第四章化学镀镍层的结构和性能.ppt

第四章第四章 化学镀镍层的结构和性质化学镀镍层的结构和性质 化学镀得以发展的主要原因是化学镀层优异化学镀得以发展的主要原因是化学镀层优异的性能，最突出的优点是镀层的高耐蚀性、高耐的性能，最突出的优点是镀层的高耐蚀性、高耐磨性及其电磁性能磨性及其电磁性能 化学镀镍层与电镀镍层在结构与性质上因为化学镀镍层与电镀镍层在结构与性质上因为沉积机理与镀层成分的不同，有着很大差别前沉积机理与镀层成分的不同，有着很大差别前者为层状（镍磷）、柱状（镍硼）结构，为微晶者为层状（镍磷）、柱状（镍硼）结构，为微晶或非晶而后者为均一的金属晶体结构而后者为均一的金属晶体结构 4.1 4.1 化学镀镍层的组织结构化学镀镍层的组织结构 镍的晶体结构为面心立方镍的晶体结构为面心立方( (fccfcc），），每个镍每个镍原子与原子与1212个镍原子相邻，磷或硼的加入使得这个镍原子相邻，磷或硼的加入使得这种原子排布不可能生成很大的晶粒，而且随着种原子排布不可能生成很大的晶粒，而且随着磷或硼含量的增大，镀层由晶体变成微晶最磷或硼含量的增大，镀层由晶体变成微晶最后变成后变成非晶结构非晶结构。

低磷合金是微晶结构，晶粒尺寸为低磷合金是微晶结构，晶粒尺寸为2-6nm随磷含量增加，微晶逐渐转变为非晶，没有明随磷含量增加，微晶逐渐转变为非晶，没有明显的突变一般认为含磷质量分数小于显的突变一般认为含磷质量分数小于7%7%的镀的镀层为微晶，而磷含量为层为微晶，而磷含量为12% 12% 时已经完全变为非时已经完全变为非晶态结构晶态结构 化学镀镍层为化学镀镍层为亚稳态亚稳态的过饱和合金从镍的过饱和合金从镍磷、镍硼合金相图中可以看出，镍磷、镍硼体磷、镍硼合金相图中可以看出，镍磷、镍硼体系在室温下，磷与硼在镍基中的溶解度极低，系在室温下，磷与硼在镍基中的溶解度极低，不存在镍与磷、硼的固溶体不存在镍与磷、硼的固溶体在平衡条件下，在平衡条件下，合金的成分主要是纯镍和金属间化合物合金的成分主要是纯镍和金属间化合物NiNi3 3P P、、NiNi3 3B B但实际上在镀覆的条件下不允许金属间但实际上在镀覆的条件下不允许金属间化合物的生成，所生成的化合物的生成，所生成的微晶及非晶结构阻止微晶及非晶结构阻止了镀层中磷或硼原子的扩散了镀层中磷或硼原子的扩散，，使之夹杂在镍原使之夹杂在镍原子之间导致了磷或硼的过饱和子之间导致了磷或硼的过饱和。

少量区域中少量区域中1/31/3的原子是磷，而其他区域则主要是纯镍的原子是磷，而其他区域则主要是纯镍 由于在镀层中磷的分布不均匀，由于在镀层中磷的分布不均匀，低磷区在氧低磷区在氧化性环境中的稳定电位比高磷区低化性环境中的稳定电位比高磷区低，就会作为腐，就会作为腐蚀微电池的正极被溶解，即镀层发生点腐蚀而形蚀微电池的正极被溶解，即镀层发生点腐蚀而形成孔隙 镍硼化学镀镍层的显微组织为镍硼化学镀镍层的显微组织为柱状结构柱状结构，比，比 镍磷层具有更大的不均匀性，而且夹杂着许多垂镍磷层具有更大的不均匀性，而且夹杂着许多垂 直于镀层平面的裂纹和夹杂物，严重影响其抗蚀直于镀层平面的裂纹和夹杂物，严重影响其抗蚀 性能  未经热处理的化学镀镍层处于热力学上的亚未经热处理的化学镀镍层处于热力学上的亚稳态，有从非晶态或微晶向晶态转变的趋势当稳态，有从非晶态或微晶向晶态转变的趋势当对镀层进行对镀层进行热处理热处理时，由于发生原子的互扩散，时，由于发生原子的互扩散，导致非晶与微晶发生导致非晶与微晶发生重结晶重结晶，生成金属镍的晶胞，生成金属镍的晶胞和金属间化合物如和金属间化合物如Ni2P、、Ni3P、、Ni5P2。

X X射线衍射射线衍射分析能明显观察到热处理后镀层中晶态镍和金属分析能明显观察到热处理后镀层中晶态镍和金属间化合物的衍射峰间化合物的衍射峰 化学镀镍层的断面形貌化学镀镍层的断面形貌化学镀镍层的表面形貌化学镀镍层的表面形貌化学镀镍层断面形貌化学镀镍层断面形貌4.2 4.2 化学镀镍层的性质化学镀镍层的性质 （一）外观（一）外观 化学镀镍层的外观一般为光亮或半光亮并化学镀镍层的外观一般为光亮或半光亮并略带黄色，有类似银器的光泽，但用肼作还原略带黄色，有类似银器的光泽，但用肼作还原剂的镀层，其外观颜色是无光泽的暗灰色塑剂的镀层，其外观颜色是无光泽的暗灰色塑料件上碱性化学镀镍层有时为黑灰色料件上碱性化学镀镍层有时为黑灰色 镀层的外观质量不仅包括镀层的表面缺镀层的外观质量不仅包括镀层的表面缺陷，即镀层表面特别是镀件的主要表面上的陷，即镀层表面特别是镀件的主要表面上的针孔针孔、、麻点麻点、、起皮起皮、、起泡起泡、、剥落剥落、、斑点斑点以及以及未镀覆未镀覆的部位等疵病，还包括镀层的部位等疵病，还包括镀层表面粗糙表面粗糙度度，此外还包括镀层的，此外还包括镀层的光泽度光泽度。

（二）厚度及其均匀性（二）厚度及其均匀性 镀层的镀层的厚度厚度及其及其均匀性均匀性是衡量镀层质量的重是衡量镀层质量的重要指标之一镀层厚度直接影响到工作的耐蚀性、要指标之一镀层厚度直接影响到工作的耐蚀性、耐磨性、孔隙性和导电性等性能，从而在很大程耐磨性、孔隙性和导电性等性能，从而在很大程度上影响产品的可靠性和使用性能度上影响产品的可靠性和使用性能 镀层的厚度取决于镀层的厚度取决于沉积速度沉积速度、、沉积时间沉积时间与与镀镀液的老化程度液的老化程度，理论上可得到任意厚度的镀层理论上可得到任意厚度的镀层 化学镀镍层的一个主要优点是沉积金属的厚化学镀镍层的一个主要优点是沉积金属的厚度在整个基底表面是均匀的，几乎与它的几何形度在整个基底表面是均匀的，几乎与它的几何形状无关并且在状无关并且在全部被溶液浸润全部被溶液浸润以及以及镀液流动有镀液流动有自由通道自由通道的条件下，可获得非常均匀的镀层的条件下，可获得非常均匀的镀层化学镀镍层与电镀镍层的区别化学镀镍层与电镀镍层的区别（三）结合力（三）结合力 化学镀镍层与基体材料的结合力是衡量化学镀镍层与基体材料的结合力是衡量化学镀件的重要指标之一，它表示的是镀层化学镀件的重要指标之一，它表示的是镀层与基体金属的结合强度，即单位表面积的镀与基体金属的结合强度，即单位表面积的镀层从基体金属上剥离所需要的力，是镀层重层从基体金属上剥离所需要的力，是镀层重要机械性能之一。

要机械性能之一 镀层结合力小，镀层易于剥落，会使镀层镀层结合力小，镀层易于剥落，会使镀层的防护性以及耐蚀、耐磨、导电、焊接等性能的防护性以及耐蚀、耐磨、导电、焊接等性能受到巨大的影响镀层结合不良，就无需进行受到巨大的影响镀层结合不良，就无需进行其他性能的检验结合力不好的镀层外在表现其他性能的检验结合力不好的镀层外在表现很明显，如鼓泡、脱皮等很明显，如鼓泡、脱皮等  非金属基底材料，如非金属基底材料，如塑料塑料、、氧化物陶瓷氧化物陶瓷等，等，与化学镀镍层的结合力取决于与化学镀镍层的结合力取决于范德华力范德华力和非和非金属表面的金属表面的粗糙度粗糙度 与金属之间的结合相比较，镀层与非金属基与金属之间的结合相比较，镀层与非金属基底的结合力一般小一个数量级因而要使镀层与底的结合力一般小一个数量级因而要使镀层与基体有良好的结合力必须借助非金属表面的粗糙基体有良好的结合力必须借助非金属表面的粗糙度使之与镀层产生度使之与镀层产生机械的咬合作用机械的咬合作用因此在进行因此在进行非金属镀件预处理时，要增加一道工序，用机械非金属镀件预处理时，要增加一道工序，用机械的或其他方法，对镀件表面进行某种程度的粗化。

的或其他方法，对镀件表面进行某种程度的粗化 化学镀镍层与金属基体有较好的结合力化学镀镍层与金属基体有较好的结合力特别是经特别是经过热处理过热处理后，镍与基体的结合更好后，镍与基体的结合更好而且热处理温度越高，对改善镀层与基体金而且热处理温度越高，对改善镀层与基体金属的结合力愈有利属的结合力愈有利 当温度高到当温度高到700℃700℃镀层与金属的分界线上镀层与金属的分界线上出现了出现了薄薄的扩散层薄薄的扩散层，使镀层与金属基体的结，使镀层与金属基体的结合力得到极大的加强合力得到极大的加强 一般的铝基体在一般的铝基体在150℃150℃、钢基体在、钢基体在200℃200℃下下热处理也能提高结合力热处理也能提高结合力造成镀层结合力差的原因造成镀层结合力差的原因1 1、前处理不良、前处理不良2、零件表面粗糙度高（金属件）、零件表面粗糙度高（金属件）3 3、镀层含磷量的层状变化、镀层含磷量的层状变化 镀层中含磷量升高，会使镀层变脆，降低镀层中含磷量升高，会使镀层变脆，降低镀层与基体的结合力镀层与基体的结合力4 4、镀液温度变化、镀液温度变化（四）密度（四）密度 镍的密度在镍的密度在20℃20℃时为时为8.918.91g/cmg/cm3 3。

含磷含磷量量1%-4%1%-4%时为时为8.5 8.5 g/cmg/cm3 3；；含磷量含磷量7%-9%7%-9%时为时为8.1 8.1 g/cmg/cm3 3；；含磷量含磷量10%-12%10%-12%时时为为7.9 7.9 g/cmg/cm3 3 （五）热学性质（五）热学性质 热膨胀系数是用来表示金属尺寸随温度的热膨胀系数是用来表示金属尺寸随温度的变化规律，一般是指线膨胀系数变化规律，一般是指线膨胀系数μm/m/℃μm/m/℃化化学镀学镀Ni-P（（8%-9%））的热膨胀系数在的热膨胀系数在0-100℃0-100℃内内为为1313μm/m/℃μm/m/℃ 电镀镍相应值为电镀镍相应值为12.3-13.6μm/m/℃，，化学镀镍的化学镀镍的热导率热导率比电镀镍低，在比电镀镍低，在4.396～～5.652W/(m·K)范围 磷或硼含量对镀层密度的影响磷或硼含量对镀层密度的影响（六）内应力（六）内应力 化学镀镍层的内应力表现形式有化学镀镍层的内应力表现形式有拉应力拉应力和和压应力压应力两种，按其产生的原因可分为两种，按其产生的原因可分为外因内应外因内应力力和和内因内应力内因内应力。

外因内应力外因内应力的产生原因主要是化学镀镍层的产生原因主要是化学镀镍层与基体材料的热膨胀系数不同所引起的热膨与基体材料的热膨胀系数不同所引起的热膨胀系数大的一方产生压应力，而膨胀系数小的胀系数大的一方产生压应力，而膨胀系数小的一方产生拉应力一方产生拉应力  内因内应力是在镀覆过程中产生的通常内因内应力是在镀覆过程中产生的通常最初沉积上的化学镀镍层不是连续的原子层，最初沉积上的化学镀镍层不是连续的原子层，而是岛状的分散粒子粒子的形成、而后的连而是岛状的分散粒子粒子的形成、而后的连接以及后来的扩散很可能就是镀层增厚的方式接以及后来的扩散很可能就是镀层增厚的方式当这些粒子在其间填充上新的粒子之前被表面当这些粒子在其间填充上新的粒子之前被表面应力拉到一起时，形成了拉应力应力拉到一起时，形成了拉应力 影响内应力大小的因素主要有基体的影响内应力大小的因素主要有基体的热膨胀热膨胀系数系数、、镀层磷含量镀层磷含量及及热处理工艺热处理工艺 镀层含磷量与内应力的关系镀层含磷量与内应力的关系（七）硬度（七）硬度 化学镀镍层的硬度一般在化学镀镍层的硬度一般在HV300-600HV300-600，，最高最高可达到可达到HV700HV700以上，而电镀镍的硬度仅为以上，而电镀镍的硬度仅为HV160-HV160-180180，，高的也只有高的也只有HV200HV200。

而且化学镀镍层经过一而且化学镀镍层经过一定的热处理之后，其硬度还可提高定的热处理之后，其硬度还可提高 为提高硬度，恰当的热处理规范是：热处理为提高硬度，恰当的热处理规范是：热处理温度温度380-400℃380-400℃，处理时间是，处理时间是1 1h h；；采用这种温度采用这种温度处理最好有保护气体或使用真空炉，以防镀层变处理最好有保护气体或使用真空炉，以防镀层变色 镀层硬度与热处理温度的关系镀层硬度与热处理温度的关系 化学镀镍层的硬度还与含磷量有关，在一定化学镀镍层的硬度还与含磷量有关，在一定范围内随含磷量增加而硬度提高范围内随含磷量增加而硬度提高 化学镀镍层经热处理后硬度的提高与化学镀镍层经热处理后硬度的提高与Ni3P相相析出的数量和弥散度成正比但是当含磷质量分析出的数量和弥散度成正比但是当含磷质量分数超过数超过11%11%、热处理温度超过、热处理温度超过400℃400℃时，时，Ni3P相开相开始明显地集中，减少了它在镀层中的弥散度，反始明显地集中，减少了它在镀层中的弥散度，反而会降低镀层的硬度而会降低镀层的硬度 （八）塑性（八）塑性 化学镀镍层塑性较差，其原因被认为是化化学镀镍层塑性较差，其原因被认为是化学镀镍层的学镀镍层的微晶结构微晶结构或或非晶态结构非晶态结构，这些结构，这些结构能抵抗塑性形变。

能抵抗塑性形变 （九）钎焊性（九）钎焊性 化学镀镍层拥有良好的钎焊性能，如在铝化学镀镍层拥有良好的钎焊性能，如在铝合金制品上镀合金制品上镀7 7～～8 8μmμm 镍磷镀层就可以改善钎镍磷镀层就可以改善钎焊性能，使铝散热件与硅晶体管连接良好焊性能，使铝散热件与硅晶体管连接良好 （十）耐磨性（十）耐磨性 具有高的耐磨性是化学镀镍层的又一重要具有高的耐磨性是化学镀镍层的又一重要性质，这一性质与镀层的硬度、塑性以及磨擦性质，这一性质与镀层的硬度、塑性以及磨擦系数有关系数有关十一）耐蚀性十一）耐蚀性 化学镀镍层本身具有优秀的化学镀镍层本身具有优秀的耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性、、耐气体腐蚀性耐气体腐蚀性和和耐色变性耐色变性 影响化学镀镍层耐蚀性的因素可以说都是通影响化学镀镍层耐蚀性的因素可以说都是通过影响镀层孔隙率和电位差而产生作用的这些过影响镀层孔隙率和电位差而产生作用的这些影响因素主要有：影响因素主要有：基体的成分与结构基体的成分与结构、、化学镀镍化学镀镍层的成分与结构层的成分与结构、、腐蚀介质和腐蚀条件腐蚀介质和腐蚀条件、、镀前处镀前处理与镀后处理等理与镀后处理等。

孔隙率与防护性能的关系：孔隙率与防护性能的关系： 在许多以水为主的介质中，化学镀镍层的电在许多以水为主的介质中，化学镀镍层的电位高于基体金属，属于位高于基体金属，属于阴极镀层阴极镀层，因此镀层的腐，因此镀层的腐蚀实际上是蚀实际上是点腐蚀点腐蚀，这与镀层的孔隙率密切相关这与镀层的孔隙率密切相关化学镀层的孔隙率在很大程度上决定了镀层与基化学镀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就化学镀层而言，其底构成的结合体的耐蚀性就化学镀层而言，其孔隙率比相同厚度的电镀镍层低得多孔隙率比相同厚度的电镀镍层低得多 镀层厚度与孔隙率的关系镀层厚度与孔隙率的关系 化学镀镍层的孔隙率是受镀层的厚度、镀化学镀镍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、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热处理条件等几个因素影响的 （十二）电磁性（十二）电磁性 1 1、电导率、电导率 化学镀镍层的电导率：化学镀镍层的电导率：14.7×105-22.2×105 S/m 电镀镍层的电导率：电镀镍层的电导率： 13.7×106 S/m 热处理可提高化学镀镍层的导电性，当处理热处理可提高化学镀镍层的导电性，当处理温度在温度在580-600℃580-600℃ 之间时，化学镀镍层的导电性之间时，化学镀镍层的导电性可达到最好程度。

可达到最好程度 2 2、接触电阻、接触电阻 含磷质量分数为含磷质量分数为10%10%的镀层其接触电阻约为的镀层其接触电阻约为3030mΩmΩ，，含硼质量分数为含硼质量分数为7%7%的镀层其接触电阻为的镀层其接触电阻为15 15 mΩmΩ 3 3、磁性质、磁性质 化学镀化学镀Ni-PNi-P合金的磁性能决定于磷含量和合金的磁性能决定于磷含量和热处理P≥ 8%P≥ 8%（（wtwt））的非晶态镀层是非磁性的非晶态镀层是非磁性的，含的，含5%-6% 5%-6% P P 的镀层有很弱的铁磁性，只有的镀层有很弱的铁磁性，只有P ≤3%P ≤3%（（wtwt））的镀层才具有铁磁性，但磁性仍的镀层才具有铁磁性，但磁性仍比电镀镍小热处理可提高其磁性比电镀镍小热处理可提高其磁性。