电镀Ni-P合金的性质及应用领域

1.性质和用途

随着镀层磷含量的增加，Ni-P合金镀层从晶态连续地向非晶态变化。大致情况是：微细晶态（磷的质量分数为3%左右）→微细晶态+非晶态（磷的质量分数为5%左右）→非晶态（磷的质量分数为7%以上）。为了提高Ni-P合金镀层的硬度，需进行热处理，热处理后其非晶态结构被破坏，一般加热到400℃，基本上由非晶态转变为晶态结构。

非晶态合金中原子排列是无序的，因此没有晶粒间隙和位错等晶格缺陷，也不存在成分的偏析现象，它是各向等同的均匀物质。由于Ni-P合金镀层在磷的质量分数超过7%时是非晶态，所以在物理和化学性质上有很多优异特性，如光泽性好，硬度高，耐磨性好，耐蚀性好和具有非磁性等。

（1）硬度及耐磨性 Ni-P合金镀层的硬度是比较高的，一般在500HV以上。镀层的硬度与镀液的组分及工艺条件有关。在亚磷酸体系中，电沉积得到的Ni-P合金镀层的硬度与下面几个因素有关：镀液中亚磷酸含量增加，镀层硬度有所降低；镀液温度升高，镀层硬度有所增加；电流密度提高，镀层硬度有所增加；镀层磷含量增加，镀层硬度下降。

为了得到更高的镀层硬度，可以对Ni-P合金镀层进行热处理，热处理的温度变化对镀层硬度有明显影响。在热处理温度为400℃，时间为1h时，硬度达到最高值，一般可达到1000HV以上，相当于硬铬镀层的硬度。不同磷含量的Ni-P合金镀层及不同方法得到的Ni-P合金镀层，其硬度与热处理温度的变化规律基本相同。由于镀层硬度较高，耐磨性也较好，在400℃以下热处理1h的Ni-P合金镀层的耐磨性优于硬铬镀层。又由于它的摩擦因数小，因此可用于代替耐磨硬铬镀层，有利于减少铬对环境的污染。

（2）耐蚀性 Ni-P合金镀层是非晶态合金，热力学稳定性较好，因此在某些介质，如氯化钠、氯化铵、盐酸、硫酸、氢氟酸及一些有机酸中表现出良好的耐蚀性。随着镀层磷含量的增加耐蚀性提高，当磷的质量分数超过13%时，耐蚀性有所降低。Ni-P合金镀层经过热处理后，改变了非晶态结构，虽然硬度提高了，耐蚀性却有所下降。

（3）用途 Ni-P合金镀层的用途比较广泛，因其优良的耐蚀性，常用于石油、化工、制糖、制盐、农药及军工等工业设备中的容器、泵、离心机筛网及易受腐蚀的零部件上的镀覆。因其硬度高和耐蚀性好，常用于汽车、航空、食品、印刷及化工等设备的气缸、活塞、转轴、压缩机、压滚或成形模具等零部件的镀覆。另外，在钟表、光学仪器和医疗器械中也得到了应用。

2.镀液组分及工艺条件

常用电镀Ni-P合金镀液有氨基磺酸盐型、次磷酸盐型和亚磷酸型等。

（1）氨基磺酸盐型 氨基磺酸盐型电镀Ni-P合金的镀液组分及工艺条件如下：

氨基磺酸镍 200～300g/L

氯化镍 10～15g/L

硼酸 15～20g/L

亚磷酸 10～12g/L

电流密度 2～4A/dm²

pH1. 5～2

温度 50～60℃

该工艺可获得磷的质量分数为10%～15%的Ni-P合金镀层。其特点是工艺稳定，镀液成分简单，镀层韧性好，光亮细致，结合力好，但镀液成本较高。

（2）次磷酸盐型 次磷酸盐型电镀Ni-P合金的镀液组分及工艺条件如下：

硫酸镍 14g/L

次磷酸钠 5g/L

硼酸 15g/L

氯化钠 16g/L

电流密度 2.5A/dm²

温度 80℃

该工艺可获得磷的质量分数为9%左右的Ni-P合金镀层。镀层均匀细致，镀液分散能力和覆盖能力较好，但镀液稳定性较差。

（3）亚磷酸型 亚磷酸型镀液应用较多。该镀液的特点是：成分简单，镀层光亮细致，结合力好，容易获得磷含量较高的Ni-P合金镀层，但镀液分散能力和覆盖能力较差。表5-35给出了亚磷酸型电镀Ni-P合金的镀液组分及工艺条件。

表5-35 亚磷酸型电镀Ni-P合金的镀液组分及工艺条件

注：KN和DPL为哈尔滨工业大学研制。

3.镀液中各成分的作用及工艺条件的影响

以亚磷酸型镀液为例。(www.xing528.com)

（1）硫酸镍 硫酸镍是镀层中镍的主要来源。其含量对镀层组分、沉积速度和镀层外观均有影响。含量过高时沉积速度加快，但表面结晶粗糙，镀层含磷量相对较低。

（2）氯化物 氯离子是阳极活化剂，可以降低或防止镍阳极的钝化，保证镍阳极正常溶解。用氯化镍作为阳极活化剂，还可以提供部分镍离子作为主盐成分，但含量不宜太高，在保证阳极正常溶解的情况下，尽量少加。这是因为氯离子容易增加镀层的应力，且氯化镍比硫酸镍成本要高。

（3）亚磷酸 亚磷酸是合金镀层中磷的主要来源。随着亚磷酸含量的增加，镀液中H⁺含量逐渐升高，亚磷酸还原容易，从而使镀层磷含量增加。

（4）磷酸 磷酸可以起到稳定镀液中亚磷酸的作用，使镀液中亚磷酸含量不至于降低太快，便于镀液的维护。磷酸还可以起到缓冲剂的作用，稳定镀液的pH值。

（5）KN配位剂 KN配位剂可以和镍离子形成配合物，提高阴极极化，使镀层结晶更细致，改善镀液的分散能力。另外，对Fe³⁺杂质有一定的隐蔽作用，对稳定溶液中Ni²⁺的含量有较好的作用，并可提高电流密度上限。

（6）DPL添加剂 DPL添加剂可以提高阴极极化，使镀层光亮细致，并可适当降低镀层的脆性。

（7）pH值 电沉积Ni-P合金时，应严格控制镀液pH值。因为镀层磷含量与电极表面的氢原子有关，随着pH值的升高，镀层磷含量下降。pH值过高时，溶液易生成亚磷酸镍沉淀；pH值太低时，阴极电流效率下降。

（8）温度 温度对合金镀层磷含量影响不大，但对沉积速度有较大影响。当温度低于50℃时，沉积速度将会变得很慢。

（9）电流密度 镀液体系不同，使用的阴极电流密度范围有差异。镀层磷含量随电流密度的增大而有所降低。

（10）阳极 电沉积Ni-P合金的阴极电流效率较低。如果只采用可溶性镍阳极，则由于阳极电流效率较高，镀液中Ni²⁺积累较快，不利于镀液的维护管理。常采取可溶性镍阳极和不溶性阳极混合使用的办法。不溶性阳极比较理想的材料是钛板上镀铂，但造价较高。一般可采用高密度石墨，用涤纶或丙纶布包扎，防止污染镀液。可溶性阳极与不溶性阳极的面积比以1∶（3～5）为宜。

4.镀液的配制和维护

（1）镀液的配制 镀液配制方法大致如下：

1）称取计量的镍盐、配位剂和稳定剂放于镀槽中，加入热水，在搅拌下使其溶解。

2）称取计量的硼酸，用热水在另一容器中溶解后，用滤布滤入镀槽中。

3）在镀槽中加入计量的亚磷酸与磷酸，搅拌均匀。

4）调整溶液pH值，加水至规定体积后，即可试镀。

（2）镀液的维护。日常生产中，应注意以下几点：

1）镀液pH值对亚磷酸的还原速度有很大影响。以表5-35中工艺2为例，在pH值为1.5时，亚磷酸的还原速度最快；pH值为0.5时，亚磷酸不被还原，镀液析氢严重，电流效率极低；在pH值＞2.5时，随着pH值的升高，亚磷酸还原速度逐渐下降。因此，要获得高磷含量的镀层，镀液的pH值应严格控制在1.5～2.5。

2）镀液中含有少量的氯离子时，亚磷酸的还原速度加快，有利于提高镀层磷含量。

3）要提高镀液中亚磷酸的含量，必须加入一定浓度的配位剂将镍离子部分配合，以防止亚磷酸镍沉淀析出。但配位剂用量不宜过多，否则镍离子将全部被配合，使析出困难，电流效率降低。

4）阳极可采用镍阳极和不溶性阳极联合使用，其面积比为3∶1。

5.不合格镀层的退除

（1）化学法 化学法退除液的组分及工艺条件见表5-36。

表5-36 化学法退除液的组分及工艺条件

（2）电解法 电解法退除液的组分及工艺条件如下：

铬酐 250～300g/L

硼酸 25～30g/L

温度 30～80℃

阳极电流密度 3～7A/dm2