浅谈化学镀Ni-P工艺在轴类零件中的应用

■ 河南平高电气股份有限公司 毕玉明 周瑛

1 化学镀Ni工艺特点

化学镀Ni-P合金工艺是近几年发展较快的新工艺，是一种非晶态镀层，是金属表面防护、装饰、强化为一体的新技术。同其它镀覆工艺方法比较，化学镀Ni-P合金工艺具有以下特点：

⑴镀层硬度高，耐磨性好，镀层中含有特定的磷含量，形成非晶态组织。

⑵优良耐腐蚀性能，化学镀Ni-P合金是一种非晶态镀层，没有晶粒间隙和位错等晶格缺陷，镀层致密、孔隙小。

⑶结合力良好，对钢铁、铜、铝等材料有良好的结合能力。

⑷均镀能力和深镀能力好，不受零件几何形状的限制，凡是溶液能浸到的地方，都能得到厚度一致的均匀镀层。

化学镀Ni-P工艺随着镀液中P含量不同，分为高磷(10%~12%)、中磷(4%~10%)和低磷(1%~4%)，从不同PH值的镀液中可获得不同含磷量的镀层，在弱酸性溶液中（PH=4~5）可获得中磷和高磷合金，从弱碱性溶液（PH=8~10）中可获得低磷和中磷合金，高磷镀层的耐蚀性大于低磷镀层，含磷为8%以上的合金是一种非晶态镀层，选用不同溶液，其耐蚀性及硬度会发生变化。

2 现场调查

我公司用于户外产品的轴、传动轴等类零件，其表面防护层长期以来存在质量问题，有的是涂层耐磨性较差，产品运行后，导致零件上涂层脱落，有的是涂层的防腐达不到要求，表面过早产生锈蚀，总之零件的防腐问题一直没有解决，用户反映很强烈。经了解该类零件表面采用防护工艺很杂，有达克罗涂层、电镀锌层、镀铬层、发蓝、磷化膜层等等，这些防护层都存在一定的局限性，采用防护性能好的涂层，其耐磨性达不到要求，采用耐磨性能优异的涂层其防腐能力又满足不了零件的防腐要求，为此，设计对部分零件改用1Cr18Ni9Ti材料，但不锈钢表面易划伤，材料强度低，满足不了产品性能的要求。 经分析了解得知，由于轴类零件在产品运行过程中，表面防护层必须有一定耐磨性能，又因为用于户外环境中，防护层应能经受住大气侵蚀，因此该类零件表面防护层必须满足两个条件：1)镀层具有较高硬度、耐磨性好； 2)优良的耐腐蚀性，经受住大气恶劣环境的侵蚀。

由于化学镀Ni工艺具有以上的特点，公司轴类零件很需要采用该新技术。为了验证其工艺可行性，按照上面两个条件，做相应的耐磨性和腐蚀试验。

3 耐磨性的试验情况

2005年4月，工艺部组织人员加工几件轴类零件，在郑州采用化学镀Ni-P工艺（中磷）镀了几件，厚度：16～18μm，装在新产品上做寿命试验，经过整个循环试验完工后拆下检查，零件表面镀层未见异常。随后制做化学镀Ni-P高磷、中磷试片分别检测镀层的硬度，同时对部分试片进行了热处理，温度为400℃，时间为1h，时效处理，检测其硬度，发现高温处理后，镀层硬度有明显的提高，接近镀铬层的硬度。

4 防腐性能的试验

化学镀Ni-P工艺的耐腐蚀能力如何，能否经受住大气侵蚀是我们最为关心的问题，于是选用高磷和中磷化学镀镍磷工艺分别制做了试片，进行中性盐雾腐蚀试验。为了掌握化学镀层进行热处理后的防腐性能，同期进行试验，发现热处理后，镀层非晶态结构被破坏，转变为晶态结构，镀层的硬度虽然提高了，耐蚀性有所下降。见表2。

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从以上两次试验情况来看，适当增加镀层的厚度，化学镀Ni-P镀层硬度及耐腐蚀性能够满足产品轴类零件的使用要求。

由于公司轴类零件的规范较多，既有密封严格的配合尺寸，又有加工粗糙的外露表面，零件上还有键槽及螺纹部分，可见表面粗糙度差异很大，零件的防腐性能究竟如何？为进一步了解零件实际腐蚀情况，经慎重考虑，对镀好零件再次进行浸泡盐水试验及中性盐雾防腐试验，结果表明，镀层防腐性能不理想，经查看（实物）端面、螺纹部分及光洁度较低处锈蚀严重，而光洁度为3.2的面没有锈蚀，经分析主要是零件的一部分表面光洁度过低。

因为零件的耐蚀性与其厚度、表面光洁度及镀层孔隙率有很大的关系，零件表面越光滑、镀层越厚、孔隙率越低，其防腐性会越好（从下面的图1情况可看出影响）。根据防腐试验情况及保证零件耐蚀问题，需要对该类零件提出更高的要求，零件表面的光洁度要求3.2（至少6.3）以上，厚度要求30μm以上，这样一来会影响轴类零件的配合尺寸，设计人员要重新计算、修改零件的尺寸，相应材料成本也上升很多。

5 化学镀Ni层的防护性能分析

5.1镀层厚度与防护性的关系 磷含量对镀层结构影响很大，化学镀Ni层是随镀层中磷含量增加而从晶态连续地向非晶态变化的，镀层才得以致密、孔隙小，因而高磷镀层的耐蚀性大于低磷镀层，从以上试验可看出。同时要保护基体金属不被侵蚀，要达到足够的厚度，镀层厚度直接影响零件的耐蚀性、孔隙率等性能，有研究表明，镀层厚度达到25以上时，孔隙明显降低，从而提高镀层的耐蚀性。如图1表示出这种影响。

5.2 镀层孔隙率与防护性的关系 化学镀Ni层的孔隙率在很大程度上决定了镀层与基底构成的结合体的耐蚀性。化学镀Ni层的孔隙率是受镀层的厚度、镀液的组成、镀件表面的粗糙度、镀液的清洁度、热处理条件等几个因素影响的，随着镀层厚度的增加而减少的。镀液组成不同，孔隙率也有所不同，酸性镀液沉积出的镀层就比碱性镀液沉积出的镀层孔隙率低，镀件表面的光洁度越高，镀层越厚，其孔隙率越低。研究证明，在粗糙度R为2.5~10时的钢基体上镀厚度为9~11μm的镀层，其孔隙率为6~7个/ dm，而在粗糙度 R=0.2~1.25μm的钢基体镀同样厚度的镀层，孔隙率降至1~2个/dm。表3说明高磷镀层的孔隙率与厚度的关系，可以看出，要提高零件的耐腐蚀能力，降低镀层孔隙率，增加镀层厚度是主要方面之一。

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5.3 零件表面状态与防护性的关系 为了提高镀层防护能力，必须保证镀层的结合力及连续性，镀层均匀一致。因此零件前处理显得很重要，首先零件的表面的油污要彻底除净，要经过化学除油及电解除油各工序，另外要掌握好零件酸洗的时间，不能过腐蚀。零件表面越粗糙，其耐腐蚀性就越差，不平和毛刺对化学镀镍层起到诱发针孔生成或引起其他不均匀性的作用，粗糙刻痕中往往有杂质存在，使镀层不均匀，易产生局部腐蚀。经表面抛光的试片在中性盐雾720小时才出现锈斑，说明试片基体表面越光洁，其镀层的孔隙率越低，镀层的耐蚀性会越好（见图3）。铸件或烧结的基体具有粗糙表面，化学镀Ni较困难，废品率较高，一般在化学镀Ni前先电镀镍，可使镀层表面均匀一致，但这样的零件不能用于户外使用。

6 化学镀Ni工艺的控制

化学镀Ni工艺同其他表面处理工艺一样，包括前处理、工艺流程的操作、镀后处理各部分工艺程序组成，正确地控制工艺全过程才能获得质量合格的镀层。然而，与电镀工艺比较，化学镀Ni工艺全过程应格外仔细，其取决于在零件表面均匀一致的、迅速成的初始状态；一般说来，化学镀Ni液比较电镀液更加敏感与娇弱，其中各项化学成份的平衡、工艺参数的可操作范围比较狭窄，对于污染的耐受能力较差，主要问题是镀液不稳定，具体以下几项：

⑴温度 镀液的温度是影响化学镀镍沉积速度最重要的因素，太高会因沉积太快而失控，导致亚磷酸盐迅速增加，触发镀液的分解报废，温度过低又影响镀层的沉积速度，因此温度要求很严格，尽可能减少温度的波动，上下不能超过2℃。

⑵对异金属微粒非常敏感，周围环境要求过高，镀液必须连续循环过滤，保持镀液清洁干净，减少镀层的孔隙，用后加盖保护，否则会引发镀液失效。

⑶均匀性。镀液工作温度相对恒定，保证整槽溶液温度一致，防止局部过热，导致镀层不均匀，影响耐蚀性。

⑷PH值的变化，经常调整其稳定性，可保证溶液的沉积速度一致，通过化验检测，加以调整PH值。

⑸ 由于镍的自催化作用，溶液消耗较快，需要经常化验测试，不断补加溶液，维持镀液的稳定。

7 结论

由以上分析可知，用于户外零件的化学镀Ni层，要达到一定防腐要求，还需要镀层的厚度及表面光洁度来保证，根据化学镀Ni溶液的致密性、孔隙率及试验情况。要求：1）零件表面的光洁度最好能达到3.2以上；2）要求采用化学镀高磷工艺，镀层厚度还需要增加到30μm以上；3）加强化学镀厂家的工艺过程的控制，提高镀层的质量；4）对于焊接轴类零件，尽量保证焊接质量，避免气孔出现，影响镀层的质量；5）对于铸钢类零件及经抛丸的零件，由于是多孔结构，基体内部容易滞留残液和氢气，引起化学及电化学腐蚀，镀层质量难以保证，尽量不采用化学镀Ni工艺。

通过对化学镀工艺了解得知，各化学镀Ni公司的溶液配制、工艺参数、工艺规范不同，零件的耐磨性和耐蚀性都有很大变化，而且化学镀Ni工艺稳定性差，受很多因素的限制，质量难以保证。许多公司承接的产品大部分属民用产品，侧重于装饰方面，对工业产品零件的质量要求，认识不深，质量控制手段不完善，由于我公司的零件形状各异，最长达1500m，化学镀Ni厂家没有接手过大零件的处理，相应的工艺需要做调整，配备合适的循环泵及加热设置，来满足工艺的需要，在生产初期不可避免地出现一些这样或那样的质量缺陷，而我们了解的只是化学镀工艺表面现象，对新工艺的认识还处于摸索阶段，对于生产中每次出现的问题，还需要和化学镀厂家认真的分析与讨论，不断学习和改进，转换工作思路，逐步完善化、规范化，以保证化学镀Ni零件的表面质量，提高产品的防腐蚀能力。