化學鍍(Chemical plating),又稱為無電解鍍(Electro less plating)。因為在工件施鍍的過程中,雖說有電子轉(zhuǎn)移,但無須外接電源,工件表面鍍層完全是靠化學氧化還原反應實現(xiàn)的。
化學鍍的生命是比較年輕的,比起傳統(tǒng)的電鍍要年輕100多歲,直到20世紀70年代后期才逐步被我國所認識和重視。1975年開始出版了有關(guān)科學書籍,1992年全國召開了首屆化學鍍鎳會議,其后每兩年召開一屆,從此在我國揭開了化學鍍鎳技術(shù)的新篇章。
化學鍍的發(fā)展歷史主要還是化學鍍鎳的發(fā)展史。因為化學鍍鎳技術(shù)研究得比較早,技術(shù)比較成熟,而且應用比較廣泛。目前世界上應用得最好和最廣泛的國家,要算美國、德國、法國、英國、意大利、西班牙、瑞士等國家,尤其是美國,她基本摒棄了傳統(tǒng)的電鍍工藝,取而代之的是全國大約900多家化學鍍鎳工廠,廣泛服務于計算機、電子、閥門、航天、汽車、食品、化工、機械、紡織、鋼鐵等多個領(lǐng)域和行業(yè),且逐步全方位的滲透到社會的方方面面。
化學鍍鎳所獲得的鍍鎳層,由于自身的突出特點和優(yōu)異性能,越來越被廣大用戶認同和接受。它的最突出的特點是鍍層具有高耐蝕性、高耐磨性及高均勻,即三高特性。化學鍍鎳層多半是以鎳磷、鎳硼為基礎(chǔ)的多元合金鍍層和復合鍍層,鎳磷合金鍍層占有絕大多數(shù),化學沉積的鎳-磷鍍層隨著磷的含量的增加,其組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,是由極細小的晶體變成微晶(尺寸約為5納米,電鍍鎳的晶粒尺寸約為100納米),最后變成為完全的非晶體(類似液體的原子無序排列)。正是這種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)(不是唯一,但是最重要的一點。),由于沒有晶界、位錯及成分偏析等現(xiàn)象,使之在腐蝕介質(zhì)中不太容易形成腐蝕微電池,從而在耐化學腐蝕、耐氣體腐蝕以及耐色變性方面表現(xiàn)極其優(yōu)異。
例如:在5%HCl溶液中,含磷量10.9%(質(zhì)量分數(shù))的化學鍍鎳磷合金鍍層,其耐蝕性比1Cr18Ni9Ti不銹鋼高出10倍;在10% HCl溶液中,則要高出20倍以上。即使在氣相或液相H2S介質(zhì)中,鎳磷合金鍍層的腐蝕速率均比1Cr18Ni9Ti不銹鋼要低。當鍍層中磷的含量較高時可以達到基本無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。
化學鍍鎳層在大氣條件下的耐蝕性和耐色變性都優(yōu)于電鍍鎳層。電鍍鎳層表面即使在城郊的大氣環(huán)境中,僅隔幾天就會變成灰色;而鎳磷化學鍍層表面,其外觀可以長期保持不變。若在化學鍍后,進行鈍化處理或用有機涂層進行封閉處理,其抗色變性能將更加卓越。
耐磨性是一個系統(tǒng)性,而不是材料的固有屬性,是材料處于系統(tǒng)中在一定磨擦條件下,表現(xiàn)出來的對抗磨損的能力。一般而言,硬度越高的材料其耐磨性越高。由于鎳磷鍍層有比較高的硬度(鍍態(tài)硬度可達HV400~600,電鍍鎳僅為HV160~180),還可以通過熱處理進一步提高(可達HV1000以上),因此Ni-P鍍層是比較理想的耐磨鍍層,尤其是低磷鍍層更具有優(yōu)良的耐磨性。
鍍層的高均勻性,也是化學鍍的突出優(yōu)點之一。在電鍍工藝中,由于被鍍工件的幾何形狀復雜及多樣性,從而造成電流密度分布不均勻,還會造成均鍍能力和深度能力出現(xiàn)差異等現(xiàn)象,從而使工件表面鍍層厚度相差較大,少則幾個微米(有輔助陽極時),多則十幾個甚至幾十個微米。要知道,鍍層厚度的均勻性對構(gòu)件的配合精度以及零件自身的耐腐蝕性影響極大。化學鍍是利用還原劑以自催化反應在工件表面得到鍍層,不受外加電流的影響,不管工件形狀如何復雜,只要表面完全被鍍液所浸沒,且讓氧化還原反應所產(chǎn)生的氫氣有自由流動排出的空間,則再復雜的工件(如深孔、溝槽、曲面、螺旋、甚至盲孔等)都可以獲得厚度均勻的鍍層。用“面面俱到”、“無微不至”等成語來形容這種膜厚的均勻性,真是恰如其分、恰到好處。有的用戶,正是利用化學鍍這種獨有特性,將有精密配合要求的零件配合公差尺寸,設(shè)計好后通過化學鍍鎳工藝控制鍍層厚度來實現(xiàn),從而減少了精細加工工序,既降低了成本,又提高了工效,真是太秒了!這在工模夾具制造、閥門制造、精密機械制造等行業(yè)中應用例子不少。
化學鍍層的厚度選擇十分重要,因為他與產(chǎn)品零件的耐蝕性、耐磨性、抗色變性等關(guān)系十分密切。化學鍍層的孔隙率對產(chǎn)品零件的耐蝕性起著決定的因素,而且孔隙率的高低是隨著鍍層厚度的增加而減少的(見右圖)。一般酸性化學鍍鍍層厚度大于7um時,其孔隙率與電鍍鎳15um鍍層厚度的孔隙率差不多。若化學鍍鎳層厚度達到15um時,其鍍層的孔隙率基本上消失,當然鍍層基體的粗糙度要低。零件的粗糙度與鍍層厚度的關(guān)系大致為:粗糙度Ra=0.40um以下時,其鍍層厚度需在5~7um較合適,若粗糙度Ra=0.80~1.6um時,則鍍層厚度要達到8~10um較恰當,若粗糙度Ra=3.2~6.3um時,則鍍層厚度要達到12~20um較好。
當然鍍層厚度的選擇,應根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境、工作介質(zhì)、運動性質(zhì)和負荷情況等條件綜合考慮。這樣才能充分發(fā)揮鍍層厚度的功效,確保產(chǎn)品的可靠性和壽命要求。
化學鍍鎳在我國經(jīng)過20多年的推廣和應用,該項技術(shù)越來越成熟,應用越來越廣泛,使用效果越來越好。隨著鍍液穩(wěn)定劑研究不斷取得進展,以及鍍液壽命的不斷提高,可以說化學鍍鎳已經(jīng)進入了一個發(fā)展成熟期。可以預言,21世紀化學鍍鎳技術(shù)將會全面普及到所有工業(yè)部門及行業(yè),將會被越來越多的有識之士認同和接受,成為一種新型的并具有強大生命力的表面處理技術(shù)。