0  前言

    由于化學鍍鎳層具有優秀的均勻性、硬度、耐磨和耐蝕性等綜合物理化學性能,該項技術已經得到廣泛應用,目前幾乎難以找到一個工業不采用化學鍍鎳技術。據報道,化學鍍鎳在各個工業中應用的比例大致如下:航空航天工業:9%,汽車工業:5%,電子計算機工業:15%,食品工業:5%,機械工業:15%,核工業:2%,石油工業:10%,塑料工業:5%,電力輸送工業:3%,印刷工業:3%,泵制造業:5%,閥門制造業:17%,其他:6%。世界工業化國家的化學鍍鎳的應用經歷了80年代空前的發展,平均年凈增速率高達10%~15%;預計化學鍍鎳的應用將會持續發展,平均年凈值速率將降低至6%左右,而進入發展成熟期。在經濟蓬勃發展的東亞和東南地區,包括中國在內,化學鍍應用正在上升階段,預期仍將保持空前的高速發展。

1  航空航天工業

    (1)航空航天工業為化學鍍鎳的使用大戶之一,比較突出的應用實例是:美國俄克拉荷馬航空后勤中心,自1979年以來,以及西北航空公司自1983年以來均采用化學鍍鎳技術修復飛機發動機零件。普拉特-惠特尼公司的JT8D噴氣發動機雖已經停產,可是迄今仍有上千臺這種發動機在波音727和麥道DC-9飛機上使用,原因是:一種高磷,壓應力的化學鍍鎳技術用于修復JT8D六種型號的噴氣發動機的葉輪,確保了這種發動機的重新使用。在航空發動機的渦輪機或壓縮機的葉片上,通常鎳磷合金化學鍍厚為25~75μm,以防止燃氣腐蝕,其疲勞強度的降低比電鍍鉻少25%。俄克拉荷馬航空后勤中心采用超厚層化學鍍鎳修復飛機零件,鍍厚達275~750μm。原采用電鍍工藝時的返工率達50%,采用化學鍍鎳后合格率達90%以上,可見取得了明顯的經濟效益。飛機上的輔助發電機(APU)經化學鍍鎳后,其壽命提高3~4倍。重達8.2噸的渦輪發動機的主軸承面經化學鍍鎳100μm,以防止開機和停機所引起的振動損壞。

    (2)為減輕重量,航空工業大量使用鋁合金件,經化學鍍鎳表面強化后不僅耐蝕、耐磨,而且可焊,如沖程發動機的活塞頭經化學鍍鎳后提高了使用壽命。其他還有鈦合金件、鈹合金件均采用低應力和壓應力的化學鍍鎳表面保護等措施。

    (3)鎳+鉈+硼三元合金化學鍍(NTB)被指定為普拉特-惠特尼噴氣發動機上160多種零件的表面強化工藝,以抗擦傷和微動磨損,例如:NTB化學鍍用于噴氣發動機主軸密封。美國空軍要求發動機制造商提供具有4000次戰術周期,此時磨損量達0.178mm,如此必須拆卸重修,經NTB化學鍍后主軸密封面磨損顯著降低,經4000次戰術周期后的磨損量約為0.008mm。

    (4)宇航系統廣泛使用著金屬光鏡,其基體為強度高、重量輕的鈹或鋁,經專用化學鍍鎳表面強化,這種含磷量為12.2%~12.7%的化學鍍鎳可拋光至9級,如此高的精度在需要低慣性的宇宙空間里,有著卓越的性能。

    (5)我國的化學鍍工業雖然起步較晚,但自九十年代以來經過各科研單位的不懈努力,現已擁有成熟的工藝和經驗,在我國洛陽已建成飛機零件化學鍍鎳加工流水線。

2  汽車工業

    (1)解決使用乙醇、汽油混合燃料問題是汽車工業的發展趨勢之一,使用混合燃料,除性能問題之外,還產生了燃油系統的腐蝕問題。

(2)在巴西,使用乙醇作為燃料,應用化學鍍鎳技術保護鋅壓鑄件,如汽化器免遭腐蝕已成為工藝規范。在美國,當廣泛用甲醇或甲醇和汽油混合燃料時,汽車工業勢必應用化學鍍鎳作為汽化器、燃油泵送系統的表面保護手段。

    (3)差速器行星齒輪是汽車的一個重要零件,鍍上25μm厚的化學鍍鎳層以提高耐磨性,有的汽車制造廠在軸上采用聚四氟乙烯復合化學鍍鎳層工藝,這種復合鍍層既有一定的硬度,又兼有好的潤滑性能,提高了軸的使用壽命。

    (4)汽車工業利用化學鍍鎳層非常均勻的優點,在形狀復雜的零件上,如齒輪、散熱器和噴油嘴上采用化學鍍工藝保護。鍍上10μm左右的化學鍍鎳層的鋁質散熱器具有良好的釬焊性。齒輪上化學鍍后尺寸誤差十分容易地保持在±0.3~0.5μm。而如果采用電鍍工藝,則必須鍍后還要進行機加工才能達到合格的工差范圍。用在噴油器上的化學鍍鎳層,可以提供良好的抗燃油腐蝕和磨損性能。通常,燃油腐蝕和磨損會導致噴油孔的擴大,因此噴油量增大,使汽車發動機的馬力超出設計標準,加快發動機的損壞。化學鍍鎳層可以有效地防止噴油器的腐蝕、磨損,提高發動機的可靠性和使用壽命。

3  化學工業

    (1)化學工業應用研究化學鍍鎳技術代替昂貴的耐蝕合金以解決腐蝕問題,以便改進化學產品的純度,保護環境,提高操作安全性和生產運輸的可靠性,從而獲得更有利的技術經濟競爭能力。

    (2)化學鍍廣泛地應用于大型反應容器的內壁保護。當初非常引人關注的應用實例是:1955年美國通用運輸公司(GATX)采用化學鍍保護槽車內壁,防止苛性堿的腐蝕。如今,化學鍍鎳技術已經獲得長足的進步,能夠在多種化工腐蝕環境下提供可靠的保護。

    (3)應用化學鍍鎳最為量大面廣的是閥門制造業。鋼鐵制造的球閥、閘閥、旋閥、止逆閥和蝶閥等等,經高磷化學鍍鎳25~75μm,可提高耐腐蝕性和使用壽命。化工用泵化學鍍鎳的效果也同樣顯著。在苛性堿腐蝕條件下工作的閥門,應采用鍍層含磷量1%~2%的低磷化學鍍鎳。因為在苛性堿腐蝕條件下,低磷化學鍍鎳層的年腐蝕速率約為2.5μm,優于中磷或高磷化學鍍鎳層。化學鍍鎳層在強氧化性酸,如濃硝酸、濃硫酸等介質中不耐蝕。盡管在鹽酸中的腐蝕速率低于奧氏體不銹鋼,耐蝕性仍然是不夠的。因此,對于上述強酸介質,或者可能水解生成上述強酸的介質中,不適于使用化學鍍鎳層。碳鋼緊固件鍍上25~50μm厚的高磷化學鍍鎳層,代替不銹鋼緊固件,既克服了奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂問題,又節省了大量費用。生產低密度聚乙烯的壓力容器內壁25μm,以防止鐵污染和因此所造成的聚乙烯變色。如果采用不銹鋼建造,其價格大約是化學鍍方法的兩倍。

4  石油天然氣

    (1)石油和天然氣是化學鍍鎳的重要市場之一,油田采油和輸油管道設備廣泛地采用化學鍍鎳技術。典型的石油和天然氣工業腐蝕環境為井下鹽水、二氧化碳、硫化氫,溫度高達170~200℃,并伴有泥沙和其他磨粒沖蝕等等,腐蝕環境相當惡劣。低碳鋼油氣管道在如此苛刻的條件下,僅有2~3個月的壽命。經過50~100μm厚的高磷化學鍍鎳層保護之后,其腐蝕速率降低到與哈氏合金相當的程度。考慮到耐蝕合金價格昂貴,從性能價格比上講,碳鋼管道采用化學鍍鎳保護的技術經濟性能最好。

  (2)泵殼、葉輪和出口管道等油氣用泵零件,根據腐蝕環境不同,經化學鍍鎳鍍厚25~75μm不等,防腐蝕效果優良。抽油泵化學鍍鎳是一種理想的應用實例:在西得克薩斯油田,經化學鍍鎳保護的抽油泵,壽命長達4年以上,同樣末加保護的抽油泵的壽命不超過6個月。化學鍍鎳層耐蝕耐磨,而且由于化學鍍鎳層的高度均勻性,可以使抽油泵筒制成整體件,從而顯著地提高了抽油泵品質,降低生產成本。在油田,高磷化學鍍鎳亦廣泛地應用于油水分離裝置的加熱器表面以防腐蝕,鍍厚通常為25~75μm。集油和輸油裝置的閥門、管接頭、管箍等亦采用化學鍍鎳保護。

5  食品加工業

    (1)食品加工業為應用化學鍍鎳提供了一個巨大的潛在市場;之所以稱之為潛在的市場,是因為目前化學鍍鎳在食品工業的廣泛應用中存在著障礙。比如在美國,FDA(美國食品和藥物管理署)對于化學鍍鎳在食品工業中的應用尚末制訂出法規標準;通常,對于化學鍍鎳層在應用于直接與食品接觸的情況,FDA采取個案處理的方式予以批準。究其原因,主要是因為經典的化學鍍液配方中含有毒的鉛、鎘等重金屬離子作為穩定劑的緣故。然而,許多現代的化學鍍鎳溶液中已經不使用重金屬離子作穩定劑了;顯然,這個障礙遲早將會被拆除。目前,食品包裝機械中不與食品直接接觸的零件,如:軸承、輥筒、傳送帶、液壓系統和齒輪等為化學鍍鎳在食品工業中的典型應用。

    (2)在食品加工過程中,會涉及鹽水、亞硝酸鹽、檸檬酸、醋酸、天然木材的煙薰,揮發性有機酸等腐蝕介質等問題;食品加工溫度范圍為60~200℃,生產環境中相對濕度很高;在這樣的條件下,食品加工設備存在著金屬腐蝕、疲勞和磨損等問題。對于接觸食品的金屬表面,傳統的保護方式是電鍍硬鉻;可是,在含氯離子酸性介質中,鍍鉻層的耐蝕性并不好;然而,化學鍍鎳在均鍍能力、高耐蝕性、防粘、脫模性等方面具有明顯的優勢。揉面機上與食品接觸的零件采用的化學鍍鎳就是應用成功的實例之一;其他在食品充氣裝罐機、螺桿送料機、拌料鍋、食品模具、烤盤、干燥箱,面包保溫爐等食品機械上越多地采用了化學鍍鎳。

6  采礦工業

    (1)采礦工業環境條件惡劣,井下機械不可避免地接觸鹽水、礦酸,以受腐蝕和磨損的考驗。因此,采礦機械需要進行表面保護。

    (2)礦井頂板支撐系統中,常用電鍍硬鉻作為液壓支柱的防腐蝕耐磨損保護層。然而,由于硬鉻表面裂紋、多孔,使用中經常因為腐蝕嚴重以致液壓支柱被咬死而無法動作。高壓液壓缸的這種問題更加嚴重。在高壓工作下,鍍層受到拉伸,使得高內應力的硬鉻層的裂紋進一步加劇。這種情況下,采用25μm厚的壓應力的高磷化學鍍鎳層做保護,當液壓支柱受高壓拉伸時,化學鍍鎳層不會產生裂紋,并能夠經受住地下煤礦環境的腐蝕與磨損。

    (3)在某些露天采礦生產中,例如采選肥料用的磷礦石,要使用高壓泵和噴射泵嘴,此時,腐蝕和沖蝕問題相當嚴重,但耐蝕耐磨的化學鍍鎳層的應用便可防止機械零件過早損壞。

7  軍事工業

    (1)化學鍍鎳技術在軍事上得到廣泛的應用,突出的例子如航空母艦上飛機彈射機罩和軌道的化學鍍鎳保護。

(2)彈射機的工作環境非常惡劣,飛機發動時的高溫氣流沖刷軌道,彈射時的巨大的作用力,海洋氣候條件的腐蝕,使得彈射系統僅能使用6~12個月。現采用的表面處理工藝是:正確前處理后的彈射機罩,在電鍍鎳后,化學鍍鎳100μm,然后再電鍍鎘12.5μm,并經鉻酸鈍化。這樣的復合涂覆保護層,具有很好的耐磨和抗微振磨損性能,彈射系統的使用壽命可延長至14~18年,即增加18倍。

    (3)軍用車輛的耳軸多年來一直采用化學鍍鎳層保護,防止道路泥漿和鹽水的腐蝕和磨損。

    (4)坦克的后視鏡用鋁材制成,精磨拋光后,化學鍍鎳作為耐蝕耐磨保護層。技術要求后視鏡在可見光譜范圍內具有80%的反射率,化學鍍鎳層容易達到這些光學要求。鋁質雷達波導管鍍以25μm厚的化學鍍鎳層可防止陸地和海上腐蝕。化學鍍鎳層的均勻性,能滿足各種波導管的技術要求。

8  電子和計算機工業

    (1)化學鍍鎳在電子和計算機工業中應用得最廣,幾乎涉及到每一種化學鍍鎳技術和工藝。許多新的化學鍍鎳工藝和材料正是根據電子和計算機工業發展的需要而研制開發出來的。在技術性能方面,除要求耐蝕耐磨之外,還具有可焊接、防擴散性、電性能和磁性能等要求。

    (2)有的國家已經建立法規:電子設備必須進行屏蔽以防止電磁和射頻干擾。電子設備的塑料外殼上鍍銅,然后化學鍍鎳,這樣的雙金屬結構覆層,被公認為是最有效的屏蔽方式之一。化學鍍鎳是計算機薄膜硬磁盤制造中的關鍵步驟之一。主要是在經過精細加工的5086鎂鋁表面鍍12.5μm厚的鎳磷合金層,為后續的真空濺射磁記錄薄膜做預備。化學鍍鎳層含磷量為12%wt(原子百分比約20.5%)。鍍層必須是低應力且為壓應力。經250℃或300℃加熱1h,此時仍保持非磁性,即剩磁小于0.1×104T。鍍層必須均勻、光滑,表面上的任何缺陷和突起不得超過0.025μm。因為技術要求高所以必須使用高質量高清潔度的專用化學鍍液、全自動的施鍍控制設備和高清潔度的車間環境。計算機薄膜硬磁盤化學鍍鎳是高技術化學鍍鎳的典型代表,占有相當重要的市場份額。

    (3)化學鍍鎳技術在微電子器件制造業中應用的增長十分迅速。據報導施樂公司在超大規模集成電路多層芯片的互連和導通孔(via-hole)的充填整平化工藝中,采用了選擇性的鎳磷合金化學鍍技術;其產品均通過了抗剪切強度、抗拉強度、高低溫循環和各項電性能的試驗。實踐說明,化學鍍鎳技術的應用提高了微電子器件制造工藝的技術經濟性和產品的可靠性。

9  其他工業

    (1)注塑機、壓鑄模等多種型模是機械、輕工行業量大面廣的產品。由于模具幾何形狀復雜,當采用電鍍方法對模具表面進行強化時,為了使各個面都能夠鍍上,必須設計安裝復雜的輔助陽極和掛具;而且,還必須要進行鍍后機械加工,才能保證尺寸精度和表面粗糙度的要求;而且,化學鍍鎳層具有較低的摩擦系數和突出的脫模性能,使其成為最為經濟有效的模具表面處理技術之一。

    (2)鑄造用模型和芯盒通常為鑄鐵或鑄鋁件,在使用過程中遭受磨料磨損,報廢很快。采用化學鍍鎳鎳表面保護之后,鑄造模型和型芯盒的質量上等級,使用壽命顯著提高。

(3)紡織機械轉速很高,各種纖維紗線對于機械零件的磨損十分嚴重。化學鍍鎳,特別是人造多晶金剛石復合化學鍍技術,比較成功地解決了紡織機械零件的磨損問題。

(4)印刷機上各種輥筒和部件,采用25~50μm厚的化學鍍鎳層保護可防止印刷油墨和潤白液的腐蝕。化學鍍鎳層的高度均勻性可保證印刷輥筒的尺寸精度,而無須鍍后機械加工。