电镀多层镍的发展和应用

摘 要：文章分析了多层镍的防腐原理和在工业生产中的应用，指出镀镍工艺发展过程中需要解决的几个问题，这对促进电镀工业的发展具有很大的推动作用。

关键词：电镀；镀镍；多层镍

1 概述

镍的密度为8.907g/cm3，熔点1450℃，镍的强度高、塑性好，硬度高、耐磨性好，可锻性强、易于加工，耐蚀性好、特别是抗碱蚀性好，耐高温，接触电阻小。除用作防护装饰镀层外，在机械工业中用作重要工件的修复如轴承，或用于修复磨损后的工件。在电子工业中用作插头镀金层的底层，以提高镀金层的耐磨性，镀镍层还经常与镀金层一起作为导电图形制作时的抗蚀层，以抵抗碱性溶液的浸蚀。同时它还与金层一起作为印刷板的可焊性保护层，代替传统的整平工艺。正是由于镀镍层有很多优异的性能，所以广泛用在电子、化工、机械、食品和医疗等领域，其应用已遍及现代工业的所有部门，在电镀工业生产中，镀镍层的生产量仅次于于镀锌层而居第二位。

2 多层镍的防腐原理

镍的标准电极电位为-0.25V，比铁的标准电位高，并具有强烈的钝化能力，钝化后电位更高，可用在铁工件上镀镍，属于阴极镀层。只有当镀层完整无缺时，镍镀层才能使铁工件受到机械保护作用。由于镍镀层孔隙率高，特别是当镀层较薄时更为突出，因此只有镍镀层足够厚（40～50μm）时才能在空气和腐蚀介质中起到防腐作用。按镀层的外观和结构特征可分为暗镍、光亮镍、黑镍和硬镍多层镍等。光亮镍镀层的晶体结构虽然比暗镍镀层要致密一些，但镀层内应力和孔隙率较高，不能镀厚。腐蚀发生时，由于铁的电极电位低，钢铁基体成为腐蚀电池的阳极，使腐蚀沿厚度纵向发展，加速了钢铁基体的腐蚀。为改善镍镀层的防护性能，研究人员通过改变镀液的成分，改善电镀工艺条件，而开发了多层镍工艺。多层镀镍工艺是经不断改进和完善后的防护装饰性电镀工艺，它包括半光亮镍、高硫镍、光亮镍、微孔镍等技术。可以组合出双层镍、三层镍、四层镍等，其各方面性能达到甚至优于传统的Cu/Cr/Ni技术，是装饰性电镀中取消氰化物镀铜的理想选择。镀多层镍是在同一基体材料上，选用不同的镀液成分及工艺条件，获得两层或三层的镍镀层，但是镀层总厚度却不增加甚至降低，而镀层的耐蚀能力却得到提高。

2.1 双层镍

电镀双层镍的底层是半光亮镍，含硫量小于0.005%，外层是光亮镍，含硫量大于0.04%，一般在0.05%左右。由于外层含硫的光亮镍电位较低，通常光亮镍层与半光亮镍层之间的腐蚀电位差在120～160mV，腐蚀一旦发生，外层含硫较高的亮镍成为阳极，底层的半光亮镍成为阴极，光亮镍层优先腐蚀，使腐蚀在光亮镍层中横向发展，避免了腐蚀向纵深发展。从而使半光亮镍层受到电化学保护，有效提高了整个双层镍层对钢铁基体材料的保护性能[1]。

2.2 三层镍

三层镍是在双层镍之间再镀一薄层含硫量更高的高硫镍层。高硫镍层含硫量为0.12%～0.25%[1]。这种镍具有比半光亮镍、光亮镍都高的电化学活性，腐蚀电位在三层中最低。腐蚀一旦发生，高硫镍层成为腐蚀原电池的阳极优先腐蚀，使腐蚀在高硫镍层中横向发展，保护了底层半光亮镍层和基体金属免受腐蚀，保证了电镀三层镍即使在厚度很薄时仍具有很好的耐蚀性。由于三层镍的耐蚀性性能更好，因此镍层总厚度只要25μm就可以超过总厚度40μm的双层镍的耐蚀性能，更远远超过了单层镍的耐蚀性性能。通常高硫镍层的厚度只要1μm就足够了，而半光亮镍层的厚度一般控制在总厚度的50%以上[1]。

2.3 四层镍

四层镍是由半光亮镍、高硫镍、亮镍、镍封组成，是在三层镍的基础上再镀一层镍封。镍封层结构致密，镀层上含有无数微小不导电的颗粒（SiO2），再在其上镀铬，在不导电的颗粒处形成孔隙，整个镀铬层成为多孔层（孔的密度为15000～50000cm2）；一方面微粒封闭了亮镍层的孔隙，另一方面增大了表面积，降低了腐蚀电流的密度，从而提高了耐蚀性[2-3]。

3 多层镍的应用

3.1 在钛合金上的应用

在钛合金上镀镍，既有足够的强度，又能提高钛合金的耐磨性能、抗咬合、抗划伤的能力，扩大了钛合金在航空航天领域的应用[4]。

3.2 在镁合金上的应用

雷细平研究了在镁合金上镀Cu-Ni-Cr镀层，该组合镀层中的镍是“双层镍”或者“三层镍”，使得组合镀层的耐蚀性和耐磨性能明显提高，满足了在恶劣环境下工作的汽车、摩托车等产品的特殊要求[5]。

3.3 在钢铁件上的应用

罗耀宗在钢铁管件上镀含有多层镍的Cu-Ni-Cr镀层，成功解决了镀层疏松的问题。刘慧明等通过在汽车辐条式铁轮毂电镀多层镍/铬工艺，得到的镀层厚度均匀、质量稳定，产品质量通过了美国高速公路测试标准，产品已批量销往美国[6～7]。

3.4 在锌铝合金上的应用

王爱荣在锌铝合金上以氰化镀铜作底层，再在其上镀Cu-Ni-Cr组合镀层，使得锌铝合金的耐蚀性和结合力明显提高。罗耀宗在高级摩托车铝合金汽缸盖上镀含有多层镍的Cu-Ni-Cr镀层，该镀层结合力良好，表面光亮如镜，完全满足客户提出的苛刻防腐条件，使得产品返销英国[8～9]。

3.5 在不锈钢上的应用

罗建江研究了在不锈钢丝上镀镍，具有高的比强度、良好的减震性、较好的耐腐蚀和耐磨性、电磁屏蔽好等优点。使得不锈钢丝在汽车和电子通讯领域得到了更广泛的应用，并将成为高附加值的产业[10]。

4 结束语

不断开发多层镍电镀溶液配方、改进工艺，严格控制多层镍中硫的含量，通过采取特殊的添加剂减少对环境的污染，增加脉冲、超声波在电镀镍过程中的应用，研究电镀工艺参数与镀层性能之间的关系，成为电镀镍工艺的发展方向。将相对廉价的金属转换成有价值的产品，电镀是重要方法之一。对于薄镀层，多层镍结构已经成为改善镀层耐蚀性能的主要方法之一。电镀技术的不断改进及电镀产品功能性的不断增加，使电镀业变得更有吸引力，对工业文明也有着重要的推动作用[11～12]。

参考文献

[1]陆群.表面处理技术教程[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]王宗雄，彭海泉，王超，等.多层镀镍工艺及相关配方[J].电镀与涂饰，2015，34（16）：941.

[3]翁元浩.多层镍组合镀层-提高镀层防护能力的措施（二）[J].低压电器，1987.

[4]刘洪涛，邓长城.钛合金镀镍在航空航天工业中应用的可行性研究[J].功能材料，2010，41（2）：249.

[5]雷细平.镁合金产品电镀与混合镀镍的研究[D].长沙：湖南大学，2009：13.

[6]罗耀宗.对铁管件镀铜一镍一铬工艺的一点改进[J].腐蚀与防护，2000，21（10）：468.

[7]刘慧明.汽车辐条式轮辋电镀多层镍/铬自动线简介[J].汽车工艺与材料，2003，3：36-38.

[8]王爱荣.实用锌铝合金压铸件镀装饰性铜镍铬工艺[J].腐蚀与防护，2002，23（3）：132.

[9]罗耀宗.摩托车铝合金汽缸盖电镀多层镍工艺[J].电镀与精饰，2002，24（6）：10-11.

[10]胡建江.不锈钢细丝表面电镀镍[D].沈阳：东北大学，2008：2.

[11]王培，李争显，杜继，等[J].镀镍的工艺基础及发展[J].材料保护，2011（11）：55-57.

[12]方小红.超声波电镀镍及镍基复合镀层的研究进展[J].材料保护，2008（8）：58-61.