化学镀镍起源于20世纪中叶。 1944 年,Abner Brenner 博士和 Grace E. Riddell 在研究传统电镀 ,偶然发现了一种无需使用电流即可将镍沉积到金属表面的方法。这一突破导致了化学镀镍的发展。从那时起,该技术不断发展,其应用范围也不断扩大——从电子和航空航天到石油和天然气、汽车和国防工业。在本文中,我们将探讨化学镀镍的工作原理、其优点、特性、应用等。

化学镀镍 (ENP) 是一种自催化化学工艺,无需外部电流即可在固体基材(例如金属或塑料)上沉积均匀的镍合金层。传统电镀需要电力来还原基材上的金属离子,而化学镀则不同,它依靠化学还原剂(次磷酸钠)来促进镍的沉积。
即使在复杂的几何形状和难以触及的内表面(如槽、孔和管道内部)上,该工艺也能产生一致且均匀的涂层厚度。沉积的镍层通过提供改进的耐腐蚀性、硬度、耐磨性以及有时的润滑性或磁性来增强基材的表面性能。通常,电镀后不需要进一步的表面精加工、机械加工或研磨。

虽然电镀镍因其成本效益和大批量生产的适用性而被广泛使用,但化学镀镍因其独特的优势在某些应用中往往受到青睐。
在 ENP 的所有应用中,一个非常重要的特性是能够产生厚度高度均匀的涂层,即使是在具有关键尺寸的复杂零件上,例如球阀和螺纹部件。由于该工艺的自催化性质,不存在可能导致关键区域过度电镀或电镀不足的高电流或低电流区域。可以严格控制厚度,以确保组件整个表面上的沉积速率相等。此外,ENP 涂层光滑一致的表面可减少摩擦。
化学镀镍的孔隙率比电镀镍少。特别是高磷 ENP 涂层呈现出非晶态结构,可减少腐蚀性物质渗透的途径。这形成了均匀致密的屏障,显着增强了耐腐蚀性,使其成为恶劣化学和海洋环境的首选。
这种电镀方法不需要基材具有导电性或进行导电处理。它还消除了对电源、阳极和复杂固定装置的需求。化学镀对设备的要求极低,可显着降低设置成本并降低安全风险。
ENP 沉积物可以通过热处理达到与铬相同硬度的约 90%。低磷 EN 涂层的镀层洛氏硬度 (Rc) 测量值高达 63。相比之下,通过电解电镀形成的 II 型光亮镍镀层的镀层硬度为 50+ Rc。

a.清洁和脱脂
首先,彻底检查和清洁零件表面,去除油、油脂或氧化物等污染物,以确保镍层具有良好的附着力。
b.活化(适用于非金属基材或钝化金属)
非金属材料(如塑料和陶瓷)本身缺乏催化活性,而钝态金属(如不锈钢和铝)往往在其表面形成致密的氧化物或钝化层,从而阻碍涂层附着力和镍离子还原。由这些材料制成的零件通常需要浸入化学浴中以活化表面,提高化学镀镍的附着力和均匀性。
值得注意的是,对于活性金属,例如碳钢和铜,通常不需要专门的活化步骤。经过清洁和酸蚀刻等标准预处理步骤后,基材表面具有足够的活性,可以直接进行化学镀镍。
该工艺的核心成分是电镀液。电镀液包含几个关键要素:
为了更好地说明这个过程,我们使用次磷酸钠 (NaH2PO2) 作为还原剂并检查溶液中发生的主要化学反应。
| 次磷酸钠的氧化 | H2PO2−+ H2O → H2PO3−+ 2H++2e- |
| 镍离子的还原 | Ni2++2e-→Ni |
| 整体反应 | Ni2+ + 2H2PO2−+ 2H2O → Ni + 2H2PO3−+ 2H+ |
要点:
一旦达到所需的沉积镍厚度,零件就会被彻底冲洗和干燥。通常对它们进行热处理以进一步提高硬度,加强涂层与基材之间的结合,并减少涂层内的内应力。
在前面的章节中,我们了解到磷含量和热处理都会影响化学镀镍涂层的性能,其基本逻辑是它们会影响涂层的结构。接下来,我们将探讨这些因素如何影响特定性能,这对于根据特定应用和性能要求选择正确的化学镀镍类型至关重要。

化学镀镍不具备纯镍的耐高温性能。在镍中添加磷几乎呈线性降低合金的熔点。 例如,纯镍的熔点约为1455°C,添加约11%的磷可将其降低至约880°C,这是镍-磷体系的共晶点。熔点的显着降低限制了化学镀镍在高温环境中的使用。

EN沉积物具有中等导电性,但其导电性随着磷含量的增加而降低。磷的共沉积破坏了镍晶格,导致形成非晶或细晶结构。这种结构变化增加了电子散射并提高了电阻率。
高磷涂层的电阻率通常在 50 至 200 微欧/厘米之间,提供绝缘性和导电性的平衡,有利于触点、开关设备和热交换器管道等应用。热处理可以进一步改变这些性能。电阻率在 150°C 左右开始下降,其中由于磷化镍沉淀的结构变化,在 260°C 至 280°C 之间发生最显着的下降。

纯镍的铁磁性随着磷含量的增加而显着降低。磷含量超过 10.5% 的 ENP 沉积物通常是非磁性的,这一特性使得高磷化学镀镍涂层的主要用途之一成为可能:作为存储盘生产中磁性涂层的底层。即使在 260°C 的短期热处理后,这种非磁性状态仍能保持。然而,长时间或更高温度的热处理会导致磷化镍沉淀,从而增加铁磁性能。
ENP 涂层的热膨胀系数 (CTE) 一般在 11.1 至 22.3 µm/m°C 之间。低磷镀层的CTE较高,接近甚至超过纯镍,而高磷镀层的CTE则明显较低。选择合适的 CTE 来匹配基材对于确保结构完整性、延长组件使用寿命以及降低因温度波动而导致开裂或剥落的风险至关重要。
耐腐蚀性是化学镀镍广泛应用的主要原因之一。然而,不同类型的化学镀镍涂层的性能因环境条件而异。在高温和强碱性环境下,低磷涂层比高磷涂层具有更好的耐腐蚀性。相比之下,高磷涂层在中性或酸性环境中具有优异的耐腐蚀性。
由于化学镀镍充当屏障而不是牺牲涂层,因此涂层的厚度和低孔隙率对其耐腐蚀性至关重要。具有较低孔隙率的较厚涂层往往具有更好的耐腐蚀性。此外,高磷涂层(磷含量超过10%)由于其无定形结构,不太可能形成孔隙,因此具有增强的耐腐蚀性。
值得注意的是,热处理会导致微裂纹的形成,特别是在高磷涂层中。这些裂纹会使腐蚀性介质渗入涂层,降低其耐腐蚀性。
| 苛性碱溶液 | N02200(镍200) | EN涂料 | 低碳钢 | S31600(316 不锈钢) | ||
| LP | 国会议员 | 惠普 | ||||
| 45% NaOH + 5% NaCl @ 40°C | 2.5 | 0.3 | 0.3 | 0.8 | 35.6 | 6.4 |
| 45% NaOH + 5% NaCl @ 140°C | 80.0 | 5.3 | 11.9 | 失败的 | 无数据 | 27.9 |
| 35% NaOH @ 93°C | 5.1 | 5.3 | 17.8 | 13.2 | 94 | 52.0 |
| 50% NaOH @ 93°C | 5.1 | 6.1 | 4.8 | 9.4 | 533.4 | 83.8 |
| 73%NaOH @ 120°C | 5.1 | 2.3 | 7.4 | 失败的 | 第1448章 | 332.7 |

在沉积状态下,化学镀镍镀层的硬度随着磷含量的增加而降低。低磷化学镀镍涂层在沉积状态下表现出更高的硬度。然而,所有化学镀镍涂层都比电镀镍更硬。例如,化学镀镍层的维氏硬度(HK100)通常在500至720之间,而电镀镍硬度仅在150至400 HK100之间。
而且,无论磷含量如何,各类镀层的硬度在热处理后均显着增加,达到约850至950 HK100。这种硬度水平接近甚至与镀铬相当,这也是化学镀镍在需要高硬度和耐磨性的应用中逐渐取代镀铬的原因之一。


然而,高磷涂层和低磷涂层的热处理行为存在显着差异。如上图所示,在400℃热处理下,低磷镀层在最初的短时间内硬度迅速增加。但随着热处理时间的延长,会发生再结晶和晶粒长大,导致硬度逐渐下降。因此,低磷涂层更适合短时间的高温热处理。相比之下,高磷涂层即使在长时间的热处理后也能保持稳定的硬度,使其成为长期热处理的理想选择。
下表显示了化学镀镍为达到最大硬度而推荐的三种热处理方法。
| 磷含量(%) | 热处理 |
| 2 - 5 | 400° - 425°C 1 小时 |
| 6 - 9 | 375° - 400°C 1 小时 |
| 10 - 13 | 375° - 400°C 1 小时 |
由于硬度较高,低磷化学镀镍涂层在沉积状态下表现出更好的耐磨性。中磷镀层的耐磨性比低磷镀层稍低,属于中间范围。高磷涂层具有非晶态结构,沉积态硬度较低,耐磨性通常较差。
虽然热处理可增强所有类型涂层的耐磨性,但低磷涂层在热处理后尤其突出。其耐磨性接近电镀铬,优于高磷镀层。

磷含量对化学镀镍镀层的延展性影响极小。低磷和高磷镀层的延展性都比较低,两者之间只有细微的差别。断裂伸长率通常仅为1%至2.5%,并且化学镀镍镀层的延展性在热处理后进一步下降。

内应力是指涂层本身产生的应力,影响其尺寸稳定性。拉应力导致沉积物收缩,而压应力导致沉积物膨胀,可能导致破裂或分层。 ENP 中的内应力可以通过调整镀液成分、温度和 pH 值以及优化电镀工艺参数来控制。高磷涂层通常在新鲜溶液中表现出压应力,而低磷涂层在新镀液和老化镀液中均保持压应力。然而,中磷涂层往往会表现出拉伸应力。
EN 涂层与焊料粘合良好,有助于电子元件和电线之间牢固可靠的连接。尤其是低磷 EN 涂层,由于其表面更光滑,可提供更好的焊料附着力,与高磷涂层相比,可促进更坚固的焊点。
然而,EN 涂层不适合焊接。焊接过程中的高温会导致镍层氧化或形成脆性相,从而削弱焊缝。高磷涂层在这些条件下特别容易脆化,而低磷涂层可能具有更好的耐热性,但由于涉及极端温度,它们仍然不适合焊接。

化学镀镍因其卓越的性能而广泛应用于多个行业,特别是当不锈钢等传统材料不具有成本效益或不可行时。制造商经常选择这种电镀方法来替代铝合金、碳钢或低级不锈钢等材料,因为这些材料通常需要保护涂层才能满足性能标准。以下是化学镀镍被证明最有益的关键行业和零件:
化学镀镍广泛应用于食品工业中的部件,这些部件虽然不直接接触食品,但要求高耐腐蚀性和易于维护。典型应用包括肉类加工、谷物处理、面包房、快餐设备、啤酒厂和家禽加工机械中的轴承、滚筒、输送系统、液压系统和齿轮。
石油和天然气行业的零件经常暴露在恶劣的腐蚀性环境中。化学镀镍为阀门、球塞配件、筒体和管道配件等部件提供耐用的保护层,为该行业的严格应用提供出色的耐腐蚀性和耐磨性。
化学镀镍可提高减震器、气缸、制动活塞和齿轮等重要汽车零部件的耐用性和性能。涂层均匀的厚度和耐摩擦性可提高部件的使用寿命和车辆的整体性能。
精度和可靠性在航空航天领域至关重要,化学镀镍应用于阀门、活塞、泵和关键火箭部件等部件。其均匀的沉积确保了复杂形状上一致的涂层厚度,从而增强了极端条件下的耐用性和可靠性。
该行业经常接触腐蚀性化学品,因此需要对泵、混合叶片、热交换器和过滤器装置等部件进行持久保护。化学镀镍可显着提高耐腐蚀性,保持设备完整性并减少维护停机时间。
在塑料和纺织行业,模具、模具、喷丝板和挤出机等部件受益于化学镀镍的耐磨性和光滑表面。该涂层可减少摩擦,延长零件使用寿命,确保稳定的产品质量,并最大限度地减少设备停机时间。
化学镀镍是一种适应性强且可靠的涂层解决方案,可为各种工业应用带来保护、耐用性和均匀性。即使在最复杂的表面上,其独特的耐腐蚀性、磨损保护和一致的涂层厚度组合使其成为某些应用中传统电镀的先进替代品。
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在各种类型的加工过程中,有时我们希望有一种加工方法能够实现刀具与工件之间的非接触。当然,我们会想到放电加工 (EDM)。
延展性是材料科学中的一个基本概念,它解释了为什么某些材料(例如金属)会在压力下显着弯曲或伸展,而另一些材料突然突然会弯曲。在本文中,我们将解释什么是延展性,如何测量,为什么重要以及哪些因素影响它。 延展性的定义 延展性是材料在断裂前张力造成塑性变形的能力。简而言之,可以将延性材料拉长很长的路,而无需捕捉 - 考虑将铜拉入电线中。相比之下,像玻璃这样的脆性材料几乎没有变形后倾向于破裂或破碎。在材料科学中,塑性变形是形状的永久变化。这与弹性变形不同,弹性变形是可以恢复的。延展性与可塑性密切相关,但更具体:可塑性是在任何模式(张力,压缩或剪切)下永久变形的一般能力,而延展性则是指张力的能力。 从原子的角度来看,许多金属的高延展性来自非方向金属粘结以及允许脱位移动的滑移系统的可用性。施加压力后,脱位滑行使金属晶体可容纳塑性应变,因此金属通常弯曲或拉伸而不是断裂。相比之下,陶瓷和玻璃具有定向离子或共价键,并且滑动非常有限,因此在张力下,它们在明显的塑料流动之前倾向于破裂。但是,并非所有金属在室温下都是延性的(例如,某些BCC金属,高碳钢和金属玻璃杯可能相对脆),并且加热玻璃弯曲的玻璃弯曲主要是由于其玻璃转换温度以上的粘性流量,而不是金属式耐耐耐高压。 测量延展性 拉伸测试是量化延展性的最常见方法:标本以单轴张力加载到骨折中,延展性据报道是休息时伸长率的百分比和降低面积的百分比。 休息时伸长百分比(a%) 骨折时量规长度的百分比增加:a%=(lf -l0)/l0×100%,其中l0是原始量规长度,而LF是断裂时的最终长度。较高的A%表示拉伸延展性更大。 减少面积百分比(RA%) 裂缝位置的横截面的百分比降低:RA%=(A0 - AF)/A0×100%,其中A0是原始面积,AF是休息时的最小面积。大的RA%反映出明显的颈部和强烈的颈后延展性。 (对量规长度不太敏感;对于非常薄的纸张而言并不理想。) 这两种措施通常是拉伸测试的一部分。例如,可以描述钢样品的伸长率20%,而在休息时降低了60%的面积 - 表明延性行为。相比之下,脆性陶瓷可能仅显示1%的伸长率,而本质上可能显示出0%的面积减少(几乎没有变薄)。伸长率和降低越大,材料的延展性就越大。 可视化延展性的另一种方法是在应力 - 应变曲线上,这是从拉伸测试获得的图。绘制应力(相对变形)的应力(每单位面积)。此曲线上的要点包括: 杨的模量(E):线性弹性区域的斜率;刚度的度量。 屈服强度(σᵧ):塑性变形的发作(通常由0.2%偏移方法定义时,当不存在尖锐的屈服点)。 最终的拉伸力量(UTS):最大工程压力。超越标本的脖子;断裂发生后期,通常处于较低的工程压力下。 断裂点:标本最终破裂的地方。 延性材料(蓝色)与脆性材料(红色)的代表性应力应变曲线 延性材料的曲线在屈服后显示长塑料区域,表明它可以在骨折前保持较大的应变。相比之下,脆性材料的曲线在屈服点附近结束,几乎没有塑料区域。总而言之,在工程应力 - 应变图(对于规定的规格长度)上,延展性反映了裂缝的总应变 - 延性材料的长时间,脆性材料的较短。但是,明显的断裂应变取决于所选的量规长,一旦颈部开始定位,颈部开始定位,因此工程曲线不是颈后延展的直接衡量。因此,规格通常在休息时报告百分比伸长率(a%)以及降低面积百分比(RA%)。 延展性和延展性有什么区别? 延展性是一种材料在不破裂而伸展张力的能力。我们以拉伸测试的伸长百分比或减少面积来量化它。如果可以将金属吸入电线,则是延展性的。锻造性是一种材料在压缩方面变形的能力(不开裂,可以锤击,滚动或压入纸板);我们通过弯曲/扁平/拔罐测试或减小厚度可以耐受多少判断。 实际上:黄金,铜和铝都是高度延展且可延展的(非常适合电线和纸板)。铅非常具有延展性,但仅适中延展性(易于滚动成薄片,较差,作为细丝)。镁在室温下的延展性有限,而锌在变暖时会更具延展性。为了制造制造,选择延性合金用于绘画,深度拉伸和下拉的功能;选择可延展的合金滚动,冲压和锻造,在压缩占主导地位的地方。温度和晶体结构移动两个特性。快速规则:延展性=张力/电线;锻造性=压缩/表。 为什么延展性很重要 延展性是制造性和服务安全性安全背后的安静主力。在工厂中,它允许将金属卷成纸板,将其拉入电线并锻造而不会破裂。在现场,它使组件能够吸收能量,重新分配应力并在失败前提供警告。 制造的延性材料 高延展性通常意味着一种材料是可行的:它可以锻造,滚动,绘制或挤出成各种形状而不会破裂。低延展性(脆性)意味着该材料很难变形,并且更适合于铸造或加工等过程(在材料不强迫塑料形状过多地改变形状)之类的过程中。 锻造和滚动:这些过程通过锤击(锻造)或在掷骰(滚动)之间将固体金属变形为形状。延性金属耐受涉及的大塑料菌株。实际上,钢板/开花被热卷成薄板,板和结构形状,例如I光束,铝很容易被伪造成组件 - 金属在压缩载荷下流动。相比之下,像铸铁这样的脆性合金倾向于在沉重的变形下破裂,因此通常通过铸造到近网状形式来形状。 挤出和电线/栏绘图:挤出将金属推动通过模具制作长而恒定的截面产品。电线/条形图将固体库存通过模具降低直径。两者都依靠塑料流。可以将延性合金(例如铝,铜和低碳钢)挤出到试管和轮廓(例如窗框,热水链截面)中,并将其抽入细线。在加工温度下没有足够的延展性的材料倾向于检查或裂缝,这就是为什么玻璃或陶瓷不会以固态挤出/绘制的原因;他们的纤维是融化的。 深图:深色绘图形成轴对称的杯子和罐,并用拳头迫使薄板进入模具;法兰向内进食,而墙壁略微稀薄。足够的延性可防止分裂和皱纹。铝饮料罐头是经典的例子。 薄板金属弯曲和冲压:车身面板和外壳的一般弯曲和冲压需要延展性,以避免边缘裂纹和橙色 - 薄荷伸展时。钢制和铝等级是针对形成性量身定制的,因此可以将复杂的形状(例如,汽车引擎盖)盖章而不会故障。 金属3D打印(AM):延展性仍然很重要。当然的零件(尤其是来自激光粉床融合(LPBF))可以显示出由于细,质感的微观结构,残留应力和孔隙率而显示出降低的延展性。压力缓解和热等静止压力(髋关节),然后经常进行轻热处理,恢复延展性并降低开裂风险;然后,TI-6AL-4V和ALSI10MG等合金可以提供有用的服务延展性。 现实世界应用的延性材料 延展性不仅是实验室指标,还直接影响现实世界结构,车辆和设备的性能。这就是为什么它在工程和设计中重要的原因: 防止突然失败并提高安全性:延性材料逐渐失效:它们在断裂前产生和吸收能量,提供可见的警告并允许负载重新分配。在建筑物中,这就是为什么结构钢受到青睐的原因 - 超负荷的梁会弯曲而不是捕捉。钢筋混凝土遵循相同的逻辑:嵌入式钢钢筋增加延展性,因此成员可以在地震需求下弯曲而不是分开。 影响(地震和碰撞应用)中的能量吸收:在动态载荷下,延展性将影响能量变成塑料工作。钢框通过屈服来消散地震力,并以钢或铝折叠的汽车碎区域的控制方式以受控的方式降低机舱减速。现代人体结构平衡强度与延展性(例如DP/Trip Steels),并且航空航天Al/Ti合金保留足够的延展性,以造鸟,加压和冷soak耐受性。 […]
CNC 加工是一种多功能制造工艺,涉及使用计算机控制的工具用各种材料制造精密零件。这些材料构成了数控加工的基础,直接影响加工效果。因此,对我们来说,认识各种数控加工材料并获得识别适合特定应用的材料的能力非常重要。
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