不锈钢预镀纳米镍新工艺

储荣邦，戴昭文，杨立保

(1.南京724研究所，江苏 南京 210011;2.江苏表面协会，江苏 南京 210000;3.南京四方表面技术有限公司，江苏南京 211100)

引 言

不锈钢预镀纳米镍工艺融合了纳米技术、电镀技术以及化学镀技术。在电镀过程中，当金属离子传递到阴极，由于电荷传递反应形成吸附原子，最后形成微型晶核。电沉积过程中的关键步骤是微型晶核的生成和晶体的成长，这两个步骤的竞争直接影响到镀层生成的晶粒状态，而且，不锈钢预镀纳米镍溶液高的阴极过电势、高的吸附原子总数和低的吸附原子表面迁移率，是大量微形晶核和抑制晶粒生长必要条件，使晶核生长得到较大的抑制，从而得到纳米镍镀层。由于镀层处于晶核已经形成但并未长大的中间状态，镀层非常薄，很致密，不论从镀层的厚度还是晶核的大小都呈纳米级状态。它本身还具有很多独特的性质，例如一根铁管(d为15mm，l为240mm)，预镀纳米镍3min然后镀酸性铜，镀后管孔内镀层完整，说明纳米镀镍溶液的深镀能力非常强。

在电镀过程中，通电提供能量使镀液中部分添加剂分解，其分解物可能是化学镀的还原剂，从而使镀液还具有化学镀的功能;另一部分分解物可能是纳米镀镍的添加剂，因此，镀液还具备纳米镀镍的功能。该新工艺是一种以电镀为主，化学镀为辅，并伴有纳米镀的一种新工艺(目前，国内所称的纳米镍镀层，实际上是镍镀层中夹杂着不溶性纳米级氧化物颗粒，是复合镀层)。一般的电镀液和化学镀液会由于有机物的累积而使镀液老化并进行停产大处理，而不锈钢预镀纳米镍工艺由于分解的有机物可以通过简单的连续过滤的形式净化，所以不需进行大处理，这极大地降低了溶液大处理的成本。另外，不锈钢预镀纳米镍工艺还可使基材表面活性均匀，界面张力降低，并使后续镀层结晶细化致密，粗糙度降低，耐腐蚀能力提高。

目前，不锈钢件的通用预镀工艺仍然是闪镀镍，在闪镀镍时，需要先将不锈钢件放在镀槽中预浸10～15min，然后才能通电闪镀。而且，闪镀镍工件经清洗后必须立刻进行其它后续镀层的电镀，其间隔不能超过1min，否则，结合力就会出问题，因此，这也给不锈钢工件在自动化生产线上电镀制造了很大的困难。而不锈钢预镀纳米镍工艺在预镀前不需预浸程序可直接电镀，电镀后也不必很快进行其它后续镀层的电镀，为不锈钢工件在自动化生产线上电镀提供了可靠保障。

不锈钢预镀纳米镍工艺经过两年多的推广应用，已经证明此工艺在镀液的稳定性和镀液维护方面，以及在镀层性能和外观上都具有很多独特的优势和特点。例如，江苏丹阳某不锈钢眼镜框架电镀公司两年来一直使用不锈钢预镀纳米镍工艺，电镀生产运行良好。

1 不锈钢预镀纳米镍工艺

1.1 工艺特点

环保型(无氰化物)，镀层薄(200～300nm)，均镀好(采用沃特逊法，95%以上)，易焊接(可钎焊，熔焊等)，结合力好(环形剪切法试验，结合强度为15kN/cm2，可进行二次加工)，镀液稳定(不需大处理)，表面质量高(预镀工件表面比闪镀镍表面更加光亮、饱满)，前处理要求低(弱碱性镀液)，主盐质量浓度低(30g/L NiSO4·6H2O，镍离子带出量低)，滚镀挂镀均可，pH范围宽(8～14，易维护)，添加剂消耗补加少(20～30mL/kA·h)，电流密度范围广(0.5～20A/dm2，低电流区不漏镀，高电流区不烧焦)，容纳金属杂质能力强(添加剂可配位化合金属杂质并共沉积，但对氰化物较敏感)。

1.2 工艺配方及操作条件

不锈钢预镀纳米镍溶液组成及操作条件为:

硫酸镍 30g/L

硫酸钾 30g/L

氢氧化钾 35g/L

醋酸钠 20g/L

氨水 20mL/L

SF-300A添加剂 65mL/L

SF-300B添加剂 65mL/L

pH 8～14

θ 45～55℃

Jκ0.5 ～20A/dm2

t 1～3min

阳极 镍板

1)加热棒最好用陶瓷，在加热时需空气搅拌以使镀液温度均匀。

2)SF-300A为晶核抑制剂，SF-300B为镍离子配位化合剂。

3)SF-300C为镀液消耗补加剂(非开缸剂)，消耗量为0.02 ～0.03L/(kA·h)。

2 不锈钢预镀纳米镍工艺流程

不锈钢预镀纳米镍工艺流程为:

除油→水洗→水洗→电化学抛光(Ⅰ)→水洗→电化学抛光(Ⅱ)→水洗→电化学抛光(Ⅲ)→水洗→活化［V(盐酸)∶V(水)=1∶2，t为 4s］→水洗→不锈钢预镀纳米镍(1～3min)→水洗→后续电镀。

1)电化学抛光液的成分及其操作条件为200 mL/L HCl(35%)，40g/L 乙酸钠，t为 30s，Ja＞15A/dm2。2)电化学抛光次数按不锈钢材质而定，一般二次电化学抛光就行;特种不锈钢表面氧化层较厚，需要三次电化学抛光。决不可以延长抛光时间而减少电化学抛光次数，延时抛光会影响不锈钢表面抛光质量。

3 成本分析

1)开缸成本。不锈钢预镀纳米镍溶液配制开缸成本比闪镀镍高一些。

2)金属阳极消耗成本。不锈钢预镀纳米镍工艺电镀δ约为120nm即可满足要求。表面积1m2的镀层金属消耗成本约为0.14元。而氰化镀铜底层预镀δ以1μm计，表面积1m2的金属消耗成本约为0.45元;闪镀镍底层预镀δ以2μm计，表面积1m2的金属消耗成本约为2.35元(镍的价格以13万元/t，铜的价格以5万元/t计算)。

3)镀液带出的损耗成本。本工艺主盐硫酸镍质量浓度为30g/L，而闪镀镍的主盐氯化镍质量浓度在200～250g/L以上，本工艺镍离子的带出量约为闪镀镍镍离子带出量的七分之一。

4)消耗添加剂的补加成本。电镀消耗添加剂为0.02～0.03L/(kA·h)，约2元/(kA·h)。

5)氨水补加成本。约0.8元/h。

4 预镀纳米镍工艺特点

1)预镀纳米镍镀层致密，预镀层δ只需200～300nm即可达到要求，而传统的氰化预镀铜层δ需要达到1μm以上，预镀镍的镀层甚至需要更厚。

2)预镀纳米镍的深镀能力较一般的预镀工艺好，如一根d为15mm，l为80mm的盲管，纳米镍可把管子的内壁完全镀上，而氰化物预镀铜和预镀镍只能镀离管口20～30mm的深度。

5 结束语

由于不锈钢具有较高的化学稳定性，电镀前须经特殊的前处理才能将其表面透明且附着牢固的钝化膜除去，才能保证镀层与基体之间的结合力，由此可见，关键在于前处理，既要有效地除去自然氧化膜，又要防止其再氧化，这两点是缺一不可的。但不锈钢在大气中会很快生成一层钝化膜，若操作连贯性差，经前处理后未能立即转入下道工序，即有可能失去前处理的意义，为此，在操作过程中要求迅速地连续进行。但这种操作难度很大，可操作性不强，产品的结合力不能得到有效保障。目前，很多厂家仍采用闪镀镍作为预处理工艺，以提高镀层与基体的结合力，但此工艺需预浸后才能闪镀，而且带出镍离子浓度大，环境污染较重，不适合自动化生产。而不锈钢预镀纳米镍工艺不需要预浸，镀层δ只需250nm，就可以解决结合力的问题。

纳米镍镀层和不锈钢中的铁原子形成了一种致密、均匀的镍铁合金镀层，有效地阻止了不锈钢表面的再次钝化，保证了镀层的结合力，而且主盐浓度很低，带出量较少，从而降低了电镀成本。镀层有超强结合力，360°折曲试验无脱落现象，高速冲击不脱皮;能承受高温焊接要求;自身有高防腐能力，更能调节后续各镀层厚度和不同镀层，以符合不同的标准。所以，该新工艺一定会在不锈钢工件的自动化电镀线生产领域中做出更大的贡献。