鋼と銅への無電解ニッケルめっき：初心者ガイド

I.理論的概要

化学メッキは「自己触媒メッキ」とも呼ばれ、外部電流に依存しないプロセスである。

その代わりに、めっき液中の還元剤を使って酸化還元反応を行う。

このプロセスは、金属表面の触媒効果によって促進され、金属イオンの金属表面への連続的な析出をもたらす。

化学メッキは、自己触媒特性を持つ材料にのみ発生するため、自己触媒還元反応ではなく、置換反応やその他の化学反応から金属皮膜を生成する方法は、化学メッキとは定義されない。

化学めっきは、酸化還元反応の原理に基づいて、金属イオンを含む溶液中で強力な還元剤を利用し、イオンを金属に還元して様々な材料表面に析出させ、緻密なめっき層を形成する技術である。

化学めっきに使用される一般的な溶液には、銀、ニッケル、銅、コバルト、ニッケルリン、ニッケルボロンリンなどがある。

化学ニッケルめっきでは、還元剤を使用して溶液中のニッケルイオンを還元し、触媒活性表面に析出させます。

化学ニッケルめっきでは、さまざまな還元剤を使用することができるが、最も一般的に使用されている工業プロセスでは、次亜リン酸ナトリウムを還元剤として使用している。

広く受け入れられている反応機構は、"原子状水素説 "と "水素化物説 "である。

化学めっきは新しい金属 表面処理 技術である。その簡便さ、エネルギー効率、環境への優しさは、ますます注目を集めている。化学メッキの応用範囲は広く、装飾性に優れた均一な金層を提供する。

保護性能の面で製品の耐食性と耐用年数を向上させ、耐摩耗性を高める、 電気伝導度潤滑など、加工部品の特殊な機能性を高めるため、世界的な表面処理技術のトレンドとなっている。

化学めっき技術は、金属の触媒効果のもと、制御可能な酸化還元反応によって金属析出を促進する。

電気めっきに比べ、化学めっきは均一な皮膜、ピンホールの少なさ、直流電源の不要、非導電体への析出能力、ある種の特殊特性などの利点がある。

さらに、廃棄物排出量の削減、環境汚染の低減、費用対効果の高さから、化学めっきは徐々に多くの分野で電気めっきに取って代わりつつあり、環境に優しいめっきとなっている。 表面処理技術.

現在、エレクトロニクス、バルブ製造、機械、石油化学、自動車、航空宇宙など、さまざまな産業で広く採用されている。

マイクロエレクトロニクス製造業界における化学ニッケルめっき技術の応用は急速に拡大している。

ゼロックス・コーポレーションは、超大規模集積回路多層チップの配線やビアホールを充填する平坦化プロセスに、選択的ニッケル-リン合金化学めっき技術を採用したとの報道がある。同社の製品は、せん断強度、引張強度、高温および低温サイクル、各種電気的性能のテストに合格している。

これらの実践は、化学ニッケルめっき技術の適用がマイクロエレクトロニクス製造の技術的・経済的側面を改善し、製品の信頼性を高めることを示している。

II.プロジェクト実施計画

 (1) めっき液の調製

(2) めっき液の安定性試験

化学ニッケルめっき液の安定性は、沸騰法で測定される。200ミリリットルの溶液を電気コンロで沸騰させる。一定時間沸騰させた後、溶液が分解するかどうかを評価する。

30分間煮沸しても分解しない場合は、溶液の安定性が良好であることを示す。

さもないと溶液の安定性が悪くなる。溶液の初期めっき温度は60℃である。めっき表面はレベル3の輝度（半光沢）である。めっきの密着性は良好で、耐食性は30～180s、気孔率は16cm²である。

化学沈殿法で処理した後、ろ過した水は無色になる。メッキ液の温度を低いところから徐々に上げていく。

ある温度に加熱した鉄試料をめっき液に浸す。反応が起これば（気泡が溢れ出せば）、その温度（初期めっき温度）で化学めっき反応が始まったことを示す。

このプロジェクトでは、加熱温度を50℃、60℃、70℃、80℃、90℃の5段階に分けている。

(3) 試料表面の前処理

鋼鉄と銅は 洗練された サンドペーパーで表面の酸化物やその他の不純物を取り除く。

(4) 化学ニッケルめっき

サンプルの準備 機械研磨 - 有機溶剤脱脂-化学脱脂-温水洗浄-冷水洗浄-活性化-冷水洗浄-脱イオン水洗浄-化学ニッケルめっき-水洗浄-空気乾燥

(5) めっき性能試験

メッキの性能：

金属部品の電気めっき層の目視検査は、最も基本的で一般的に使用される方法である。目視検査で不合格となっためっき部品は、それ以上の検査を受ける必要はない。検査は目視で行われ、外観からめっき部品を合格品、不良品、廃棄品に分類することができる。

表面欠陥には、ピンホール、斑点、吹き出物、水疱、剥離、脱落、影、斑点、焼け、暗い部分、樹枝状やスポンジ状の堆積物、コーティングされているはずなのにコーティングされていない部分などがある。

めっきの表面欠陥試験

欠陥の種類と特徴めっき表面には、ピンホール、斑点、剥離、バリ、膨れ、斑点、ニキビ、影、曇り、焼け、樹枝状、スポンジ状などの欠陥があってはならない。テストの際には、これらを厳密に区別する必要がある。以下に、目視評価のための特徴を簡単に紹介する。

めっきの気孔率試験

めっきの耐食性試験

(6) 廃液処理（化学析出法）

廃液を回収→加熱→廃液のpHが10～12になるまで15%水酸化ナトリウムを添加→攪拌しながら1時間保温→沈殿剤を添加→濾過→50℃まで冷却後、希硫酸で溶液のpHを8.0に調整→Ca(ClO)2粉末を添加（Ca(ClO)2と全Pの比は3.5：1.0）→2時間攪拌→適量の沈殿剤を添加→沈殿させ、濾過。

化学沈殿法は、重金属廃水を処理するための一般的な方法である。苛性ソーダ、石灰、ソーダ灰を用いて熟成液のpHを8以上に調整すると、Ni(OH)₂ を形成することができる。沈殿後、残渣を分離し、熟成液からニッケルを除去するという目的を達成することができる。

さらに、硫化鉄、不溶性黄色澱粉キサンテート（ISX）などもニッケル廃水処理の沈殿剤として使用できる。上記の研究は、通常、ニッケル濃度が500/mg L以下のニッケル廃水を処理するためのものである。^-1.

すなわち、過マンガン酸カリウムや過酸化水素などの酸化剤を用いて、めっき液中のクロム錯体を破壊し、次亜リン酸塩などをリン酸塩に酸化する。

その後、沈殿剤でリン酸塩を沈殿させ、廃水中の全リン排出量を減らす。化学沈殿によるニッケル・リン廃水の処理では、大量の残渣が発生する。

適切に処理しなければ、二次公害の原因となる。現在のところ、残渣を埋める以外に良い処理方法はない。

III. 無電解ニッケルめっきの利点：

1.コーティングの輝度

薄黄色の電気ニッケルメッキに比べ、ほとんどの無電解ニッケルメッキは銀白色で、耐変色性に優れ、輝度を長く維持できる。

ニッケル-リン無電解めっきでは、リン含有量の増加とともに皮膜の輝度が増加する。

無電解めっき液に一定量の光沢剤を添加すると、めっき皮膜の反射率は80%以上に達する。最近の研究によると、無電解ニッケル-銅-リン合金の輝度は良好で、耐変色性も強い。

2.コーティングの硬度

電着硬質クロムの硬度は960HV。加熱すると硬度は急激に低下する。化学めっきされたニッケル層の硬度は、400℃で1時間熱処理された後、1100HVに達することができる。

さらに、コーティングの硬度は室温から400℃までほとんど変化しない。

したがって、化学めっきニッケルは耐熱性皮膜であり、摩擦によって熱が発生する環境での使用に適しているが、電気めっき硬質クロムは常温でしか使用できない。

3.耐摩耗性

中高リンコーティングの場合、適切な処理を施した後 熱処理ニッケル-リン合金コーティングは、良好な自己潤滑特性を持つ。低リンコーティングは硬度が高い。

しかし、耐摩耗性試験によると、高リン皮膜の耐摩耗性は低リン合金皮膜よりも高い。

ニッケル-リン皮膜の耐摩耗性を向上させるために、高硬度の ウォルフラム (W）をニッケル-リン皮膜に添加して三元合金皮膜を形成し、耐摩耗性を大幅に向上させた。

4.耐食性

化学めっきされたニッケルは、均一なアモルファス構造である。粒界、転位、積層欠陥などの欠陥はありません。各基材は高密度に接合されているため、腐食媒体が接合界面を通過して基材金属を腐食させることが難しく、クロムめっきよりも優れた耐食性を示します。

また、化学めっきを施したニッケルは、海水、塩水、淡水による腐食の影響をほとんど受けません。塩酸や硫酸に対する耐食性はステンレス鋼よりも優れており、高濃度の苛性ソーダ、硫化水素、乳酸など様々な媒体からの腐食に耐えることができます。

5. 溶接性

電子産業における化学めっきニッケルの主な用途は、 ディスクリートデバイスです。この用途では、耐摩耗性、耐食性、電気接点性能だけでなく、溶接性も要求されます。

例えば アルミニウムの溶接性 発電機のヒートシンクは貧弱である。しかし、アルミニウム基板の表面に7～8μmの化学めっきニッケル層をめっきすることで、溶接性を向上させ、アルミニウムヒートシンクとトランジスタの接続問題を解決することができる。

さらに、化学めっきニッケルは、高エネル ギーのマイクロ波装置、コネクター、海底通 信部品にも使用できます。一般に、化学めっきニッケルのはんだ付け性は、拡 大面積法によって測定されます。φ1.5mmのはんだ線を皮膜の表面に置きます。

水素と窒素の混合ガス中で400℃、30分間加熱した後、拡散面積を測定し、はんだ付け性と皮膜中のリン含有量の関係を調べます。拡散面積が大きいほど、コーティングのはんだ付け性は良好です。

IV. 設備と材料

2穴恒温水槽1個、100mLビーカー4個、200mLビーカー3個、500mLビーカー1個、10mLおよび50mLメスシリンダー各1個、0.001g（または0.0001g）電子天秤1個、0.2グラム天秤、マイクロメーター、pHメーター、1000ワット電気炉、温度計2個、洗浄ボトル1個、ピンセット1セット、ろ紙、スタンド用鉄輪およびレトルトスタンド、ガラス漏斗、ガラス棒、薬さじ、半自動ビュレット、ピペット、耳球、試験管ブラシ、耐酸手袋、1個。 鋸刃サンドペーパー（100～800番）各半枚、1号乾電池4本。

化学薬品パープリン酸アンモニウム、塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム、EDTA、炭酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、OP-10、塩酸、硫酸、硝酸、硫酸ニッケル、リン酸一ナトリウム、プロピオン酸、酢酸ナトリウム、乳酸、ドジルベンゼンスルホン酸ナトリウム、チオ尿素、フェリシアン化カリウム、水酸化カルシウム、過酸化水素、タングステン酸ナトリウム乳酸、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、チオ尿素、フェリシアン化カリウム、水酸化カルシウム、過酸化水素、タングステン酸ナトリウム、ポリ塩化アルミニウムのような凝固剤、鋼と銅のいくつかのサンプル。

V.結論

無電解ニッケルめっきの基本原理とプロセスをまとめた。無電解ニッケルめっき液の安定性とめっき初期温度を試験した。

無電解ニッケルめっき試験は、鋼と銅のサンプルの表面に対して行われ、無電解ニッケルめっき層の外観、気孔率、耐食性、厚さ、密着性、脆性、硬度などが試験された。

無電解ニッケルめっき廃液を化学析出法により処理した。実験工程と結果から、本実験で使用した無電解ニッケルめっき廃液は安定性に優れ、30分間沸騰状態でも分解しないことがわかった。