化学镀研究现状及其应用

第 47 卷 第 8 期2018 年 8 月Vol.47 No.8Aug. 2018化工技术与开发Technology & Development of Chemical Industry化学镀研究现状及其应用王　浩1，封正龙2（1.西南石油大学材料科学与工程学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）摘　要：化学镀作为一种常用的表面工程技术，被广泛用于改善钢铁表面的耐蚀性、耐磨性和硬度。

相对于电镀、机械镀等外作用力场镀层技术，这种应用沉积原理、不需通电的镀层技术，更具有实际的应用价值，经济性高，修饰后的表面强度高。

本文通过对化学镀的原理、工艺特点、国内外研究现状、应用情况及发展趋势的论述，综合评价化学镀的工程应用价值，凸显出化学镀在未来表面工程技术多类型、多方面、多层次发展的研究特点基础上的实际应用价值。

关键词：化学镀；表面工程；材料工程性能中图分类号：TG 174.44 文献标识码： A 文章编号：1671-9905(2018)08-0037-04作者简介：王浩，西南石油大学材料科学与工程学院硕士研究生，研究方向：材料学。

E-mail: 3215381721@ 收稿日期：2018-06-01化学镀始于20世纪80年代的欧美等工业化国家，其研究、开发和应用的飞跃式发展使得其在工业领域的应用程度不断升高，而其应用方式也在不断变化，应用的工艺技巧也越来越多样化，作业工艺种类也是呈现上升的趋势。

其实际应用范围的扩大也促使化学镀技术的研究不断地发展深化。

近年来，多种合金镀层的化学复合技术即三元化学镀或多元化学镀技术，取得了一些成果。

例如在Ni-P(镍-磷)镀层中引入SiC 或PTFE 的复合镀层，比单一的Ni-P 镀层有更佳的耐磨性及自润滑性能。

在Ni-P(镍-磷)镀层中引入金属钨，进一步提高了Ni-W-P(镍-钨-磷)镀层的硬度，在耐磨性能方面得到很好的效果。

化学镀工艺包括预处理工艺（打磨、除油、酸洗和活化[1]）与化学镀工艺。

金属的化学镀类型繁多，如化学镀镍、化学镀镍基多元合金、化学复合镀（纳米粒子与镍等元素共沉积形成的镀层）、化学镀铜以及化学镀银等[1]。

现代化学镀技术间的重要区别在于沉积速度、可实际沉积厚度、沉积与基体表面的附着力、沉积性能(如耐蚀性、耐磨性等)、沉积结晶结构、镀层厚度均匀性、镀液镀覆特殊基体的能力、化学镀液的技术利用率、镀层质量的重复性(或稳定性)、沉积的成本、工艺危害及废物等。

本文对化学镀的原理、工艺特点、研究进展和应用情况进行陈述，探讨化学镀的应用价值，总结其应用现状的特点，对化学镀的发展趋势和发展前景做出个人的论述分析。

1　原理1.1　镀层的形成在基体镀层的形成过程中，还原剂与氧化剂的选用、镀层金属的选择及镀层配方的优化，直接决定镀层的稳定性。

不加外电流而利用异相固相或液相，使得基体表面进行受控自催化还原反应，从而在基体上获得所需性能的连续、均匀附着的沉积镀层，其依据是利用含有强还原剂的金属离子溶液，将金属离子还原成金属而沉积在基体表面，形成致密镀层。

化学镀常用的溶液包括化学镀银、镀镍、镀铜、镀钴、镀镍磷液、镀镍磷硼液等，其实质是在镀液中添加适当的还原剂，将金属离子还原成原子，并沉积在基体表面。

目前以次亚磷酸盐为还原剂的化学镀镍的自催化沉积反应，已经提出的理论有“原子氢态理论”、“氢化物理论”和“电化学理论”等，这几种理论中，得到广泛认可的是“原子氢态理论”。

1.2　镀前准备——敏化与敏化液与电镀相比，化学镀过程不存在因电力线分布问题所导致的镀层沉积不均匀。

采用与电镀明显不同的镀前准备(如催化)，镀层厚度将更为均匀，这种催化处理被称为敏化，处理液被称为敏化液，可使38化工技术与开发第 47 卷非金属表面形成一层具有还原作用的还原液体膜。

好的敏化效果，要求具有还原作用的离子在一定条件下能在较长时间内保持其还原能力，并且能控制其还原反应的速度，要点是敏化所要还原出来的不是连续的镀层，而只是活化点。

目前最适合的还原剂只有氯化亚锡，对于非金属化学镀镍，用得最多的是Pd活化工艺。

当吸附有Sn的非金属表面接触到Pd活化液时，Pd会被Sn还原而沉积到非金属表面形成活化中心，从而顺利进行化学镀。

另外，对应于化学镀的应用特点，化学镀技术的废液排放少，对环境的污染小，成本较低。

1.3　化学镀配方设计迄今，实用的化学镀层有镍、钴、钯、银、铜、金、锡等和各种二元或多元合金，以及这些金属基质或合金基质的复合镀层。

化学镀技术是比电镀技术更年轻的表面覆盖层技术，亦属于原子沉积技术。

化学镀层可镀覆于金属基体和非金属基体，既可以镀覆较大的基体，亦可镀覆细小的粉末基体，特别显效于非金属表面的金属化。

化学镀层赋予基体以各种功能，特别是耐磨性、耐蚀性等。

化学镀液或化学镀槽液是化学镀的基础，包括基本成分和添加剂。

其中添加剂的研究与应用有利于基体成分的确定和基本成分在镀液中的含量设计，不同基本成分的化学镀液需要相应的、具有特定应用的添加剂。

1.4　化学镀的应用缺陷与镀层分析在镀层形成的过程中，会出现一系列问题。

如化学镀Ni-P合金镀层，在高温状态下会因相变导致镀层耐蚀性和耐磨性等大大降低，不能满足镀层在特定条件下的使用要求。

而对于镀层性能的分析，需要使用扫描电子显微镜（SEM），分析内容涉及镀层微观形貌和表面分布状态等。

EDS能谱分析能确定镀层的元素成分，而X射线衍射分析则可对镀层晶体成分进行确认，并以此确定特定镀层材料的形成。

此外可通过物理化学性能的测试，如阳极极化曲线[2]，确定镀层的应用价值。

如化学镀镍合金，其基于电化学机理的沉积过程包括还原反应、氧化反应以及可能存在的副反应。

而通过基底形貌分析、镀层形貌分析、镀层微观形貌分析（测试手段可采用XRD 分析方法）等，可确定化学镀的质量。

镀层的成功性则是基于电化学沉积作用和镀层形核过程的模拟分析等，继而确定化学镀的可行性[3]。

2　工艺特点2.1　技术指标镀层技术指标包括镀层厚度、镀层硬度、镀层与基体的结合强度及相应的应用效果如耐腐蚀性能。

2.2　技术特点一般而言，正常的化学镀会使基体表面的硬度提高，耐磨性好，耐酸、碱、盐、氨和海水等强腐蚀介质，表面光洁、光亮，可镀形状复杂，被镀材料广泛。

2.3　配方成分化学镀镀液一般由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂组成。

对某些特殊材料的镀件进行施镀时，镀液中还需要添加稳定剂、表面活性剂等。

主盐与还原剂是获得镀层的直接来源，主盐提供镀层金属离子，还原剂提供还原主盐离子所需要的电子。

2.4　镀层性能一般化学镀的应用目标以提高耐腐蚀性、耐磨性、表面光泽度与表面硬度为性能要求。

此外，要保证镀层与基体的结合强度大，仿型性好，施工性与适应性强。

通常，采用化学镀技术进行表面处理的材料，表面耐高温性能会显著提高。

2.5　化学镀工艺参数的影响影响镀液性能和镀层质量的主要因素有镀液组成、镀液pH值及镀覆温度等。

当改变主盐、还原剂的浓度以及温度、装载量时，化学镀镀层外观、镀速和镀液稳定性将发生较大变化。

此外，搅拌间歇时间与搅拌速度、镀件基体装载量、镀件单体粒径等，也是影响化学镀工艺质量的重要因素。

3　国内外研究现状目前，国内外化学镀方面进展有如下几个方面。

首先是配方开发，以提高镀层质量及镀层沉积速率等。

早在2002年，就有人提出强化镍镀层合金化表面的方法[4]。

而目前，则是根据现有的配方和主剂的选用，如化学镀新配方的开发及其废液的处理与回收再生[5]，化学镀基体表面的处理情况[6]等，以提高镀层的综合性能。

此外，添加表面活性剂以提高化学镀的镀速，也能提高表面光泽度[7]。

其次，在镀层的应用性方面，必须考虑镀层的稳定性，一般39第 8 期 王　浩等：化学镀研究现状及其应用考虑镀层稳定剂的开发和镀层表面后处理工艺的开发[8-9]。

如添加稀土添加剂能使镀锌层的结构细致、孔隙率降低，其预处理形成的钝化膜由十分稳定的稀土氧化物和氢氧化物构成，从而使镀层的耐蚀性得到明显提高[10-11]。

第三就是化学镀配方的开发应用。

通过主盐与其他成分的协同作用，如Ni-P合金与金刚石纳米颗粒的复合应用，有效提高低碳钢表面Ni-P合金镀层的防腐等应用性能[12]。

通过对原子分布的有效控制，也可有效提高化学镀的镀层质量，从而实现高效防腐[13]。

化学镀的工艺改良包括：成分配比改良，如添加一定粒径的钨金属颗粒与镍镀层形成冶金结合，从而提高最终的化学镀质量[14]；前处理工艺改良，如镁合金表面化学镀镍前采用镀锌预处理工艺[15]；镀层处理工艺的改良，早在1994年，就有对Ni-P合金镀层进行热处理的介绍[16]，目前更是对镀层的热处理工艺进行了深入的研究和分析[17]；施镀时间，在一定程度上调节了镀层的密度与厚度，保证了化学镀质量。

4　化学镀在特定领域的实际应用化学镀应用于金属的表面强化，常见于金属器件的表面处理加工。

常用的镍镀层已被广泛应用于电子、机械、能源、化工、航空航天等诸多工业领域。

应用Ni-P合金镀层制备的发动机内燃机高温部件的高温保护热障涂层，具有连续致密、耐腐蚀性好以及镀层厚度均匀等优点，其耐温抗氧化性可避免金属基体的氧化，保证陶瓷层和粘结层结构的完整性，保证高温部件整体材料的抗热震性能优良[18]。

此外，多元镍合金镀层被设计开发并应用于电子产品的表面处理。

如镍/钯/金组合镀层的沉积速率快，镀层极为致密，对基体的腐蚀也更慢，耐蚀性能相应更强[19]。

受到首饰和工艺品行业青睐的精密陶瓷可以通过化学镀，形成表面装饰镀层。

如氧化锆精密陶瓷经过化学镀后，脆性降低，韧性增强，相应地，高温烧结后形成的致密结构使其在大多数酸、碱及中性溶液中都非常稳定[20]。

化学镀的使用改善和美化了人们的生活，在保护、优化环境方面发挥着不可替代的作用。

其开发应用保证了结构材料的综合性能，提高了相应功能材料和元器件的应用性能，并且延长了材料及其应用器件的使用寿命。

5　结论表面工程技术是保证产品质量的基础工艺，可显著提高产品的使用寿命与可靠性，如采用有效的表面防护手段，可明显降低腐蚀损失、磨损损失等。

同时，表面工程技术在制备新型材料方面具有特殊的优势。

从宏观上讲，表面工程对节能、节材、环境保护有重大效能，但是对具体的表面技术如化学镀，虽然明显降低了环境污染，但其镀液的残留溶液，仍然存在潜在的“三废”排放问题，会造成一定程度的污染。

虽然在大范围推广应用表面工程技术的同时，也必然伴随着一定的经济社会乃至环境问题，但对于具体的表面工程技术——化学镀技术，我们应该考虑的是化学镀的应用效果与经济社会环境效益的协同最大化，相信会有更高效率的镀液、更高质量的化学镀镀层、更有利于环保、降低成本的化学镀渡液被研制出来。