铁件上的应用有哪些？
钢铁材料是化学镀镍最常用的基体材料，通过化学镀镍层可以提高其硬度、耐蚀性、耐磨性等性能，可以避免用难于加工的不锈钢来提高钢铁的表面性质。在许多情况下，如镀内部镀层和镀复杂形状的钢铁件，用化学镀镍代替镀硬铬具有许多优点。化学镀镍的钢铁件常应用于汽车工业、化学工业、机床结构等多个行业，如表3-63所示。化学镀镍在钢铁件上的应用如图3-91所示。
3.14.2 铝及铝合金上如何进行化学镀镍？
在铝合金件上进行化学镀镍不仅能使其耐蚀性、耐磨性、焊接性等性能得到提高，而且镀层与铝基体间结合好，镀层外观漂亮，加之化学镀镍层耐蚀性优于电镀镍层，在还原性腐蚀介质中优于不锈钢，本身的孔隙率也很低。因此，在航天航空、国防、电子和民用工业上获得了广泛的应用。
图3-92所示为化学镀镍在铝件上的应用实例。
表3-63 化学镀镍在钢铁件上的应用
由于铝是一种比较活泼的金属，在大气中表面极易生成一层薄且致密的氧化膜，又由于它电极电位较负，在镀液中可与多种金属离子发生置换反应，在铝材表面形成疏松粗糙的接触性镀层，严重影响镀层与基体间的结合强度。另外，由于铝属于两性金属，在酸、碱溶液中都不稳定，这给化学镀镍造成很大的困难。而且，由于铝基体与镀镍层的膨胀系数不一样，当环境温度发生变化时，极易产生内应力而破坏镀层，导致镀镍层脱落。
因此，要在铝基材料上获得结合力良好的化学镀镍磷合金镀层，必须解决上述问题，结合力的好坏直接取决于前处理工艺的优劣。要在铝合金基体表面得到结合力强、性能优良的化学镀镍层，正确的前处理是获得成功的关键。常用的方法有：①传统的二次浸锌工艺的发展；②铝上直接化学镀镍工艺的开发；③采用置换镀镍的方式替换传统的浸锌工艺。
3.14.3 影响铝上化学镀镍的因素有哪些？
通过从脱脂、酸洗、浸锌、结合力、内应力以及操作中的注意事项等几个方面研究影响铝上化学镀镍的因素，认为正确的操作是十分重要的，即便是最好的配方在很恶劣的操作条件下也得不到质量好的镀层。特别强调清洗的重要性，还要防止酸性溶液带入浸锌溶液中。其次强碱性的浸锌溶液不易清洗干净，容易黏附在工件表面上而带入化学镀镍溶液中，引起化学镀镍溶液的pH值的变化，从而导致镀层的内应力升高和结合力下降等故障。此外应避免过度浸锌，否则会降低结合力，缩短化学镀镍液寿命。与钢铁件相同的是，化学镀镍后进行低温热处理（190℃，1h），也可以提高镀层和铝基体之间的结合力。
图3-91 化学镀镍在钢铁件上的应用实例
a）化学镀镍在零部件及套管上的应用 b）化学镀镍在食品机械零件上的应用 c）化学镀镍在球形件上的应用 d）化学镀镍在散热片上的应用 e）化学镀镍在散热器上的应用 f）化学镀镍在太阳能电池板上的应用
图3-92 化学镀镍在铝件上的应用实例
a）化学镀镍在光盘上的应用 b）化学镀镍在管路上的应用
3.14.4 铝上化学镀镍产生缺陷的原因有哪些？
首先，基体的表面状态是影响化学镀镍质量的重要因素。铝合金化学成分和不同的加工工艺都会影响基体的表面状态。其次是工件的表面处理，包括脱脂、酸洗、碱蚀、浸锌等步骤，浸锌溶液中的锌离子浓度、络合剂和溶液使用时间的长短都是影响镀层质量的因素。再其次是化学镀镍溶液的pH值、添加剂、使用周期等对镀层应力也有影响。
浸锌所获得的极薄锌层在化学镀镍时几乎完全溶解，因此，在浸锌后先进行短时间化学镀镍（闪镀化学镍）将其作为预镀层，以延长主镀槽溶液的使用寿命。
3.14.5 铝上化学镀镍处理方式与镍的初期沉积层结构有什么关系？
采用二次浸锌方式对铝进行预处理时，第一次浸锌后在铝表面置换出来的锌结晶的晶粒尺寸为1μm左右，而且其中还含有约1%（质量分数）的铁元素，剥离这些锌晶体后发现在其下面有着众多的岛状，金字塔状，或者是形状更繁杂的微小突起，这些突起状的物质不是锌或铁的溶解残余物，而是在第一次浸锌过程中，置换析出锌晶粒的同时，铝溶解所造成的凹陷的边缘。在第二次浸锌后，锌不是在基体的平滑处析出，而是优先在剥离第一次浸锌晶粒后的岛状突起部分析出。和第一次浸锌的情况相同，第二次浸锌过程中置换的晶粒中也含有约1%（质量分数）的铁元素，还发现随着浸锌液中碱浓度的增加，置换锌的量下降，而且其晶粒的尺寸也变小。锌晶粒生长模型示意图及铝基体上化学镀镍各阶段表面模型示意图如图3-93、图3-94所示。
图3-93 锌结晶生长模型示意图
3.14.6 铝上直接化学镀Ni-P-B的工艺条件是什么？
不经浸锌在铝上直接化学镀Ni-P-B镀层的工艺条件如表3-64所示。
表3-64 在铝上直接化学镀Ni-P-B镀层的工艺条件
3.14.7 置换镀镍预处理工艺的内容是什么？
在大规模集成电路（LSI）的生产过程中，经常要在铝基体上化学镀镍。由于有机光刻胶不耐强碱，因此不能采用浸锌工艺。以次磷酸钠作还原剂的化学镀镍液不能直接在铝上施镀以获得镍磷镀层，因为铝对次磷酸钠的氧化没有催化活性。镀液组成和操作条件如表3-65所示。置换反应的最佳pH值为9，若pH＜7则置换反应不能进行，过高则结晶粗大。最佳温度为60℃，过低则不能置换。
表3-65 在铝上化学镀镍工艺
图3-94 铝基体上化学镀镍各阶段表面模型示意图
a）铝基体 b）碱脱脂 c）酸洗 d）活化 e）第一次浸锌 f）锌的剥离 g）第二次浸锌 h）化学镀镍
置换镀镍预处理工艺流程如图3-95所示。铝和镍的置换速度与置换镀液的组成及操作条件有关。置换层与铝基体之间的结合力与置换溶液中所采用络合剂的种类之间的关系如图3-96所示。
图3-95 置换镀镍预处理工艺流程
3.14.8 镁合金的特点是什么？
镁合金在航空、汽车、电子行业等的应用越来越广泛。这是因为镁合金具有密度小和刚性好的特性。例如，AZ91镁合金的相对密度是铝的2/3，接近一些工程塑料的密度，但它比工程塑料刚性好，具有不吸附液体和油脂等优点。但是镁是一种很活泼的金属，在酸性介质中，特别是在含有氯离子的体系中会受到强烈的腐蚀。因此，应对镁合金进行各种表面保护。通常采用的方法有铬酸钝化、铬酸钝化后再喷涂涂料、阳极氧化、电镀或化学镀。其中，对镁合金进行化学镀镍处理，由于不仅可以获得较高的耐蚀性和耐磨性，而且能够在形状复杂的铸件上得到厚度均匀的镀层，因而受到重视。
图3-96 不同络合剂对Al基上Ni层的结合强度的影响
3.14.9 镁合金镀镍工艺的内容是什么？
由于镁合金表面易被氧化形成保护性较差的氧化膜，这层膜的存在导致镀层很难沉积，因此，必须对其进行适当的预处理。镁上化学镀镍的关键技术是镀前预处理。
传统的工艺是脱脂活化后浸锌，再镀铜，最后化学镀镍。经改进后比较简单的工艺是：先碱性脱脂，再进行铬酸浸渍和氢氟酸处理，最后进行化学镀镍。时间足够长的铬酸处理和氢氟酸处理都很重要，这是因为当非常厚的铬的氧化物和氟化物膜存在于镁的表面时，可以防止镁在化学镀镍溶液中溶解以及形成镍的置换层。
卫星上的波形管（TWT）由ZM21镁合金制造。传统的表面处理方法是阳极氧化，现在采用耐蚀性好、焊接性好的化学镀镍工艺，如表3-66所示。经过对镀层的力学性能、在环境中的稳定性（湿热试验、腐蚀试验、热稳定性试验、热循环试验、热真空试验）以及焊接性的检测，表明此工艺能提供优良的镀层，能满足要求。
表3-66 镁合金镀前预处理的工艺
（续）
3.14.10 钛合金上化学镀镍的工艺特点是什么？
作为轻金属王的钛及其合金具有较小的密度和较高的强度，能承受高温，同时具有优异的耐蚀性能，因而在航天工业上的应用日益增加。但是它在高温下容易氧化，因此要用适当的表面处理方法来克服这些弱点。由于钛很活泼，极易在表面形成氧化膜，因而它是难以进行表面处理的金属之一。钛上化学镀镍的难点也在于它的预处理工艺。钛合金上化学镀镍及镍上镀金的工艺如表3-67所示。
表3-67 钛合金上化学镀镍及镍上镀金的工艺
（续）
由该工艺得到了结合力很好的镀层，可以经受-190～150℃的热循环试验，完全适应于航天工业。
3.14.11 铜及铜合金上化学镀镍需要注意哪些方面？
铜及铜合金上化学镀镍需要注意三个方面。
1）铜及铜合金不具有自催化性能，即它本身不能诱发次磷酸钠的氧化释放电子去还原镍离子。因此，黄铜件在实施化学镀镍之前必须进行特殊的预处理来诱导镍的沉积。可以采用的方法有铁引发法、闪镀镍法以及化学活化法。化学活化法包括强还原剂预处理和氯化钯活化。
2）铜及铜合金在含氨溶液及许多有机络合剂溶液中能迅速发生腐蚀，特别是黄铜容易在酸性溶液中发生选择性脱锌腐蚀。
3）铜及铜合金件的预处理与钢铁件有很大的不同，要特别注意。铜属于非催化性金属，因此，铜及铜合金件与钢铁件预处理的主要不同之处在于活化工序，也就是得到催化活性的步骤。铜及铜合金件化学镀前的活化方法主要有：①用已经活化的具有催化活性的金属，如铁丝，接触进入镀液中的工件；②工件带电入镀液，阳极为镍液，工件为阴极，槽压为1～2V，时间为30～60s；③工件预浸氯化钯溶液（Pd：0.01～0.1g/L），催化活化。
3.14.12 铜及铜合金上获得均匀良好的镀镍层的工艺流程有哪些？
由于铜及铜合金的自身特点，要保证其表面获得均匀的结合力良好的镀镍层，无论是对各预处理溶液还是化学镀镍溶液的组成都有着一些特殊的要求。
1）采用强还原剂处理（如二甲氨基硼烷）的化学镀镍工艺流程如图3-97所示。
图3-97 采用强还原剂处理的化学镀镍工艺流程
2）采用电镀镍诱导的化学镀镍工艺流程如图3-98所示。
图3-98 采用电镀镍诱导的化学镀镍工艺流程
3.14.13 钼上化学镀镍的工艺特点是什么？
钼在晶体管封装中有着广泛的应用，主要是因为钼的热膨胀系数和硅与Al2O3的热膨胀系数大小匹配，在晶体管封装的热胀冷缩的过程中与硅的收缩一致。然而钼片本身的钎焊性很差，而镍层具有良好的钎焊性，因此需要在钼片上用化学镀镀上一层镍层。电镀镍层易起泡，且电镀的效率低，因而一般情况下不采用。
钼片上的化学镀镍工艺重点也在于其预处理工艺。钼片在机械加工后，由于表面有油污存在，因而必须先进行脱脂处理，然后温水清洗，干燥后在1000℃氢气中退火10min以除去钼片的表面张力；在退火处理之后，将钼片移至煮沸的NaOH稀溶液中进一步脱脂；然后用盐酸或硫酸溶液对钼片进行腐蚀处理，之后用铬酸溶液去掉黑色膜。但对于钼片表面有较厚氧化层者，则应采用喷砂处理。在化学镀镍之前的最后一道工序就是活化处理：室温下将其浸入含HNO310%（质量分数）、H2SO412%（质量分数）的水溶液中3～5min即可，紧接着就可以施镀了。由于钼本身不具有自催化能力，因而必须采用诱发处理，才能使镍产生沉积。一般采用在化学镀镍液中将镀件作为阴极进行3～5min的通电处理，也可以采用氯化钯活化法处理或贱金属引发处理。
镀镍后的钼片，在800～820℃氢气中退火10min，如果镀层不起皮不起泡，且保证银铜钎料在800℃下有良好的流动性和浸润性，又能满足晶体层封装中的钎焊性，即为合格镀层。