CN106460180A

CN106460180A - 高磷无电镍

Info

Publication number: CN106460180A
Application number: CN201580029222.9A
Authority: CN
Inventors: R·加尼克; N·J·麦克于斯
Original assignee: MacDermid Acumen Inc
Current assignee: MacDermid Acumen Inc
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: US20150345026A1; JP6426203B2; EP3152345A4; KR101848227B1; CN106460180B; JP2017527688A; KR20170012546A; WO2015187403A1; US9708693B2; MY193246A; EP3152345A1

Abstract

一种无电镍镀浴，包含：i)镍离子源；ii)有效量的硫脲；iii)有效量的糖精；iv)次磷酸根离子源；v)一种或多种螯合剂；和vi)任选的其他添加剂，以及使用该镀浴在基底上提供高磷无电镍镀覆沉积物的方法。高磷无电镍沉积物能够通过RCA硝酸测试，其中，将其上具有高磷镍沉积物的基底浸入到浓的镍酸中30秒，并且沉积物不变黑也不变灰则认为已经通过RCA硝酸测试。

Description

高磷无电镍

技术领域

本发明概括而言涉及无电镍磷镀液以及使用该镀液生产高磷无电镍沉积物。

背景技术

无电镀镍工业长期以来一直涉及开发用于各种应用和各种基底的金属涂层。这些涂层沉积在基底(包括金属和非金属基底)上，以赋予基底镍合金的物理和化学性质。无电镀的方法通常使用还原剂，例如次磷酸盐或硼，并且通常表征为用于在基底上沉积期望的金属合金的受控自催化化学还原工艺。沉积物是通过在还原剂的存在下并在合适的无电镍处理条件下将基底浸入到水性镍镀液中形成的。

在无电镀镍工艺中产生的含磷的镍合金是具有期望的性能如耐腐蚀性和高硬度的有价值的涂层沉积物。使用诸如次磷酸盐的磷还原剂进行的无电镀镍在金属或非金属基材上提供了镍磷合金涂层的连续沉积物，而不需要外部电镀电流。

无电镍通常被称为“自催化”镀覆，因为所施加的金属是在溶液中并且使用电源电流将其自身粘附到基底上。因此，无电沉积的主要益处之一是其不需要用于金属沉积的电。无电镀也不同于“浸镀”，因为与浸镀相比，其可以实现沉积层的期望厚度，而浸镀中仅可以实现具有标称厚度的覆盖。

无电镍工艺能够在各种基底(包括非导电或介电基底，例如塑料和陶瓷，和金属基材，包括钢、铝、黄铜、铜和锌)上沉积均匀厚度的可靠、可重复的镍涂层。因为无电镍没有通量密度和供电问题，所以无论工件几何形状如何，都能够提供均匀的沉积物。因此，其能够有效地涂覆具有复杂几何形状的基底，包括尖锐边缘、深凹部、内部区域、接缝和螺纹，而不会导致在点、拐角等上的过度累积。此外，无电镍涂层还表现出优异的防腐蚀性和改善的耐磨性以及良好的润滑性、高硬度和良好的延展性。

无电镍还可以用于涂覆非导电基底如塑料基底，以使这种基底的表面导电和/或改变基底的外观。此外，通过镍的沉积，可以改善所涂覆基底的材料性能，包括耐腐蚀性、硬度和耐磨性。

在使用次磷酸根离子作为还原剂的无电镍镀浴中，镍沉积物包含镍和磷的合金，磷含量为约2％至大于12％。这些合金在耐腐蚀性和(热处理后)硬度和耐磨性方面具有独特的性能。

来自镍磷浴的沉积物的特征在于磷含量，其反过来决定沉积物性质。沉积物中磷的百分比受许多因素影响，包括但不限于浴操作温度、操作pH、浴的老化程度、次磷酸根离子浓度、镍离子浓度、亚磷酸根离子和次磷酸盐降解产物浓度以及包括其他添加剂的镀浴的总化学组成。

低磷沉积物通常包含约2～5重量％的磷。低磷沉积物提供改善的硬度和耐磨性特性、耐高温性和在碱性环境中增加的耐腐蚀性。中磷沉积物通常包含约6～9重量％的磷。中磷沉积物是光亮的，并表现出良好的硬度和耐磨性以及适度的耐腐蚀性。

高磷沉积物通常包含约10～12重量％(或更高)的磷。高磷沉积物提供非常高的耐腐蚀性，并且沉积物可以是非磁性的(特别是如果磷含量大于约11重量％)。

无电镍沉积物的热处理(在至少约520℉的温度下)将增加沉积物的磁性。另外，即使是通常在镀覆时为非磁性的沉积物，当在约高于约625℉热处理时，将变成磁性。无电镍涂层的硬度也可以通过热处理而增强，并且取决于磷含量和热处理时间和温度。

通常期望将硫引入到无电镍镀液中以改善无电镍磷沉积物的性能。此外，还期望生产能够通过RCA硝酸测试的镍磷沉积物。RCA硝酸测试是品质控制测试，其包括将无电镍磷涂布的试样或部件浸入到浓硝酸(70重量％)中30秒。如果涂层在浸渍过程中变黑或变灰，则未通过测试。

已经发现沉积物孔隙率和共沉积的污染物例如硫影响结果。因此，在沉积物中包含硫会导致涂层不能通过RCA硝酸测试。

Itoh等人的美国专利No.5,718,745描述了一种用于形成黑色涂层的无电镀浴，其包含镍盐和还原剂，并且还含有含硫化合物、锌离子和任选的微粒，该专利的主题通过引用整体并入本文。

Parker等人的美国专利No.3,887,732描述了可以控制沉积在金属基底上的镍-磷涂层的残余应力，该专利的主题通过引用整体并入本文。

对于某些工业应用例如存储盘来说，高含量的磷(高于约9重量％，更优选高于约10重量％)并且高达约14～15重量％通常是理想的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够在镀覆沉积物中产生约9至约13重量％磷的无电镍磷镀浴。

本发明的另一个目的是提供一种在沉积物中具有很少或没有硫的无电镍磷沉积物。

本发明的另一个目的是生产能够通过RCA硝酸测试的高磷无电镍沉积物。

本发明的另一个目的是生产在沉积物中具有低应力的高磷无电镍沉积物。

为此，在一个实施方案中，本发明概括而言涉及一种无电镍镀浴，其包含：

a)镍离子源；

b)有效量的硫脲；

c)有效量的糖精；

d)次磷酸根离子源；

e)一种或多种螯合剂；和

f)任选的其他添加剂。

在另一个实施方案中，本发明概括而言还涉及一种在基底上提供高磷无电镍沉积物的方法，该方法包括以下步骤：

a)准备该基底以在其上接受无电镍；

b)将该基底浸入到无电镍镀浴中，该无电镍镀浴包含：

i)镍离子源；

ii)有效量的硫脲；

iii)有效量的糖精；

iv)次磷酸根离子源；

v)一种或多种螯合剂；和

vi)任选的其他添加剂；

其中该高磷无电镍沉积物能够通过RCA硝酸测试，其中，将其上具有高磷镍沉积物的基底浸入到浓的镍酸中30秒，并且沉积物不变黑也不变灰则认为已经通过RCA硝酸测试。

具体实施方式

如本文所述，本发明概括而言涉及一种无电镍镀浴，其包含：

a)镍离子源；

b)有效量的硫脲；

c)有效量的糖精；

d)次磷酸根离子源；

e)一种或多种螯合剂；和

f)任选的其他添加剂。

镍离子源可以是任何合适的可溶性镍离子源，并且优选是从由溴化镍、氟硼酸镍、磺酸镍、氨基磺酸镍、烷基磺酸镍、硫酸镍、氯化镍、乙酸镍、次磷酸镍和一种或多种前述物质的组合构成的群组中选出的镍盐。在一个优选实施方案中，镍盐是硫酸镍。可溶性镍离子源以优选使得浴中镍金属的浓度为约1至约50g/L，更优选约2至约20g/L，最优选约5至约10g/L的量存在于镀浴中。

通过在该过程中被氧化的化学还原剂的作用，镍离子在无电镍镀浴中被还原成金属镍。在无电镍-磷沉积物的情况下，还原剂通常包含次磷酸根离子，次磷酸根离子优选选自次磷酸或其浴溶性盐，例如次磷酸钠、次磷酸钾和次磷酸铵。在无电镍镀浴中使用的还原剂的量至少足以化学计量地将无电镍反应中的镍阳离子还原成游离金属镍，该浓度通常在约0.01至约200g/L的范围内，更优选为约20g/L至约50g/L。如果还原剂的浓度小于约0.01g/L，则镀覆速度将降低，而如果还原剂的浓度大于约200g/L，则镀液会开始分解。此外，如果需要，还原剂可以在反应期间得到补充。

一种或多种螯合剂(或络合剂)包含有效防止镍化合物沉淀并提供中等速率的镍沉淀反应的成分。络合剂通常以足以络合溶液中存在的镍离子并进一步溶解在镀覆过程中形成的次磷酸盐(或其他还原剂)降解产物的量包括在镀液中。络合剂通常通过与镍离子形成更稳定的镍络合物来阻止镍离子作为不溶性盐如亚磷酸盐从镀液中沉淀。通常，络合剂以最高达约200g/L，优选约15至约75g/L，最优选约20至约40g/L的浓度用于组合物中。

可用的镍螯合剂包括例如羧酸、多胺或磺酸，或它们的混合物，此为举例而非限制。可用的羧酸包括可被各种取代基部分例如羟基或氨基基团取代的单、二、三和四羧酸。酸可以其钠盐、钾盐或铵盐的形式引入到镀液中。一些络合剂例如乙酸也可充当缓冲剂，并且在考虑它们的双重功能之后，这种添加剂组分的适当浓度可针对任何镀液而优化。

可用作本发明溶液中的镍络合剂的羧酸的实例包括：单羧酸，例如乙酸、乙醇酸、甘氨酸、丙氨酸、乳酸；二羧酸，例如琥珀酸、天冬氨酸、苹果酸、丙二酸、酒石酸；三羧酸，例如柠檬酸；和四羧酸，例如乙二胺四乙酸(EDTA)，它们可单独使用或彼此组合使用。

硫脲的来源可包括硫脲或硫脲衍生物。硫脲在镀浴中的浓度可为0.1至5mg/L，更优选为约0.5至3mg/L，最优选为约1至约2mg/L。

糖精的来源可包括糖精或糖精的盐，例如钠盐。糖精在镀浴中的浓度可为约0.1mg/L至约5g/L，更优选在约50mg/L至约3g/L的范围内，最优选在约100mg/L至约300mg/L的范围内。

此外，本发明人已经发现，通过使用与硫酸镍混合的糖精与硫脲的组合可以获得良好的结果，以产生能够通过RCA硝酸测试的镍-磷沉积物。如本文所述，硫脲和糖精在无电镍镀浴中的组合也产生更快速率的沉积、更亮的沉积物以及沉积物中降低的应力。

此外，如果需要，无电镍镀浴还可含有其他添加剂，包括例如本领域公知的缓冲剂、润湿剂、加速剂、腐蚀抑制剂等。例如，本文所述的镀液可使用一种或多种迄今公知的各种类型的润湿剂，其是可溶的并与其他浴组分相容。在一个实施方案中，这种润湿剂的使用防止或阻碍镍合金沉积物的点蚀，并且润湿剂可以最高达约1g/L的量使用。

在另一个实施方案中，本发明概括而言涉及一种在基底上提供高磷无电镍沉积物的方法，该方法包括以下步骤：

a)准备该基底以在其上接受无电镍；

b)将该基底浸入到无电镍镀浴中，该无电镍镀浴包含：

i)镍离子源；

ii)有效量的硫脲；

iii)有效量的糖精；

iv)次磷酸根离子源；

v)一种或多种螯合剂；和

vi)任选的其他添加剂；

硝酸测试实际上是一种无抵抗(passivity)测试，最初由RCA实验室于1960年代在新泽西开发，作为新进电子元件的品质控制测试。标准硝酸测试是将涂布的试样或部件浸入到浓硝酸(70重量％浓度)中30秒。如果涂层在浸渍过程中变黑或变灰，则未通过测试。

基底可选自非导电或介电基底，例如塑料和陶瓷，以及金属基底，包括钢、铝、黄铜、铜和锌。

准备基底以在其上接受镀镍的步骤通常包括在金属沉积之前清洁或预处理基底的表面，并且清洁或预处理的类型取决于被镀的基底材料。例如，可以用蚀刻清洗方法来处理铜或铜合金表面，该方法通常在氧化性酸性溶液如硫酸和过氧化氢的溶液中进行。可以使用各种锌化处理来处理铝和铝合金表面。

本发明的发明人通过使用硫酸镍作为镍离子源获得了良好的结果。此外，当与其他浴成分组合之前，特别是在添加糖精之前，使硫脲与硫酸镍预混合时，进一步抑制硫的共沉积，产生良好的通过RCA硝酸测试的结果。因此，最好在加入其他镀浴组分之前，特别是在加入糖精(如果使用的话)之前，将镍离子源、硫脲和水混合在一起，并允许它们反应。例如，本发明人已经发现，将约6至约150g/L的硫酸镍与约10至约50mg/L的硫脲混合一段时间，然后将混合物稀释至上述用于各自浓度的硫酸镍和硫脲的量，然后将硫酸镍和硫脲与糖精混合，产生具有低应力和高光泽度的所需性质的，并且通过了RCA硝酸测试的无电镍磷沉积物。

在本文所述的无电镍磷镀浴中使用硫脲和糖精还产生另外的积极效果。

例如，与现有技术的高磷无电镍镀浴相比，使用本文所述的无电镍磷镀浴产生至少0.5密耳/小时，优选至少0.8密耳/小时，最优选至少1密耳/小时的更快速率的沉积。这是重要的，因为镀覆速率是关键的工艺特性，并且在许多情况下决定了特定化学品的商业可行性。

此外，本文所述的新型无电镍磷镀浴还产生较亮的沉积物，其与光亮的中等含量磷无电镍沉积物相当。例如，高磷镍沉积物可具有至少110GU，更优选至少115GU，最优选至少125GU的光泽度读数。

通过统计光泽计(Statistical Glossmeter，可得自Elcometer,Inc.,RochesterHills,Michigan)测量沉积的镍层的光泽单位(GU)值。通过将恒定强度的光束以与测试表面成一定角度引导并且以相同的角度监测反射光来测量光泽度。不同的光泽度水平需要不同的角度。光泽计测量以20度或60度角反射回的光的量。光泽计可以根据(美国)国家和国际标准AS 1580-602.2、ASTM C 584、ASTM D 523、ASTM D 1455和BS DIN EN ISO 2813使用。在这种情况下，我们关注ASTM D 523标准。光泽度数值越高，沉积物越亮。

最后，还发现在高磷无电镍镀浴中引入硫脲可降低沉积物中的应力。本发明的发明人发现，在5次金属更替循环(turnover)(MTO)之后，应力保持压缩。

本文所述的无电镍磷浴能够产生在镀覆沉积物中具有9至13重量％磷的沉积物。

无电镀沉积速率通过选择适当的温度、pH和金属离子/还原剂浓度而得到进一步控制。络合离子也可用作催化抑制剂以降低无电镍镀浴的自发分解的可能性。

本发明的水性无电镍镀浴可在宽的pH范围例如约4至约10下操作。对于酸性浴，pH通常可在约4至约7的范围内。在一个实施方案中，溶液的pH为约4至约6。对于碱性浴，pH可在约7至约10，或约8至约9的范围内。由于镀液在其操作期间由于氢离子的形成而具有变得更酸性的趋势，因此可通过加入浴溶性且与浴兼容的碱性物质如钠、钾或铵的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐来定期或连续地调节pH。本发明的镀液的操作pH的稳定性可通过以至多约30g/L的量，通常为约2至约10g/L的量加入各种缓冲化合物如乙酸、丙酸、硼酸等而得到改善。如上所述，一些缓冲化合物例如乙酸和丙酸也可用作络合剂。

待镀基底在约35℃至溶液的约沸点的温度下与镀液接触。酸性无电镍镀浴通常在约60至约100℃，更优选约70至约90℃的温度下操作，而碱性无电镍镀浴在类似但略低于酸性无电镍镀浴的温度下操作。

水性无电镍镀浴可以与被镀基底接触足够长的时间，以在其上沉积所需厚度的镍-磷合金。例如，接触时间可从少至约1分钟至几小时，或甚至更长。约0.1至约2.0密耳的镀覆沉积物对于许多商业应用是期望的厚度。如果需要耐磨性，可以施加最高达约5密耳或更大的较厚沉积物。

在镍磷合金的沉积期间，可以使用温和的搅拌，这可以通过温和的空气搅拌、机械搅拌、通过泵送的浴循环、用于桶镀的桶的旋转和其他类似的手段来实现。另外，镀液也可经历周期性或连续的过滤处理，以降低其中的各种污染物的水平。也可以周期性或连续地进行浴成分的补充，以保持浴成分(包括镍离子和次磷酸根离子)的浓度以及pH水平在期望的限度内。

还应当理解，所附权利要求旨在覆盖本文所述的本发明的所有上位和下位特征，并且文字形式的本发明范围的所有表述均应落于其间。

Claims

1.一种在基底上提供高磷无电镍镀覆沉积物的方法，该方法包括以下步骤：

a)准备该基底以在其上接受无电镍；

b)将该基底浸入到无电镍镀浴中，该无电镍镀浴包含：

i)镍离子源；

ii)有效量的硫脲；

iii)有效量的糖精；

iv)次磷酸根离子源；

v)一种或多种螯合剂；和

vi)任选的其他添加剂；

2.根据权利要求1所述的方法，其中该镍离子源从由溴化镍、氟硼酸镍、磺酸镍、氨基磺酸镍、烷基磺酸镍、硫酸镍、氯化镍、乙酸镍、次磷酸镍和一种或多种前述物质的组合构成的群组中选出。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该镍离子源是硫酸镍。

4.根据权利要求1所述的方法，其中该次磷酸根离子源从由次磷酸、次磷酸钠、次磷酸钾、次磷酸铵和一种或多种前述物质的组合构成的群组中选出。

5.根据权利要求1所述的方法，其中可溶性的镍离子源以使得该浴中镍金属的浓度在约1至约50g/L的范围内的量存在于该无电镍镀浴中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中可溶性的镍离子源以使得该浴中镍金属的浓度在约5至约10g/L的范围内的量存在于该无电镍镀浴中。

7.根据权利要求1所述的方法，其中该次磷酸根离子源从由次磷酸、次磷酸钠、次磷酸钾、次磷酸铵和一种或多种前述物质的组合构成的群组中选出。

8.根据权利要求7所述的方法，其中该次磷酸根离子源以约0.01至约200g/L的浓度存在于该无电镍镀浴中。

9.根据权利要求1所述的方法，其中该硫脲以约0.5至约3.0mg/L的浓度存在于该无电镍镀浴中。

10.根据权利要求9所述的方法，其中该硫脲以约1.0至约2.0mg/L的浓度存在于该无电镍镀浴中。

11.根据权利要求1所述的方法，其中该糖精以约0.1mg/L至约5.0g/L的浓度存在于该无电镍镀浴中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中该糖精以约100mg/L至约200mg/L的浓度存在于该无电镍镀浴中。

13.根据权利要求1所述的方法，其中该无电镍镀浴包含一种或多种添加剂，其中该一种或多种添加剂从由缓冲剂、润湿剂、加速剂、稳定剂和腐蚀抑制剂构成的群组中选出。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括将该镍离子源与该硫脲混合以产生混合物，然后将该混合物加入到剩余的浴成分中的步骤。

15.根据权利要求1所述的方法，其中该高磷无电镍沉积物在沉积物中含有约9重量％至约13重量％的磷。

16.根据权利要求1所述的方法，其中该无电镍镀浴的pH在约4至约10的范围内。

17.一种通过权利要求1的方法制备的基底，该基底上具有高磷镍沉积物。

18.根据权利要求17所述的基底，其中该高磷镍沉积物能够通过RCA硝酸测试。

19.根据权利要求17所述的基底，其中该高磷镍沉积物在沉积物中含有约9重量％至约13重量％的磷。

20.根据权利要求17所述的基底，其中该高磷无电镍沉积物的光泽度读数为至少110GU。

21.根据权利要求20所述的基底，其中该高磷无电镍沉积物的光泽度读数为至少125GU。