目前廣泛應用的化學(xué)鍍鎳溶液,大致可分為酸性鍍液和堿性鍍液兩種類(lèi)型。
化學(xué)鍍鎳溶液的組分雖然根據不同的應用有相應的調整,但一般是由主鹽、還原劑、絡(luò )合劑、緩沖劑、穩定劑、加速劑、表面活性劑等組成,以下分別討論各成分的作用。
第一:主鹽
化學(xué)鍍鎳溶液的主鹽是提供金屬鎳離子的可溶性鎳鹽,在化學(xué)還原反應中為氧化劑??晒┎捎玫逆圎}有硫酸鎳(NiS04?7H20)、氯化鎳(NiCl2?6H20)、醋酸鎳[Ni(CH3COO)2]、氨基磺酸鎳[Ni(NH2S03)2]及次磷酸鎳[Ni(H2P02)2]等。早期曾以氯化鎳為主鹽,但由于Cl-的存在會(huì )降低鍍層的耐蝕性,同時(shí)產(chǎn)生拉應力,所以目前已不再使用。
而醋酸鎳及次磷酸鎳價(jià)格昂貴,目前使用的主鹽是硫酸鎳。
在通常的主鹽濃度范圍內,鎳鹽與絡(luò )合劑量、鎳鹽與還原劑的比例對鎳的沉積速度有影響,它們均有一個(gè)合理范圍。
Ni2+與H2P02-的摩爾比應在0.3~0.45之間,這樣才能保證化學(xué)鍍鎳溶液既有最大的沉積速度,又有良好的穩定性。
第二:還原劑
化學(xué)鍍鎳所用的還原劑有次磷酸鈉、硼氫化鈉及肼等幾種,在結構上它們的共同特征是含有兩個(gè)或多個(gè)活性氫,還原Ni2+就是靠還原劑的催化脫氫進(jìn)行的。
用次磷酸鈉得到Ni-P合金鍍層,用硼氫化鈉得到Ni-B合金鍍層,用肼則得到純鎳鍍層。
化學(xué)鍍鎳中,多數使用次磷酸鈉為還原劑,因為其價(jià)格低廉,鍍液容易控制,而且Ni-P合金鍍層性能優(yōu)良。
次磷酸鈉在水中易溶解,水溶液pH值為6。次磷酸鹽離子的氧化還原電位為一1.065V(pH=7)和一0.882V(pH一4.5),在堿性介質(zhì)中為一1.57V,因此次磷酸鹽是一種強的還原劑。
第三:絡(luò )合劑
化學(xué)鍍鎳溶液中的絡(luò )合劑除了能控制可供反應的游離Ni2+濃度外,還能抑制亞磷酸鎳沉淀,提高鍍液的穩定性,延長(cháng)鍍液壽命,有些絡(luò )合劑還兼有緩沖劑和促進(jìn)劑的作用,提高鍍液的沉積速度,影響鍍層的綜合性能?;瘜W(xué)鍍鎳的絡(luò )合劑一般含有羥基、羧基、氨基等,常用的絡(luò )合劑有乳酸、乙醇酸(羥基乙酸)、蘋(píng)果酸、氨基乙酸(甘氨酸)和檸檬酸等。
堿性化學(xué)鍍鎳溶液中的絡(luò )合劑有檸檬酸鹽、焦磷酸鹽和氨水等。通常每種鍍液都有一種主絡(luò )合劑,配以其他的輔助絡(luò )合劑。
不同種類(lèi)的絡(luò )合劑及不同的絡(luò )合劑用量,對化學(xué)鍍鎳的沉積速度影響很大。合理選擇絡(luò )合劑及其用量不僅可在同樣條件下獲得更高的鍍層沉積速度,而且可以使鍍液穩定,使用壽命延長(cháng)。
從根本上說(shuō),化學(xué)鍍鎳溶液在工作中是否穩定,不是單純依賴(lài)鍍液中是否加入某種穩定劑,而更主要的是取決于絡(luò )合劑的選擇、搭配、用量是否合適。
因此,選擇絡(luò )合劑不僅要使鍍層沉積速度快,而且要使鍍液穩定性好,使用壽命長(cháng),鍍層質(zhì)量好。
絡(luò )合劑的濃度至少應能絡(luò )合全部鎳離子。因此,乳酸、乙醇酸和氨基乙酸的物質(zhì)量濃度至少應為Ni2+物質(zhì)量濃度的兩倍,而酒石酸和檸檬酸的物質(zhì)量濃度至少應與Ni2+的物質(zhì)量濃度相等。
若絡(luò )合劑濃度不足以絡(luò )合全部Ni2+,以致溶液中游離的Ni2+濃度過(guò)高時(shí),鍍液的穩定性下降,鍍層的質(zhì)量變差。
第四:緩沖劑
在化學(xué)鍍鎳反應過(guò)程中,除了有鎳和磷的析出之外,還有氫離子產(chǎn)生,從而導致溶液的pH值會(huì )不斷降低,這不但使沉淀速度變慢,也對鍍層質(zhì)量產(chǎn)生影響。
因此,在化學(xué)鍍鎳溶液中必須加入緩沖劑,使溶液具有緩沖能力,即在施鍍過(guò)程中使溶液pH值不致變化太大,能維持在一定范圍內。
第五:穩定劑
化學(xué)鍍鎳溶液是一個(gè)熱力學(xué)不穩定體系,在施鍍過(guò)程中,如因加熱方式不當導致局部過(guò)熱,或因鍍液調整補充不當導致局部pH值過(guò)高,以及因鍍液被污染或缺乏足夠的連續過(guò)濾導致雜質(zhì)的引入或形成等,都會(huì )觸發(fā)鍍液在局部發(fā)生激烈的自催化反應,產(chǎn)生大量Ni-P黑色粉末,從而使鍍液在短期內發(fā)生分解,因此鍍液中應該加入穩定劑。
穩定劑的作用在于抑制鍍液的自發(fā)分解,使施鍍過(guò)程在控制下有序進(jìn)行。穩定劑能優(yōu)先吸附在微粒表面抑制催化反應,從而掩蔽催化活性中心,阻止微粒表面的成核反應,但不影響工件表面正常的化學(xué)鍍過(guò)程。但必須注意的是,穩定劑是一種化學(xué)鍍鎳毒化劑,即反催化劑,只需加入痕量就可抑制鍍液自發(fā)分解。穩定劑不能使用過(guò)量,過(guò)量后輕則降低鍍速,重則不再起鍍,因此必須慎重使用。
第六:加速劑
在化學(xué)鍍鎳溶液中能提高鎳沉積速度的成分稱(chēng)為加速劑。它的作用機理被認為是活化次磷酸根離子,促進(jìn)其釋放原子氫。
化學(xué)鍍鎳中的許多絡(luò )合劑兼有加速劑的作用。無(wú)機離子中的F一是常用的加速劑,但必須嚴格控制其濃度,用量大不僅會(huì )降低沉積速度,還對鍍液穩定性有影響。