镍铁合金电镀制备技术简述

镍铁合金电镀工艺最早用于电铸。自从计算机工业发展以来，便作为记忆元件使用，铁质量分数在20%左右。20世纪80年代末金属镍价格飞涨，为了降低电镀成本，采用镍铁合金代替铜+亮镍镀层证明可行后，人们便开发出镍铁合金代镍工艺。

之所以能够代镍是因为镍铁合金镀层具有下述优点：

1）与镍镀层相比，可节省25%左右的金属镍。镀液中的镍离子也减少了1/3的浓度，成本大为下降。

2）镍铁合金的硬度在550～650HV之间，比亮镍硬度高。镀层与基体金属结合力好，镀层的柔软性能好，可进行镀后加工。

3）镀层的耐蚀性与亮镍相当。其镀液的整平性能还高于亮镍。

镍铁合金电镀溶液与亮镍溶液相差不多，只是增加了第二金属铁盐。因为铁盐中只能使用二价铁盐，而二价铁盐的稳定性较差，极易被空气氧化成三价铁离子。所以，稳定剂便成了电镀镍铁合金的关键成分。通常用来作铁离子稳定剂的化合物有柠檬酸盐、抗坏血酸、葡萄酸盐等。

1.电镀镍铁合金工艺

1）配方1：

硫酸镍 180～220g/L

硫酸亚铁 10～20g/L

氯化钠 25～30g/L

柠檬酸钠 20～25g/L

糖精 3～5g/L

光亮剂 适量

润湿剂 适量

pH值 3.2～3.9

温度 60～65℃

电流密度 2～5A/dm²

阳极 镍∶铁=7∶1

阴极移动 10～15次/min

此配方以柠檬酸钠为稳定剂。

2）配方2：

硫酸镍 45～55g/L

氯化镍 100～110g/L

硫酸亚铁 18～20g/L

丁二酸 0.2～0.4g/L

抗坏血酸 1.0～1.5g/L

硼酸 30～40g/L

糖精 2～4g/L

苯亚磺酸钠 0.2～0.8g/L

光亮剂 适量

润湿剂 适量

pH值 3.5～4.0

温度 55～65℃

电流密度 2～10A/dm²

阳极 镍∶铁=4～5∶1

此配方以抗坏血酸为稳定剂。

2.镀液配制

1）在备用槽内加入2/3体积的净水，加热至50℃左右，依次加入硼酸、氯化镍、氯化钠、硫酸镍等原料，搅拌至完全溶解，然后加入1～2g/L的粉末活性炭，搅拌2h后静置过夜。第二天过滤至镀槽。

2）在另一容器内加入少量净水，溶解稳定剂并搅拌至完全溶解，将硫酸亚铁加入搅拌至溶解完全。

3）调节镀槽溶液的pH值至工艺规定范围下限（用稀硫酸或稀氢氧化钠溶液），将硫酸亚铁溶液加入镀槽。最后，加入其他原料（苯亚磺酸钠用少量水溶解后加入，其他添加剂也用同样的方法加入），补足水量，并搅拌均匀。

4）挂入阳极板，阴极采用瓦棱形铁板，小电流电解（电流密度为0.2～0.4A/dm²）至镀层合格为止即可。

3.镀液成分及控制

（1）硫酸镍和硫酸亚铁 它们都是镀液的主盐。在水溶液中，它们迅速电离出金属阳离子和酸根阴离子。金属阳离子在阴极表面获得电子还原为金属。硫酸亚铁在中性溶液中易发生水解现象。

4FeSO₄+2H₂O+O₂→4Fe（OH）SO₄↓

反应式中的氧气是溶解在水中的氧。在水解反应中，二价铁离子被氧化成三价铁离子。这个反应结果形成了胶体漂浮在镀液中，易夹杂在镀层中，形成毛刺。为了消除这一反应所带来的弊病，在溶解硫酸亚铁时，要提前将水酸化，并加入稳定剂。

镀液中金属离子的总浓度对镀液的性能有一定影响，总浓度高时，镀液的电流效率高，镀液的均镀能力好，电流使用范围宽。总浓度低时，镀液覆盖能力好，但电流使用范围窄。总浓度对镀层成分没有影响。

镀液中两种金属离子浓度之比对合金成分影响较大。图3-36示出了金属离子浓度之比对镀层合金成分的影响。

图3-37所示为硫酸亚铁浓度对镀层合金成分的影响。

图3-36 金属离子浓度之比对镀层合金成分的影响

图3-37 硫酸亚铁浓度对镀层合金成分的影响

从图3-37中曲线可以看到，随着镀液中硫酸亚铁浓度的提高，镀层中铁的含量也随之升高。这表明镀层成分的决定因素是镀液中两种金属离子浓度之比。

（2）稳定剂 配方中的稳定剂都是有机络合物。它们在镀液中与金属铁离子形成稳定的络合离子。稳定剂的浓度会影响镀液的稳定。浓度低时，镀液不稳定，易形成浑浊现象，镀层粗糙；浓度高时，镀液成本增加，电流效率稍有下降。三种稳定剂中，以抗坏血酸较为特别。它不仅能与二价铁离子络合，而且还能将三价铁离子还原为二价铁离子，缺点是成本较高。

（3）氯化钠和氯化镍 由于这两种氯化物在溶液中能够完全电离，电离出的氯离子具有腐蚀性，能够腐蚀掉阳极板上的氧化膜，使阳极表面总是处于活化状态。所以又称为阳极去极化剂。浓度低时，作用不明显；浓度高时，会使阳极腐蚀不均匀，镀层应力加大。(www.zuozong.com)

（4）硼酸 由于硼酸在溶于水时会发生分步电离，电离出的氢离子会自动弥补镀液中因析氢造成的氢离子损失，所以称为pH缓冲剂。浓度低时作用不明显，浓度高时，受溶解度限制，一般浓度不超过45g/L。

（5）糖精 糖精是一种有机添加剂。在镀液中起到细化晶粒的作用。对镀液的整平能力尤为显著，但不起光亮作用，所以称为初级光亮剂。除了细化晶粒作用外，还能消除镀层的张应力。浓度低，作用不明显，浓度高时会使镀层发雾。

（6）光亮剂 光亮剂是提高镀层光洁度的有机混合物。它的加入可获得镜面光亮镀层，其内容物主要有炔属醇衍生物，其组成与镀镍光亮剂相似。

光亮剂浓度低时，镀层亮度差，镀液的均镀能力低；浓度高时，镀层应力大且脆性加大。

4.操作条件及控制

（1）pH值 由于铁离子沉淀与镀液的酸度有关，所以pH值对镀液的稳定十分重要。pH值低，镀液稳定，但电流效率低，阳极自溶解加剧，镀液均镀能力差。pH值高时，二价铁离子易水解，镀液浑浊，镀层粗糙有毛刺。

镀液的pH值对镀液金属离子的沉积有影响，如图3-38所示。

从图3-38中可以看到，随着pH值的升高，镀层中的铁含量急剧升高。图3-39示出了pH值对镀液电流效率的影响。

图3-38 pH值对镀层中铁含量的影响

图3-39 pH值对镀液电流效率的影响

由于pH值低时，镀液中的氢离子会在阴极表面接受电子参与还原反应。反应结果形成了氢气，所以电流效率就降低了。

（2）温度 温度升高有利于金属离子的运动，消除浓差极化，增大电流使用范围，提高镀液的均镀能力。同时，温度对合金成分也有影响，提高温度会增加镀层中铁的含量。温度对镀层合金成分的影响如图3-40所示。

温度的升高，也会带来负面影响，使二价铁离子容易氧化成三价铁离子。温度过低时，不仅影响铁含量，而且还会降低电流使用范围和电硫效率。温度对电流效率的影响如图3-41所示。

图3-40 温度对镀层合金成分的影响

图3-41 温度对电流效率的影响

（3）电流密度 电流密度的大小与镀液中金属离子浓度、温度、pH值均有关系。而实际生产使用的电流密度要根据镀层要求和镀液性能决定。试验结果表明，电流密度对镀层合金的成分影响较大。电流密度对镀层铁含量的影响如图3-42所示。

由图中曲线可以看出，随着电流密度的升高，镀层中的铁含量迅速下降。大电流抑制了铁离子的还原反应。电流密度对镀液性能的影响主要表现在电流效率方面，如图3-43所示。

图3-42 电流密度对镀层铁含量的影响

图3-43 电流密度对镀液电流效率的影响

为了提高电流效率，可以采用大电流电镀，但是大电流会烧焦零件的边角镀层，尤其是零件形状较为复杂时更甚。如果采用阴极移动，就可以使用较大的电流密度，但不能使用空气搅拌，因为空气搅拌会加快二价铁离子的氧化。

（4）阳极 镍铁合金工艺一般常用单体阳极分挂方式。铁阳极采用电工纯铁，也可使用低碳钢。镍板使用一般镍板即可。为了防止阳极泥进入镀液，应该使用阳极套（常用丙纶布），镍板与铁板的面积比为6∶1～8∶1，阳极总面积与阴极总面积之比应在2∶1左右为宜。

（5）整流电源 基于镀铁电源考虑，有人常用脉冲电流进行镍铁合金电镀，结果发现，电流波形对镀层铁含量有较大影响，如图3-44所示。

图3-44 电流波形对镀层铁含量的影响

1—直流电源 2—脉冲电源

从图3-44中可以看出，与普通直流一样，随着电流密度的升高，铁含量随之降低。但在同样电流密度下，使用脉冲电流所获得的镀层铁含量更低。

5.镀液维护

1）pH值。尽管加入了铁的稳定剂，空气中的氧气还会使部分二价铁离子氧化成三价铁离子。加上氢气的析出，造成镀液中的氢离子减少，使镀液的pH值上升。所以在生产中要经常调节镀液的pH值。

2）要定期化验镀液，根据化验结果补加所缺成分。补加时要将原料在槽外溶解后经过滤加入镀槽。补加时还要注意金属离子浓度的比例，以保持合金成分的稳定。

3）控制二价铁离子的浓度，有条件要经常分析二价铁离子的含量。无法化验时可根据镀液的颜色变化来确定。如果镀液的颜色发墨绿色，即表明三价铁离子过多，应采用铁粉处理，处理后要过滤出沉淀物。

4）镀液要经常过滤，最好采用连续过滤。

5）掉入镀槽的零件要尽快捞出，以防三价铁离子含量升高。

6）处理镀液时，不可使用氧化剂。例如双氧水、高锰酸钾等，采用铁粉和活性炭联合处理。

7）按照工艺使用温度和电流密度。

6.常见缺陷及处理方法

镍铁合金工艺常见缺陷、可能原因与排除方法见表3-10。

表3-10 镍铁合金工艺常见缺陷、可能原因与排除方法

（续）

7.不合格镀层的退除

（1）钢铁基体镍铁合金镀层的退除

对硝基苯甲酸 70～80g/L pH值 10.0

焦磷酸钾 150～250g/L 温度6 0～80℃

乙二胺 150～200g/L 浸泡至退净

（2）铜及其合金基体镍铁合金镀层的退除

防染盐 80g/L pH值 7～8

柠檬酸钠 80g/ L温度 80℃

乙二胺 40g/L 浸泡至退净