化学复合镀的研究与应用

毛良程

【摘 要】化学复合镀层因复合粒子的性能特点而广泛应用。本文就国内外化学复合镀的研究现状和发展趋势进行了综述。具体从硬度、耐磨性、自润滑性方面对各种Ni-P基、Ni-B基化学复合镀的工艺研究及镀层结构与性能特点进行了阐述，并认为目前关于化学复合镀的研究仍然集中在耐磨和自润滑镀层方面。对不同化学复合镀层的应用做了总结，并对其提出了展望。

【关键词】镍-磷；化学镀；复合镀；应用

一、化学复合镀层的形成机理

大量研究表明，惰性粒子的加人并不影响基质金属的沉积机理，化学复合镀镍的沉积如Cutezit C的催化理论，即在催化表面发生如下反应，形成Ni-P合金。

[H2PO2]-+H2O→[HPO3]2-+H++2H

Ni2++2[H]→Ni+2H+

[H2PO2]-+H→H2O+[OH]-+P [1]

化学复合镀中颗粒共沉积机理的研究建立在复合电沉积机理的基础上，复合电沉积机理主要有：（1）机械截留机理一即粒子依靠机械作用力悬浮于镀液并与镀件表面接触，部分实现强吸附而形成的共沉积；（2）电化学机理一即粒子依靠吸附正离子，在界面和外加电场的作用下移向阴极表面发生的共沉积〕化学复合镀不存在外加电场，其沉积机理更多地认为以机械截留为主。化学复合镀时，镀件表面对沉积金属具有均匀的催化活性，镀层以叠层方式生长，基质金属以面沉积方式同时俘获大量颗粒，而非复合电镀中只有靠近金属沉积点附近的粒子才能被镶人镀层，因此化学复合镀中基质金属在短时间内可以完成对大量颗粒的俘获，延长施镀时间并不能改变复合粒子的共析度

二、化学镀Ni-P 新工艺

隨着人们对镀层性能要求的日益提高，传统的Ni-P镀层已不能完全满足要求，化学镀Ni-P基合金、化学复合镀Ni-P应运而生。这些工艺不仅具有传统化学镀Ni-P合金的许多优点，如均镀、深镀能力好，镀层致密，施镀工艺简单，便于在各种新型材料上应用等，还可以胜任许多单金属镀层无法胜任的场合，并成为化学镀Ni-P的主要研究方向。

（一）化学镀Ni-P基合金工艺

化学镀Ni-P基合金是指在化学镀Ni-P的基础上加入第三组元或更多组元而形成的合金，通过合金化的方法调整和改变材料的微观结构，从而改善其物理化学特性。如加入高熔点、高硬度的铬族元素W、Cr等，以提高镀层的耐磨、耐热及耐蚀性能；加入Fe、Co元素，改善镀层磁性能；加入Cu、Sn，满足镀层的可焊性、导电性要求。

（二）化学复合镀Ni-P工艺

自1966年W.Metzger成功制备出Ni-P-Al2O3化学复合镀层以来，化学复合镀的研究进行得广泛而深入。化学复合镀是指在化学镀溶液中加入不溶性微粒，使之与化学镀合金共沉积从而获得具有各种不同物理化学性质的镀层的一种工艺。随着纳米技术的发展，纳米化学复合镀成为目前研究的热点。它以纳米微粒作为添加剂，可以得到性能更优的镀层。

在镀液中加入纳米SiC、纳米TiO2粒子，通过合适的镀液成分及工艺参数所得到的性能优良的复合镀层，在硬度和耐磨性方面都有明显提高。高加强采用化学镀方法获得了Al2O3、TiO2或SiC多种纳米粒子改性的Ni-P合金化学复合镀层，并深入研究了其晶化行为。结果表明，纳米粒子降低了非晶态化学镀Ni-P合金基体的晶化温度，原因是纳米粒子在非晶态基体中引入了界面，导致界面增加，从而改变镀层的晶化行。

三、化学复合镀层的应用

化学复合镀层因复合粒子的性能特点在机械、航空、汽车及电子工业中应用广泛。

Ni-P-SiC化学复合镀层广泛应用于汽车发动机零件，Ni-P-SiC（w=20%～25%）复合镀层用于玻璃、强化塑料成型用模具时，耐热性好，在温度低于316℃下可连续使用，低于538℃可间断使用。由于镀层致密、表面光滑、尺寸精度高，Ni-P-SiC复合镀层广泛应用于高压阀、纺织机械、牙科医疗机械等方面。

Ni-P-Si3N4复合镀层应用于柴油机零件活塞环上，可以使活塞环的耐磨性提高2倍。Ni-P-PTFE复合镀层不仅具备Ni-P合金的优异性能，同时因为PTFE的加入使得其具有减摩、不粘性、抗咬合等性能特点，使得这种复合镀层具有广泛的用途。抽油杆上施镀Ni-P-PTFE复合镀层，可使抽油杆的粘滞阻力比常规镀Ni-P的抽油杆下降20%，可减少抽油杆的磨损断裂事故，延长使用寿命。将Ni-P-PTFE复合镀层应用在精纺机钢令以及不锈钢勺拉伸模上，效果显著，使工件寿命成倍提高。将塑料模具进行化学复合镀，结果表明其低的摩擦系数可使得模具的使用寿命提高，防止工件粘模，改善制品表面质量。除上述应用外，Ni-PPTFE复合镀层还可用于座椅安全带，以保证在安全情况下的活动自如。磁盘上的齿轮镀一层Ni-P-PTFE复合镀层，可以避免因硬质粒子污染而导致对磁盘的刮擦。另外，复印机和打印机上的磨损部件要和纸张发生成千上万次的摩擦，如果镀覆这种自润滑镀层，将会有效延长这些零部件的使用寿命。电子开关因为开与关的频率较高，通过Ni-P-PTFE镀覆可以减少摩擦，提高寿命，节省成本。[5]5μm厚的Ni-P-PTFE复合镀层可使得铝制气动机的寿命从原来的30000周期提高到3000000周期。除此之外，在许多滑动摩擦副中，该复合镀层的应用效果更佳，例如：轴承、泵、阀件、缸套、活塞、衬套、导向筒等，特别是在一些不允许或难添加润滑油的场合，如食品机械、真空、太空机械等。这种镀层的自润滑功能，在食品、厨房器具上应用可发挥镀层憎油、憎水特性，利于保洁。总之，Ni-P-PTFE复合镀层具有广泛的用途，已被用于各行各业。