什麼是化學鍍鎳？

化學鍍鎳是一種利用次磷酸鹽還原法形成鎳磷合金鍍層的沉積工藝，旨在提升材料的功能性。本文將對此表面處理流程進行全面的技術概述。

化學鍍概述

化學鍍是一種先進的金屬表面處理過程。與此不同的是， 電鍍化學鍍依靠外部電源驅動陰極（工件）上金屬離子的還原和沈積，而無電鍍則利用鍍液內的自持化學還原反應來提供金屬離子還原所需的電子。

化學鍍鎳工藝

化學鍍鎳是指利用還原劑將鎳離子還原並沉積到具有催化活性的基材表面。最常用的還原劑是次磷酸根離子。還原劑將鎳鹽還原為金屬鎳，同時將一定量的磷摻入沉積的金屬層中。沉澱的鎳膜具有自催化性質，使得反應能夠自發進行。

關於化學鍍的反應機制，有許多理論，包括原子氫理論、氫化物轉移理論、電化學理論和羥基鎳離子配位理論。其中，原子氫理論被廣泛接受，並用來闡明其基本原理：

#1. 氫氣生成。加熱時，次磷酸根離子（還原劑）在水溶液中發生催化脫氫反應，生成亞磷酸根離子並釋出原子氫。

H₂PO₂ ^- + H.₂O → HPO₃²⁺ + H.⁺ +2[H]

#2. 鎳還原。原子氫吸附在具有催化活性的金屬表面，使其活化。活化後的表面促進鎳陽離子（Ni）的還原。²⁺從電解液沉積金屬鎳。

Ni²⁺ + 2[H] → Ni + 2H⁺

3. 磷共沉積。隨著亞磷酸根離子的進一步分解，它們被還原成磷。

H₂PO₂ ^- + [H] → H₂氧 + 羥基 ^- + P.

4. 合金形成。鎳原子和磷原子共沉積，形成鎳磷（Ni-P）合金。

因此，化學鍍鎳的基本機制是透過離子還原法沉積鎳，同時引入次磷酸鹽分解產生的磷原子。最終形成的鍍層是鎳和磷的過飽和固溶體，通常簡稱為鎳磷（Ni-P）鍍層。

化學鍍鎳所用材料

典型的化學鍍鎳槽的核心組成部分包括：

• 主要鹽類（鎳源）。主要為鎳鹽（例如硫酸鎳），用於提供電鍍過程中所需的鎳離子。
• 還原劑。一種含有兩個或更多活性氫原子的鹽（最常見的是次磷酸鹽），它透過催化脫氫作用驅動還原反應。
• 絡合劑：通常是羥基羧酸（例如，乳酸、蘋果酸、胺基酸）。這些試劑可以改善鍍液穩定性，提高沉積速率，並提升鍍層品質。
• 穩定劑。添加這些成分是為了抑制電鍍液的自發性整體分解。它們確保反應以可控、有序的方式進行，防止發生不受控製或過度分解，從而影響電鍍液的使用壽命和鍍膜品質。
• 加速劑。用於提高化學沉積速率。
• 緩衝劑：用於穩定沉積速率，確保薄膜品質的一致性。
• 界面活性劑（潤濕劑）。少量添加有助於釋放反應過程中產生的氫氣，進而降低薄膜孔隙率，提高整體沉積品質。

化學鍍鎳的特性

外觀

化學鍍鎳膜通常呈現亮光、半亮光或略帶黃色的外觀。磷含量會影響最終的顏色和光澤、基材的初始粗糙度、膜厚、沉積速率以及所採用的特定電鍍參數。

機械性能

化學鍍鎳層通常被歸類為脆性鍍層。雖然其抗拉強度高，但彈性模量低，延展性差。這種力學性能歸因於鍍層的非晶態或微晶結構，這種結構有效地阻礙了塑性變形。抗拉強度隨磷含量的增加而增加；例如，含磷量為1%至3%的Ni-P鍍層的抗拉強度可達150至200 MPa，而含磷量為10%至12%的高磷鍍層的抗拉強度可達650至900 MPa。然而，相應的延伸率通常低於1%。

耐腐蝕性能

化學鍍鎳優異的耐腐蝕性是其在工業領域廣泛應用的主要原因。確保耐腐蝕性的關鍵因素是鍍膜的厚度和完整性。研究表明，含磷量約11%的Ni-P鍍層在30μm厚度時可達到最佳耐腐蝕性。研究還表明，較高的磷含量通常與更好的耐酸性相關，因為在酸性介質中形成的鈍化膜是一種韌性很強的金屬磷化物層。

至關重要的是，只有完整無損的鍍層才能確保卓越的耐腐蝕性。如果鍍層局部受損或破損，基材的腐蝕就會加速。這是因為相對於鋼基材而言，鎳磷鍍層是陰極（更活潑）。一旦鍍層受損，就會形成電化學電池，基材（陽極）會優先且迅速地被腐蝕。

硬度

化學鍍鎳層是一種過飽和固溶體，其特徵是晶格畸變程度高。磷含量的增加促進了晶粒細化，從而提高了鍍層的初始硬度。後續的熱處理會誘導磷化物相在鍍層內擴散和沈澱。此相變可顯著提高鍍層的硬度，析出硬化的鍍層硬度通常可達1100 HV。

耐磨性

由於其可達到的高硬度，鎳磷鍍層相比純電鍍鎳具有更優異的耐磨性。這種優異的性能促使該製程在航空航太、化工、石油天然氣、採礦和軍事工程等領域得到廣泛應用。對於需要同時具備耐磨性和耐腐蝕性的應用，例如泵浦和葉輪，可採用厚度大於75μm的鍍層。厚度在25至75μm範圍內的高磷鍍層常用於漿料泵和油井泵等部件，以應對磨損和腐蝕的雙重挑戰。

化學鍍鎳的應用

航空航天

航空航太領域是該技術使用頻率最高的產業之一。一個值得關注的應用領域是噴射引擎葉輪的維修和翻新。例如，高磷化學鍍鎳技術被用於修復某些型號噴氣發動機（例如美國778D系列）的葉輪，以確保其在飛行作業中安全重複使用。

為了最大限度地減輕重量，航空航天工業大量使用 鋁合金經過化學鍍鎳和後續表面硬化處理後，這些鋁製部件的耐腐蝕性和耐磨性得到顯著提升，並保持了良好的焊接性能。此外，化學鍍鎳也應用於航太系統中精密金屬鏡的製造。在航太系統中，採用高強度、輕質鋁材作為基材，並塗覆一層特製的高磷化學鍍鎳層（磷含量為12.2%至12.7%），經拋光處理後，可獲得達到9A級鏡面光潔度的鍍層。

汽車業

汽車行業採用化學鍍鎳製程來保護關鍵部件，該製程通常取代了舊製程。業界標準做法是使用化學鍍鎳來保護鋅。 壓鑄例如化油器等部件，需要透過化學鍍鎳來防止腐蝕。化學鍍鎳是燃油輸送系統（包括化油器和燃油泵）的標準表面保護方法。化學鍍鎳層固有的均勻性對於齒輪和燃油噴射器等複雜幾何形狀的部件尤其有利，因為傳統電鍍難以實現厚度的一致性。

化工

在化學工業，化學鍍鎳常被用作昂貴的耐腐蝕合金的經濟有效的替代方案。此技術可提高化學產品的純度，減少環境影響，增強操作安全性和運輸可靠性，進而帶來經濟競爭優勢。化學鍍鎳廣泛應用於保護大型反應釜內表面免受腐蝕性化學物質的侵蝕。

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