化学镀镍工艺配方及制程管理

化学镀镍在石油机械产品的工艺及制程管理 摘 要：化学镀镍磷因其优异性能，被广泛用于石油机械工业。但随着技术要求的不断提高 以及用户对镍磷镀层新的要求；表面光洁度达到镀前水准，工作面粗糙度 Ra0.4m；镀层 不允许有针孔，每件产品小于 0.38 毫米的针孔不超过 3 个；镀层厚 7090m，单边均匀 误差 2 微米；镀层硬度 HRC6570 等等。针对在生产中出现的问题，经多年践行及验证， 确定最佳工艺条件，最终达到和满足用户要求。 1 前 言 化学镀镍磷合金具有耐酸、碱、盐，耐磨，镀层均匀等优异性能，特别 是在含硫化物和二氧化碳介质中突出的耐蚀性，使得其在石油机械产品中有良 好的应用。本文针对在施镀过程中出现的问题和解决的途径进行阐述，期望与 从事化学镀镍技术的同仁交流，在提高质量，降低成本，创新、拓宽先进功能 产品技术上，互相借鉴和参考。 2 石油机械产品对镀层要求 2.1 石油机械设备大多暴露在氢化物、硫化物、二氧化碳、盐水、海水等恶劣 的环境下，并还兼有吸入泥沙引起的磨损和高达 280高温的浸蚀。因此，设 备的腐蚀、磨损十分严重。 2.2 工艺要求镀层厚 0.030.09mm，单边均匀误差 2m；镀层硬度HRC50； 有的产品硬度HRC6570；要求耐腐蚀性在中性盐雾（NSS）试验后，满足经 120 小时达到 10 级（未出现明显腐蚀缺陷）；还有的要求更苛刻，工作面镀层 粗糙度 Ra0.4m，不允许有针孔，每件产品小于 0.38 毫米的针孔不超过 3 个； 中心孔及其非镀区要进行遮蔽等等，有些用户还签订化学镀镍技术协议，每批 产品提供标准试片，随产品同槽镀覆，若未达到规定的性能要求，需方有权索 赔。 3 化学镀镍应用及工艺操作 3.1 化学镀镍磷合金镀层规范和试验方法的最新指南，是依据国家标准 GB/T 139132008/ISO 4527:2003，采用自制的中磷酸性化学镀镍液，确定工艺技术 参数和流程。 3.2 镀液组成及操作条件： 25g/L NiSO46 H2O，30g/LNaH 2PO2，15g/L CH 3COONa3H2，DL苹果酸+甘 氨酸+乳酸，45mg/LKI，20mg/LCuSO 45H2O；PH 值 4.55.0，温度：8590； 硫酸镍（吉恩镍业英文包装）、次磷酸钠（湖北兴发出口的）、其他材料均选 用食品级，且镀层达到欧盟 ROHS 标准。 2 3.3 工艺流程如下： 镀件有机溶液除油滴干化学除油（40g/L Fc-4370H）热水(80) 冷水化学除油（30 g/L Fc-4370H）热水(80)冷水活化(1015% HCL)冷水中和预热(5%NaOH、80纯水)化学镀镍冷水热纯水(80) 晾干（吹干）冷却检验包装出厂。 3.3.1 一般 45 号钢材料和镀层厚度0.03mm 的工件，如油田套管、泵体和井 下工具及供油总管、回油管汇等可按以上工艺操作进行，均得到良好的镀层。 3.3.2 45 号钢和 2040GrMo 的材料，镀层厚在 0.060.09 mm 的镀件，必须 要配制专用的镀液且添加润湿剂和加强前处理，方可达到镀层的要求。 3.3.3 如固井压裂机组配套的十字接头、连杆等直径 76152mm、长度在 200360mm 的产品；镀层厚 0.050.08 mm；13 吋高压管汇中旋塞，镀层厚 0.070.09mm，镀后热处理硬度 HRC6570。因此，对镍磷镀层提出了特殊要 求。 4 优化镍磷镀工艺的有效途径 4.1 前处理是保证镀层质量的前提。 4.1.1 众所周知，电镀产品质量问题的 80%以上都出在前处理工序。镍磷镀前 处理则显得更加重要，特别是石油机械产品的镀件，一般选用 45 号钢，经调质 处理 HRC2731，渗碳 0.050.1 mm。工件形状复杂、多孔和内、外有螺纹及 盲孔等；多数零件采用 2040CrMo 的合金钢，均经过不同工艺的热处理，为保 证镀层与基材的结合，各道工序之间必须彻底清洗，镀件在冲洗槽中停留时间 不少于 2 分钟已成为获取质量良好镀层的重要条件。 4.1.2 按前面叙述的典型前处理工艺外，要注意有些镀件上有残磁，要用消磁 机消除材料上的磁性。除油后，要在大于 80热水中清洗，把粘附的氧化钠 （碱液遇到盐酸生成物）除净；在保护非镀面和中心孔时，严禁用裸手操作， 以防手脂油的污染；清理好的工件，要妥善存放好、防止第二次污染，待生产 用；生产前仍要再次加强清洗，并用 80以上热纯水，把粘附脏物、油污再次 彻底清洗干净；要在配制 1:1 活化液中，浸蚀 13 分钟，再经冷水洗热纯水 浸后，方可入专用的镀槽，并搅拌、循环镀液，要始终保持镀液的流动性和稳 定性。 4.2 做好中心孔保护是需第二次磨削的关键。 4.2.1 在高压管汇元件中，旋塞的非镀面保护，特别是中心孔的保护是关系到 镀件施镀尺寸达到要求，保证质量的难点。在实践中我们采用了多种办法，涂 阻镀液、用环氧树脂材料堵塞、金属夹具等等，仍然未完全解决中心孔的保护， 使厂家在第二次磨削中尺寸偏位造成镀件返修、甚至报废。 3 4.2.2 在前处理过程中，增加了一道专有的清洗、保护工序，先要将中心孔除 油，彻底清洗干净。在工件经热水清洗后，将“三和”牌密封胶滴入，经数小 时干燥、固化后再使用；这种密封胶镀前、镀中耐碱、耐酸、耐温，镀后完整 无损，而且也很易取下。工件经热处理后的第二次磨削加工，中心孔的位置和 尺寸都保证了加工质量。 4.2.3 镍磷镀层的磨削加工，要正确对待。要选用绿色碳化硅或白刚玉砂轮， 粒度 6080#，硬度中软，组织状态中等，其尺寸和形状视零件而定；同时要 计算好磨削用量，确定砂轮和工件的转速及切削深度和走刀量。同时，要注意 镍磷合金镀层磨削时无火花，加工时，镀层表面应涂上红丹油，以便对刀。否 则，很易将镀层磨损。 4.3 非镀面的保护材料要选择适用的厂家。 镍磷镀层在 85左右的温度，厚的镀层施镀时间在 67 小时条件下进行， 石油机械零件，内外有管螺纹、连接头的端面、内孔尺寸精度要求高，而且， 都要保护。选用的保护材料，要耐高温、耐酸、粘结力强、镀后易撕下，工件 表面无残留胶；我们在生产中选用鸿富达特种胶粘带（苏州）公司生产的 T75 电镀胶带及定制生产的专用尺寸胶片。使用非常方便，耐高温、耐溶剂、 粘性佳，又便于撕下，确保了用户对镀件非镀面的尺寸要求。 4.4 镀液质量是保证镀层质量的基础。 4.4.1 化学镀镍的反应过程是一个自催化的氧化还原过程。以次磷酸钠作还 原剂的酸性镀液，次磷酸钠被氧化生成亚磷酸盐悬浮于镀液中或沉淀在镀件上。 因此，生产过程中，要适时补充浓缩液，以维护镀液的稳定性。 4.4.2 在生产过程中，对镀层0.06 mm 的镀层，由于施镀时间一般要五个小 时左右，无论采用何种循环、搅拌，甚至对工件移动或振动，若润湿剂未达到 一定的比例，在镀件的上端面或者经第二次磨削加工后，镀层上的针孔，显而 易见。 4.4.3 为防止针孔，要在镀液中添加润湿剂十二烷基硫酸钠。一般资料上介 绍，添加量在 0.050.1g/L 之间，超量将影响镀层的质量。经多年的生产、实 验和验证，配方量要达到 0.75g/L，并在镀液升温到80时，在搅拌或循环 条件下缓慢加入；因生产过程中消耗和带出量较大，每次开缸时，仍要按 0.025g/L 的量再补充。 4.4.4 生产前，取一根 2mm 的铁丝，做成 90mm 的圆环，垂直放入镀液中， 然后轻轻提起，如圆环内液膜当即破裂、说明溶液中润湿剂含量少、可按 0.02g/L 十二烷基硫酸钠再补充。按此办法施镀的工件表面，光洁如镜，无针 孔，保证了产品的质量。 4.5 镀液的维护和控制是应用中的重点。 4 4.5.1 化学镀镍时镍离子消耗，还原剂浓度减少等问题，随时影响化学镀镍液 的稳定性。可以说这是化学镀镍工艺难以掌握的主要原因。一般情况下，要按 化验室分析结果，按比例添加浓缩液和稳定剂、光亮剂。对镀层厚度大于 0.06mm，定时分析 Ni2+离子浓度和调整 PH 值非常重要，生产过程中每镀一小时 或槽液有异向时，要分析硫酸镍的浓度，根据化验结果计算所需添加的补充液， 维护镀液的稳定。 4.5.2 镍离子浓度的调整和控制是化学镀镍工艺最基本的管理项目，它决定了 镀层的沉积速度和镀层质量。同时，要控制好温度和 PH 值。温度对沉积速度影 响极大，一般控制在 8590，新配镀液先取下限，以维持沉积速度的稳定。 由于 PH 值的高低将会影响镀液的稳定性，必须加强控制。 4.5.3 在实践中逐步摸索做镀层厚 0.060.09mm，Ni 2+离子含量取上限，温度 和 PH 值低一点的操作办法。即：Ni 2+含量25g，温度 831，PH 值 4.41，镀速控制在 1012m/h；镀液在生产中要过滤，镀液中的沉积物、 镀槽、加热管和挂具表面的镍层及杂物，应及时清除或用褪镀液退除；当发现 镀液生成气泡，颜色变淡，这就显示了镀液已发生自然分解，应尽快进行处理， 一般补加 2 g/L 苹果酸、2 ml/L 乳酸等络合剂。按以上维护和控制办法，加工 的镀件光洁一致，产品质量稳定、深受用户好评。镀液一般可用 68 个周期。 5 提高镀层硬度是扩宽化学镀镍市场的技术、经济优势。 5.1 用镍磷镀层代替镀硬铬在工业中应用已非常成功，特别是形状复杂的工件、 如油田抽油泵筒、管套、泵体、液压管件等，不仅可以消除六价铬对环境的污 染，而且可以省略镀后的研磨、大大提高了生产效益。 5.2 化学镀镍与电镀硬铬的比较、存在的不足和差距，主要是镀态的硬度；镍 磷合金硬度 HV500650，硬铬硬度 HV800900；镍磷镀层需经过热处理后，才 能达到 HV9001100；而在施镀的方法上，结合力、孔隙率和均匀度上优于硬 铬。从市场上反馈的信息来看，选择热处理的镍磷镀层的潜力很大。 5.3 提高镍磷镀层硬度的热处理工艺；热处理温度 400，处理时间 1 小时； 为防止工件表面产生有色的氧化物，热处理工序要在惰性和还原性气氛或真空 环境下进行。 5.4 一般电镀企业，受生产条件和技术限制，不能满足用户的要求，均放弃了 加工厚的镍磷镀层和需要热处理的加工业务，使化学镀镍技术的推广和发展受 到一定的影响和制约。 5.5 提高硬度和耐磨性的热处理采用铸铁粉末，放入专用铁盒里，将镀件完全 保护好的办法，可替代需用保护气体或使用真空炉的要求。按以上热处理工艺 升温到 400，处理 1 小时后，再缓慢随炉温自然冷却到室温，取出工件、清 理，镀层外观光泽一致、无变色。多年来，热处理的产品，经石油机械厂的检 5 测中心和机械工业表面覆盖层产品质量监督检测中心（武汉材保所），采用 M 型显微硬度计和 MVD1000JMT2 型微氏硬度计，检测的结果，镀层硬度：未经 热处理：（500600）HV0.918，经热处理（9211017）HV0.918。 6 结束语 6.1 对石油机械产品中镍磷镀层的特殊要求，在生产实践中，探索新的途径， 确定最佳工艺条件，全面满足用户需求。 6.2 在镍磷镀层 0.070.09mm 施镀中，优化镀液配制，加强前处理，做好中 心孔和非镀面的保护，提高硬度的热处理办法和第二次磨削需正确操作等工艺 控制要素。 6.3 化学镀镍磷合金的溶液十分敏感，因其浓度、温度、PH 值控制范围较窄， 使用和生产中要特别关注每一个环节的变化，操作中要加强控制、跟踪分析、 严格执行工艺。 6.4 化学镀镍磷合金技