深度解析钕铁硼电镀技术

目录

• 钕铁硼电镀难点

• 钕铁硼电镀技术生产现状

• 镀前处理

• 镀锌

• 镀镍

• 镀铜

自20世纪80年代中期稀土钕铁硼(Nd 2 Fe 14 B)永磁材料问世以来，具备高磁能积、高矫顽力、高剩磁等独特特性，广泛应用于各个行业。钕铁硼材料是一种精细合金体，主要由铁Fe(约65%)、硼B(约1%)和稀土金属Re(含钕Nd、镨Pr、镝Dy、铽Tb等，总含量约33%)组成。材料中的富钕相、富硼相与磁体合金主相间存在电位差，容易形成原电池，导致材料表面发生电化学腐蚀。此外，钕铁硼磁体采用粉末冶金工艺生产，使得材料的实际密度无法达到理论密度，内部存在微小孔隙与空洞，在大气中易受氧化影响，破坏合金组分。这些腐蚀和组分破坏会导致磁性能衰减直至丧失，从而影响整机的使用性能和寿命，所以在使用前必须进行严格的防腐处理。目前，钕铁硼防腐处理通常采用电镀、化学镀、化学转换膜以及电泳、喷涂等方法，其中电镀作为一种成熟的金属表面处理手段应用较为广泛。

钕铁硼电镀难点

钕铁硼磁体通常是小型零件，其质量在0.25g至20g之间。因此，在电镀生产过程中，通常采用滚镀为主要方式，并辅以挂镀。但是，与普通钢件相比，钕铁硼的零件滚镀更加困难。

这是因为钕在化学上非常活跃，钕铁硼零件甚至在接触水时也会产生氢气并腐蚀。因此，需要注意以下几点：

1. 不要使用太强的酸或碱进行镀前处理，否则可能会导致材料基体受腐蚀。另外，由于盐酸中的氯与钕反应较强，因此要避免使用盐酸。

2. 在预镀或直接镀之前，应选择简单的盐镀液（例如瓦特镍、氯化钾镀锌）。这种镀液容易使零件氧化，从而影响镀层与基体之间的结合力，并且零件容易被腐蚀，同时还会污染镀液。

3. 难以选择大尺寸的滚筒会影响产能，并且混合周期也会受到影响，从而导致零件氧化严重。

钕铁硼电镀技术生产现状

目前，钕铁硼磁体电镀生产主要采用三种主要工艺或其组合：镀锌、镀“镍+铜+镍”和镀“镍+铜+化学镍”。其他工艺，如镀金、镀银、镀锡、镀黑镍等，则通常在以上三种基本工艺的基础上进行额外的电镀处理。

镀前处理

鉴于钕铁硼材料的特殊性（如化学活性强、表面存在多孔等问题），因此，镀前处理一直是钕铁硼电镀技术难以克服的瓶颈之一。但是，经过多年的努力，目前已经在很大程度上解决了这个问题。

1. 光饰处理：也称为倒角处理，可以使得零件表面平整、光滑，同时还可以减小微观表面积，有利于镀层的快速、均匀、连续沉积。常用的倒角处理设备包括卧式行星滚光机和振动光饰机，二者分别采用行星式运动和振动原理，可以在不损伤零件质量的情况下达到光整目的。卧式行星滚光机通常用于零件尺寸较小的钕铁硼零件的光整处理，而振动光饰机通常用于较大尺寸的钕铁硼零件的光整处理。

2. 除油、酸洗、活化：除油液和酸洗液的酸碱度不宜过强，避免零件受到腐蚀，并且处理液中还需要加入一些能够与钕发生络合作用的物质，以防止钕氧化。在酸洗和活化过程中，需要避免使用盐酸。

3. 超声波处理：超声波的空化作用可以彻底清除钕铁硼材料中的油污、酸碱等物质，因此，钕铁硼镀前处理经常采用少量或大量超声波处理技术。实际操作时，通常会将少量零件放置在塑料网中，手动晃动清洗，完成超声去油、酸洗、水洗等步骤后再装入滚筒进行电镀。虽然这种操作方式对工人的劳动强度要求较高，但是能够确保零件清洁彻底、处理效果优良。

镀锌

因为钕铁硼材料中的钕电位极负，因此镀上锌后不能像对于普通钢件一样对基体起到强烈的阳极保护作用。这意味着钕铁硼镀锌的耐蚀性非常依赖于镀层的致密度。尽管碱性镀锌层致密度高，但是碱性镀锌液并不适合直接施加在多孔的钕铁硼表面上，因为其电流效率低。目前，常用的技术是氯化钾镀锌工艺，但该工艺经常会出现结合力不足，零件发生腐蚀和镀液受到污染等问题。为了解决这些问题，人们采取多种措施，如使用电流密度上限高的镀液、使用小尺寸细长型滚筒、带电入槽、大电流冲击和工序间不间断操作等，以尽快使零件表面上镀。

在2007年之后，欧盟RoHS指令要求淘汰了传统的重污染六价铬钝化工艺，转而采用新型的轻污染三价铬钝化工艺。随着三价铬钝化商品溶液的发展，已形成了以蓝白和彩色为主的三价铬钝化膜体系。然而，使用“氯化钾镀锌+三价铬钝化”工艺后，钕铁硼镀锌的三价铬钝化膜耐蚀能力下降明显。这是因为六价铬钝化膜厚且具有自我修复能力，而三价铬钝化膜薄且对镀层中杂质反应明显，需要在纯锌表面才能生成连续覆盖的膜层。而在氯化钾镀锌层中含有大量有机杂质，则不利于生成合格的三价铬钝化膜，因此三价铬钝化膜的耐蚀能力下降是无法避免的。

镀镍

现在钕铁硼镀镍的流程一般采用“镍+铜+镍”（即“预镀镍+中间铜+面层亮镍”）来完成。这种组合体系中，预镀镍的作用是提供一个电位较正、结构致密的底镀层，以确保后续铜的正常施镀并防止基体被腐蚀。然而，目前的预镀铜工艺难以用于钕铁硼基体的底镀，因为它属于络合物镀液类型，电流效率低，无法在疏松多孔的钕铁硼基体上获得连续的、合格的铜镀层。相比之下，预镀镍则多采用瓦特镀镍工艺，适量使用半亮镍添加剂。使用添加剂的目的不是为了追求亮度，而是可使用大的电流密度，利于镀层的快速沉积。瓦特镍是一种简单盐镀液类型，因此可以直接在钕铁硼基体上施镀。与钕铁硼镀锌相似，对于钕铁硼预镀镍，多项要求（如镀液、滚筒及操作等）和钕铁硼镀锌相似。

面层亮镍多采用标准的光亮镀镍工艺。现在，亮镍工艺已足够成熟，不再有必要赘述。极少数厂家使用氨基磺酸盐镀镍工艺。

一般来说，钕铁硼预镀镍层的平均厚度要求不低于4-5微米，以保证零件低区镀层完全覆盖并防止后续镀铜液的腐蚀。面镍层厚度为8-10微米，以确保镀层的抗腐蚀能力。这样，总的镍层厚度达到12-15微米。镍是一种铁磁性金属，其镀层不仅不会产生磁性输出，还会屏蔽钕铁硼磁体的磁性输出。镀层越厚，屏蔽作用就越大。通过目前的钕铁硼“镍+铜+镍”镀层组合体系，对于0.5g以下的小尺寸磁体，可使其磁性能衰减10-15%。如何减少电镀镍层的使用量但又不影响后续镀铜和镀层防腐，是钕铁硼镀镍面临的一大难点。

镀铜

对于钕铁硼镀铜而言，其指的是通过预镀镍和面镍之间的中间层，来增加整个镀层的总厚度。这样做的好处有：首先，铜与镍相比为非导磁性金属，对于磁体磁屏蔽的影响较小，将部分镍替换为铜可降低因镍层磁屏蔽造成的磁性能损失；其次，相比镍，铜的孔隙率更低，这可以提高镀层的耐蚀性；第三，钕铁硼镀铜后的成本也会降低；最后，在面积体积比值较大的小产品，特别是超小尺寸产品中，镍层对于磁体磁性能的影响更大，因此减薄镍层厚度的意义更为重要。

但是，采用钕铁硼“镍+铜+镍”组合工艺进行镀铜却存在不稳定的问题。广泛使用的氰化镀铜工艺虽然稳定、抗污染能力强、深镀能力好并且其镀层均匀、柔软、应力低等性能也较为平衡稳定，但氰化物为剧毒物质，国家对其有严格的管理和使用限制，因此只有少数厂家使用该工艺。另一方面，酸铜工艺对预镀层要求极高，稍微控制不好即可能造成钕铁硼基体腐蚀，而且酸铜镀半亮镍打底结合力很差，而目前钕铁硼普遍采用半亮镍打底，因此在目前的钕铁硼电镀“镍+铜+镍”体系中，滚镀铜不建议采用该工艺（挂镀铜另议）。

目前，钕铁硼镀铜的常用工艺包括焦磷酸盐镀铜和柠檬酸盐镀铜。其中，约85%以上的钕铁硼镀铜采用焦磷酸盐镀铜工艺，其次是近年发展起来的柠檬酸盐镀铜工艺。通过多年的生产实践，可以发现，在精细控制的情况下，这两种工艺生产基本能够满足钕铁硼镀铜的要求。但是，这两种工艺仍存在不尽人意之处。

焦磷酸盐镀铜存在以下问题：首先，其溶液浓度高，铜离子含量18g/l以上，溶液波美度35左右，溶液黏度大，则在生产过程中带出量大，流程清洗复杂，适合手动线生产，不易用于自动线生产。其次，其溶液参数变化快，而工艺要求的参数范围较窄，难以进行准确控制。另外，焦磷酸根分析难度大、准确度低，往往无法准确判断焦磷酸根与铜离子的比例关系是否在正常范围内。此外，其应用面窄，光亮剂生产厂家少，光亮剂技术不成熟，使得光亮剂的添加控制难度远高于镀镍。总之，焦磷酸盐镀铜工艺往往难以实现超前控制，总是在出现镀层质量问题后，依靠经验调整恢复，而难以通过分析溶液参数及时补加调整，恢复溶液的工作稳定，因此易造成生产质量事故现象多发。

钕铁硼柠檬酸盐镀铜是2003年后开发应用的新工艺，在其他行业使用很少，几乎属于磁铁行业专用镀铜工艺。该工艺也存在分析困难、控制手段欠缺等难题，但更主要的是溶液生菌问题，处理不当会使工件表面光亮度产生局部发蒙，从而影响产品质量。

以上两种工艺存在的共同问题是，焦磷酸根和柠檬酸根都是铜离子的弱络合剂，因此两种工艺都对底镍层质量（厚度、覆盖性、漏镀等）要求较高，否则会产生置换铜现象而影响镀层结合力，并将镀铜液污染。目前生产中发现，钕铁硼滚镀焦铜溶液稳定性相对（钢件滚镀焦铜）稍差，说明钕铁硼基体逐渐受到焦铜溶液腐蚀，产物将溶液污染。一般而言，钕铁硼镀铜采用以上两种工艺生产，均要求底镍层平均厚度不低于4～5μm，以保证底镀层覆盖完全，避免产生置换铜现象。但底镍层过厚增加了总镍层厚度，特别是对小尺寸产品的磁屏蔽作用较明显，会导致磁体磁性能大幅降低。