化学镀镍的应用进展
为了减轻重量,航空工业大量使用铝合金零件。经化学镀镍表面强化后,不仅耐腐蚀、耐磨,而且可焊。例如,通过化学镀镍提高冲程发动机活塞头的使用寿命。钛合金件和铍合金件采用低应力压应力化学镀镍等其他措施。
镍+铊+硼三元合金化学镀(NTB)已被指定为普惠喷气发动机上160多个零件的表面强化工艺,以抵抗磨损和微振磨损。例如,NTB化学镀被用于喷气发动机主轴密封。美国空军要求发动机制造商提供4000次战术循环,当磨损量达到0.178mm时,必须拆卸重建。经NTB化学镀后,主轴密封面的磨损显著降低,4000次战术循环后的磨损量约为0.008 mm
金属镜广泛应用于航空航天系统。基材为强度高、重量轻的铍或铝,表面经特殊化学镀镍强化。这种磷含量为12.2% ~ 12.7%的化学镀镍可以抛光到9?如此高的精度,在需要低惯性的空间有着出色的表现。
我国化学镀行业虽然起步较晚,但从20世纪90年代开始,经过各科研单位的不懈努力,已经形成了成熟的技术和经验,在我国洛阳建成了一条飞机零件化学镀镍加工线。解决使用乙醇和汽油混合燃料的问题是汽车工业的发展趋势之一。使用混合燃料,除了性能问题,还会产生燃油系统的腐蚀问题。在巴西,使用乙醇作为燃料并应用化学镀镍技术来保护锌压铸件(如汽化器)免受腐蚀已成为一项工艺规范。在美国,当甲醇或甲醇和汽油的混合燃料被广泛使用时,化学镀镍必然被用作汽车工业中化油器和燃油泵系统的表面保护手段。
差速器行星齿轮是汽车的重要部件。它镀有25微米厚的化学镀镍层,以提高耐磨性。一些汽车制造商在轴上采用聚四氟乙烯复合化学镀镍工艺。这种复合涂层不仅具有一定的硬度,而且具有良好的润滑性能,提高了轴的使用寿命。
汽车工业利用均匀化学镀镍的优势来保护复杂零件,如齿轮、散热器和燃料喷嘴。化学镀镍约10um的铝制散热器具有良好的可焊性。齿轮化学镀后,尺寸误差很容易保持在0.3 ~ 0.5 um以内。但如果采用电镀工艺,镀后必须进行机加工,达到合格的公差范围。燃料喷射器上的化学镀镍可以提供良好的燃料耐腐蚀性和耐磨性。通常燃油的腐蚀和磨损会导致喷油孔扩大,因此喷油量增加,使汽车发动机的马力超过设计标准,加速发动机损坏。化学镀镍能有效防止喷油器的腐蚀和磨损,提高发动机的可靠性和使用寿命。在化学工业中,应用化学镀镍技术代替昂贵的耐蚀合金来解决腐蚀问题,以提高化工产品的纯度,保护环境,提高操作的安全性和生产运输的可靠性,从而获得更有利的技术和经济竞争力。
化学镀广泛用于保护大型反应容器的内壁。当初一个很有意思的应用实例是:1955,通用运输公司(GATX)采用化学镀的方法保护罐车内壁,防止碱腐蚀。如今,化学镀镍技术已经取得了很大的进展,可以在各种化学腐蚀环境中提供可靠的保护。
化学镀镍最广泛的应用是阀门制造业。钢铁制造的球阀、闸阀、回转阀、止回阀、蝶阀可镀25 ~ 75um高磷化学镀镍,提高耐蚀性和使用寿命。化学镀镍对化工泵的影响也是显著的。在碱腐蚀条件下工作的阀门应采用磷含量为1% ~ 2%的低磷化学镀镍。因为在苛性腐蚀条件下,低磷化学镀镍层的年腐蚀速率约为2.5um,优于中磷或高磷化学镀镍层。化学镀镍层在强氧化性酸如浓硝酸和浓硫酸中不耐腐蚀。虽然在盐酸中的腐蚀速率低于奥氏体不锈钢,但耐腐蚀性仍然不足。因此,化学镀镍不适合上述强酸介质,或可能水解生成上述强酸的介质。碳钢紧固件用25 ~ 50μ m厚的高磷化学镀镍层代替不锈钢紧固件,既克服了奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题,又节约了大量资金。生产低密度聚乙烯的压力容器内壁为25um,以防止铁污染和聚乙烯变色。如果是不锈钢的话,价格是化学镀的两倍左右。石油和天然气是化学镀镍的重要市场之一,化学镀镍技术广泛应用于油田的采油和输油管道设备。石油天然气工业的典型腐蚀环境是地下盐水、二氧化碳和硫化氢,温度高达170 ~ 200℃,并伴有泥沙和其他磨粒的侵蚀等。,而且腐蚀环境相当恶劣。在如此恶劣的条件下,低碳钢油气管道的寿命只有2 ~ 3个月。经50 ~ 100 μm厚的高磷化学镀镍层保护后,其腐蚀速率降低到与哈氏合金相当的水平。考虑到耐蚀合金价格较高,从性价比来看,化学镀镍保护的碳钢管道技术经济性能最好。
泵壳、叶轮、出口管道等油气用泵零件根据不同的腐蚀环境采用化学镀镍,镀镍厚度为25-75um不等,防腐效果极佳。抽油泵化学镀镍是一个理想的应用实例:在西德克萨斯油田,有化学镀镍保护的抽油泵寿命在4年以上,无保护的抽油泵寿命不到6个月。化学镀镍层耐腐蚀、耐磨损,由于化学镀镍层的高度均匀性,可以将油泵筒制成一体件,从而显著提高油泵的质量,降低生产成本。在油田中,油水分离装置的加热器表面也广泛采用高磷化学镀镍来防止腐蚀,镀层厚度通常为25 ~ 75um。集输装置的阀门、管接头和管箍也采用化学镀镍保护。食品加工业为化学镀镍的应用提供了巨大的潜在市场。化学镀镍在食品工业中的广泛应用存在障碍,因此被称为潜在市场。例如,在美国,FDA(美国美国食品药品监督管理局)尚未制定化学镀镍在食品工业中应用的法规和标准;通常,FDA会根据具体情况批准化学镀镍在直接接触食品时的应用。主要原因是经典化学镀液中含有铅、镉等有毒重金属离子作为稳定剂。然而,许多现代化学镀镍溶液不再使用重金属离子作为稳定剂;显然,这个障碍迟早会被清除。食品包装机械中不与食品直接接触的零件,如轴承、滚筒、传送带、液压系统和齿轮,是化学镀镍在食品工业中的典型应用。
在食品加工过程中,会涉及到盐水、亚硝酸盐、柠檬酸、醋酸、天然木材熏蒸、挥发性有机酸等腐蚀性介质的问题。食品加工温度在60 ~ 200之间,生产环境的相对湿度很高。在这种条件下,食品加工设备会出现金属腐蚀、疲劳和磨损等问题。对于与食品接触的金属表面,传统的保护方法是电镀硬铬;但在含氯离子的酸性介质中,镀铬层的耐蚀性不好;而化学镀镍在镀层均匀性、高耐蚀性、防粘、脱模等方面具有明显的优势。和面机上与食品接触的零件化学镀镍就是成功的例子之一。化学镀镍越来越多地应用于食品灌装机、螺旋给料机、搅拌锅、食品模具、烤盘、烘箱、面包保温炉等其他食品机械。采矿业的环境条件恶劣,井下机械不可避免地要接触盐水和矿物酸以经受腐蚀和磨损的考验。因此,矿山机械需要表面保护。
在矿井顶板支护系统中,电镀硬铬常被用作液压支柱的防腐耐磨保护层。但由于硬铬表面有裂纹和气孔,液压支柱在使用中经常因腐蚀严重而被咬死。高压液压缸的这个问题更严重。在高压下,涂层被拉伸,进一步加剧了高内应力硬铬层的开裂。在这种情况下,当液压支柱在高压下拉伸时,压应力为25um厚的化学镀镍层不会开裂,能承受煤矿井下环境的腐蚀和磨损。
在一些露天采矿生产中,如用作肥料的磷矿石,使用高压泵和喷射泵喷嘴。此时的腐蚀和冲蚀问题相当严重,但应用耐腐蚀耐磨的化学镀镍层可以防止机械零件的过早损坏。化学镀镍技术在军事上已有广泛应用,如航空母舰上飞机弹射罩和轨道的化学镀镍防护。喷射器的工作环境非常恶劣。飞机发射时的高温气流冲刷轨道、弹射时的巨大作用力以及海洋气候条件的腐蚀,使得弹射系统只能使用6 ~ 12个月。目前采用的表面处理工艺是:正确预处理喷烟罩后,电镀镍后,化学镀镍100um,再镀镉12.5um,铬酸钝化。这种复合涂层保护层具有良好的耐磨性和抗微振动磨损性能,弹射系统的使用寿命可延长到14 ~ 18年,是18倍。
军用车辆的耳轴多年来一直通过化学镀镍进行保护,以防止道路泥浆和盐水的腐蚀和磨损。
坦克后视镜采用铝制材料,经过精细打磨抛光后,采用化学镀镍作为耐腐蚀耐磨的保护层。要求反射镜在可见光谱中具有80%的反射率,而化学镀镍涂层可以容易地满足这些光学要求。铝雷达波导涂有25微米厚的化学镀镍层,以防止在陆地和海洋中腐蚀。化学镀镍的均匀性可以满足各种波导的技术要求。化学镀镍广泛应用于电子和计算机行业,几乎涉及每一种化学镀镍技术和工艺。根据电子和计算机工业发展的需要,开发了许多新的化学镀镍工艺和材料。在技术性能上,除了耐腐蚀、耐磨损外,还要求可焊性、防扩散性、电性能和磁性能。
一些国家已经制定了法律法规,要求必须对电子设备进行屏蔽,以防止电磁和射频干扰。在电子设备的塑料外壳上镀铜再化学镀镍的双金属结构涂层被公认为是最有效的屏蔽方法之一。化学镀镍是制造计算机薄膜硬盘的关键步骤之一。在精加工的5086 Mg-Al表面镀上厚度为65438±02.5 μm的Ni-P合金层,为后续的真空溅射磁记录膜做准备。化学镀镍层的磷含量为12%wt(约20.5%原子)。涂层必须是低应力和压应力的。在250℃或300℃加热1h后,仍保持非磁性,即剩磁小于0.1× 10-4t。镀层必须均匀光滑,表面任何缺陷和突起不得超过0.025um,由于技术要求高,需要使用高质量、高洁净度的专用化学镀液,全自动电镀控制设备和高洁净度的车间环境。电脑薄膜硬盘化学镀镍是高科技化学镀镍的典型代表,占有非常重要的市场份额。
化学镀镍技术在微电子器件制造业中的应用正在迅速增长。据报道,施乐公司在VLSI多层芯片的互连和过孔填充平整过程中采用了选择性化学镀镍磷合金技术。其产品通过了剪切强度、拉伸强度、高低温循环和各种电气性能的测试。实践表明,化学镀镍技术的应用提高了微电子器件制造过程的技术经济性和产品的可靠性。注塑机、压铸模具和其他模具是机械和轻工业中数量大、范围广的产品。由于模具的复杂几何形状,当通过电镀强化模具表面时,为了电镀所有表面,必须设计和安装复杂的辅助阳极和吊架。而且需要进行镀后机械加工,保证尺寸精度和表面粗糙度要求;而且化学镀镍的摩擦系数低,脱模性能突出,是最经济有效的模具表面处理技术之一。
铸造用的模具和芯盒通常是铸铁或铸铝零件,在使用过程中会受到磨损,很快报废。采用化学镀镍保护表面后,铸件模型和芯盒质量分级,使用寿命显著提高。
纺织机械的转速很高,各种纤维纱线对机械零件的磨损很严重。化学镀镍,特别是合成聚晶金刚石复合化学镀技术,成功地解决了纺织机械零件的磨损问题。
印刷机上的各种滚筒和零件都经过化学镀镍保护,厚度为25 ~ 50um,可以防止油墨和增白溶液的腐蚀。化学镀镍的高均匀性保证了印刷辊的尺寸精度,镀后无需机械加工。
一些医疗器械,如手术钳、牙钻、医用模具等金属制品,已经被化学镀镍所取代。