無電解ニッケルめっき

ニッケルめっきには、めっき液中で通電することによって対象物にめっきを施す電解ニッケルめっきと、通電せずにめっき液中で化学的還元反応を利用してめっきを施す無電解ニッケルめっきの2種類があります。

無電解ニッケルめっきで使われるめっき液には、還元剤として次亜リン酸ナトリウムが使用されることから、析出する皮膜にはリンが含まれます。そのため無電解ニッケルめっきには、一般的なニッケルめっきとは異なる様々な特性があります。
この記事では、無電解ニッケルめっきの原理や特徴などを解説します。

無電解ニッケルめっきとは

まずは、無電解ニッケルめっきの原理について説明します。
無電解ニッケルめっきは、硫酸ニッケルおよび次亜リン酸ナトリウム、pH緩衝材錯化剤安定化剤等で構成されるめっき液に対象物を浸し、液中での還元反応を利用することで対象物表面にリンを含んだ金属皮膜を析出させるめっき手法です。

【無電解ニッケルめっきの原理】

無電解ニッケルめっきの原理

無電解ニッケルめっきの皮膜はリンが含有している皮膜だと述べましたが、その含有率は3〜13%と幅広いです。一般的には「低リンタイプ」「中リンタイプ」「高リンタイプ」に分けられ、それぞれ磁性特性、耐薬品性耐食性硬度などを変化させられます。

また、無電解ニッケルめっき後にべーキング処理(熱処理)を行うことにより、Hv900〜1000程度の高硬度を実現することも可能です。RoHS指令にも抵触しないため、安心して使用することが出来ます。

無電解ニッケルめっきの特徴

無電解ニッケルめっきの特徴は全部で5つありますが、大きな特徴としてはめっき処理したい対象物が複雑な形状をしていても、均一な皮膜が作れることが挙げられます。

他にも、硬度が高く摩耗性も高いという特徴があります。硬度が高く摩耗性が高いと、ネジ締めなどの際に発生する摩擦熱などによってめっきが剥がれてしまうといったことを避けられるメリットがあります。

・皮膜が均一
無電解ニッケルめっきは、電解ニッケルめっきと比べ皮膜を均一にすることができます。電解ニッケルめっきの場合は、対象物に通電させることでめっきを析出させていきますが、電気を使用することで通電しやすい箇所とそうでない箇所が出てきてしまい、皮膜が均一になりにくいという欠点があります。しかし無電解ニッケルめっきの場合は、化学的還元作用の力でめっきを析出させていきますから、比較的皮膜が均一になりやすいのです。
・複雑な形状にもめっきできる
電気を使わずにめっきできる無電解ニッケルめっきは、複雑な形状のものに対しても均一な皮膜をつくることができます。上でも説明したように、電解ニッケルめっきでは電気の通りやすい箇所とそうでない箇所が発生します。複雑な形状になればなるほどその現象が出やすくなるため、うまくめっきできないことがあります。それに対し無電解ニッケルめっきなら、化学的還元反応を利用して行うめっきのため、対象物が複雑な形状をしていても均一に金属が析出します。
・寸法精度を維持できる
対象物に対し均一に皮膜を形成させられる無電解ニッケルめっきであれば、めっき対象の寸法精度も維持できます。めっきを施す対象物の膜厚が均一になるので、高い寸法精度が求められるような電子部品や精密機械部品等で用いられることが多いです。
・硬度が高い
無電解ニッケルめっきは、電解ニッケルめっきに比べ硬度が高いという特徴があります。リンの含有率によって硬度は変わりますが、硬度が高いことで摩擦等に強くなり、耐久性が上がります。また無電解ニッケルめっきは、めっき後に熱処理を加えることで硬度がより高くなるという特徴もあります。

例えば、中リンタイプの無電解ニッケルめっき後に熱処理した場合、400℃で1〜2時間熱処理を加えることで、Hv900〜1000になるというデータもありますが、400℃程度ですと、素材が変形を起こし、内部応力の関係で皮膜が剥離する可能性があるため、熱処理を加える場合は、その温度に注意が必要です。
・プラスチックやセラミックスのような不導体(絶縁体)にもめっき処理できる
無電解ニッケルめっき処理は、通電を必要としないため、電流が流れにくいプラスチックやセラミックスなどの不導体(絶縁体)にもめっきを行うことができます。

無電解ニッケルめっきのメリット

無電解ニッケルめっきは、電解ニッケルめっきと比較すると次のようなメリットがあります。

・還元反応によるめっきのため電気を必要としない
めっきに電気を使用しないことで得られるメリットは2つあります。1つは、先ほど特徴のところでも挙げたように『対象の素材が不導体(絶縁体)でもめっきが可能』であること。
もう1つは、電気を通すための設備がいらないので、対象物の形状や大きさに制限がないことです。
・形状に制限がなく複雑な形状でも均一にめっきできる
形状に制限がないとどんなメリットがあるかというと、例えば対象物が複雑な形状をしていたとしても、均一にめっきができることです。複雑な形状のものに電気を通しめっきを行う場合、その形状のせいで通電にばらつきが出てしまうことも考えられます。すると、表面の析出の仕方も箇所によって変わってしまうので、結果的にめっきにムラができてしまうのです。
・電解ニッケルめっきと比べてピンホールが少ない
無電解ニッケルめっきを行った場合のめっき断面は層状構造です。そのため電解ニッケルめっきに比べピンホールも少なくなります。
・リン含有率やめっき後の熱処理により特殊な物性の皮膜が得られる
無電解ニッケルめっきは、含まれるリンの含有率やめっき後に行う熱処理によって、皮膜の性質が異なります。そのため、様々な用途やニーズに応じた対応が可能です。

ちなみに熱処理後の硬度変化については、上記、無電解ニッケルめっきの特徴のところで触れています。「硬度が高い」のところをご確認ください。
ここでは、リンの含有の違いによって実際にどのような性質の違いがあるのかを、簡単に整理します。無電解ニッケルめっきの場合は、リンの含有率によって「低リンタイプ」「中リンタイプ」「高リンタイプ」と分けられています。

<低リンタイプ>

  • 皮膜が硬く耐アルカリに優れている。
  • 特殊素材への密着性に優れている

<中リンタイプ>

  • 耐食性や防食性がある。
  • 一般素材への密着性が高く、全体的にバランスが取れている

<高リンタイプ>

  • 高温で熱処理しても非磁性を維持できる
  • 耐酸性に優れている
・耐薬品性が高い
無電解ニッケルめっきは、耐薬品性が高いというメリットがあります。ただ、耐薬品性については、リンの含有量によって耐性が変わります。リンの含有量が高い「高リン無電解ニッケルめっき」であれば、「低リン」「中リン」に比べ耐薬品性が向上します。
・アルミニウム、ステンレス、銅材にめっきが可能
無電解ニッケルめっきは、アルミニウム、ステンレス材に対して特殊な前処理を行うことで密着性の高い、めっき皮膜をつくることが可能です。

また、難しい材質に他のめっきをする場合の下地めっきとして大事な役割を担ってます。

無電解ニッケルめっきのデメリット

・電気めっきと比較して浴組成の変動が大きいため管理がやや難しい
無電解ニッケルめっきは、電解ニッケルめっきと比べ浴組成の変動が大きくなります。そのため管理が難しいというデメリットがあります。また、浴温度が高温のため、熱の影響を受けやすい素材では注意が必要です。
・処理温度が高温のため、製品によって注意が必要
無電解ニッケルめっきの場合、めっきの工程における処理温度が高温になります。

ですから耐熱性が低く、加熱により変形するような素材には不向きです。また加熱により物性が変化する恐れのあるものについては、変化が許容できるものなのか、処理前の確認が必要です。
・材料費が高く、めっき析出スピードが遅いのでコストが高くなる
通電ではなく、還元反応を利用するため、めっき析出速度は遅くなります。速度が遅いとめっき液に浸漬する時間が長くなり、加工コストが高くなります。また、電解ニッケルめっきと比べ材料費も高いです。

めっき工程

一般的な無電解ニッケルめっき工程を紹介します。

無電解ニッケルめっきの工程

脱脂
加温した苛性ソーダ水溶液(水酸化ナトリウム水溶液)に漬けて、表面についている油脂類などの汚れを完全に除去します。
電解脱脂
アルカリ脱脂液中の金属素材を陰極または陽極にして通電させることで酸素または水素ガスが発生します。生じたガスの力でさらに細かい汚れを取り除きます。
酸浸せき(酸活性)
表面にある不動態膜(酸化膜)を除去します。
無電解ニッケル
めっき液浸漬・めっき析出
乾燥
60度以下の低温

ちなみに、不導体へ無電解ニッケルめっきを行う場合は、次のような工程となります。

不導体へ無電解ニッケルめっきを行う場合

無電解ニッケルめっきの種類とは

続くこのパートでは、無電解ニッケルめっきの種類について説明します。
既に何度か述べているように、無電解ニッケルめっきには「低リン」「中リン」「高リン」とあります。

無電解ニッケルめっきのリン含有率における違い

【無電解ニッケルめっきの種類におけるリン含有量での特徴について(表1)】

低リン 中リン 高リン
リン含有率(%) 1~4 8~9 11~13
硬度(Hv)熱処理400℃1時間 650~700
900~1000
500±50
900~1000
500程度
900~1000
密度(g/㎤) 8.2 7.85 7.75
溶融点(℃) 1260~1425 890 890
熱膨張係数(μm/m/℃) 13~14 12~13 11~12
電気抵抗率(μΩcm) 20~30 50~60 150~200
抵抗温度係数(ppm/℃) 1000 300 100
熱伝導度(cal/cm/℃) 0.0105~0.0135 0.0105~0.0135 0.02
比重   7.9  
応力 圧縮 圧縮 圧縮
磁性300℃1時間 微磁性磁性 微磁性磁性 非磁性磁性
抗張力(Mpa) 200 800~900 800~900
伸び率(%) <0.5 0.7 1.5
ヤング率 50~52 62~66 50~70
テーパー摩耗(TWI) 11 16~20 21~25
耐食性塩水噴霧試験(時間) 24 200 1000
耐酸性
耐アルカリ性
はんだ付け性
皮膜均一性 ±5%以下 ±10%以下 ±5%以下
結晶構造300℃1時間 結晶結晶 微アモルファス結晶 アモルファス結晶
耐摩耗性
均一析出性 ±5% ±10% ±10%

【無耐薬品性(表2)】

基本的に金属ニッケルは、塩酸硫酸硝酸に溶けます。
下記にて他の試薬に関する耐薬品性を記載します。
試薬 温度(℃) 腐食率(μm/年)
アセトアルデヒド 65.6 0.5
アセトン 室温 0.076
アクリロニトリル 65.6 0.4
硫化アンモニウム 48.9 3.8
酢酸イソペンチル 室温 0.048
塩化イソペンチル 室温 0.33
ビール 7.2 0.2
ベンゼン 室温 0.04
酢酸ベンジル 室温 0
ベンジンアルコール 室温 0.092
48.5%塩化カルシウム 室温 0.5
カプロラクタム 85 0.76
カプリル酸 65.6 1.52
硫化炭素 室温 0
四塩化炭素 室温 0
5%洗剤 室温 0.94
エチルアルコール 室温 0.16
エチルグリコール 室温 0.64
37%ホルムアルデヒド 室温 0.34
ガソリン 室温 0.56
80%乳酸 室温 3.7
メチルアルコール 室温 0
ナフサ 室温 0
ナフタル酸 65.6 0.5
オレイン酸 室温 0.3
オレンジジュース 室温 0.33
テトラクロロエチエン 65.6 3.8
石油 室温 0
ポリ酢酸ビニル 98.9 1.27
ロジン 室温 0
10%炭酸ナトリウム 室温 0
3%塩化ナトリウム 室温 1
50%水酸化ナトリウム 121.1 0
ソルビトール 65.6 2.5
ステアリン酸 70 0.5
砂糖水 室温 0
蒸留水 室温 0.74
25%尿素溶液 室温 0

用途

めっきは使用する用途によって、様々な手法を選択します。
無電解ニッケルめっきが行われる用途は、次の通りです。
産業分類 応用部品 使用目的
自動車工業 ディスクブレーキ、ピストン、シリンダ、ベアリング、精密歯車、回転軸、カム、各種弁、エンジン内部、変速機 耐食性、耐摩耗性、硬さ、焼き付き防止、寸法精度
電気電子工業 接点、シャフト、パッケージ、ボルト、ナット、マグネット、ばね、ステム、コンピューター部品、電子部品、抵抗体 耐食性、硬さ、はんだ付け性
溶接性、寸法精度
精密機器工業 カメラ、時計部品、TV部品、コピー機、プリンター、光学機械部品、電子顕微鏡部品、分析機器部品 耐食性、耐摩耗性、硬さ、電気特性、非磁性、寸法精度
航空、船舶 水圧計機器、電気系統部品、弁配管、エンジン部品、スクリュー部品など 耐食性、耐摩耗性、硬さ、寸法精度
化学工業 反応槽、輸送管、揺動弁、バルブ類、ポンプ、パイプ内部、熱交換器 耐食性、耐摩耗性、酸化防止、汚染防止
その他 ハードディスク、冷凍機、冷暖房器、工作機械部品、真空機器、各種金型、 繊維機械部品、食品機械、半導体産業部品、航空機など 耐食性、耐摩耗性、硬さ、耐熱非磁性、離型性、気密度、寸法精度

無電解ニッケルめっきの事例

  • 事例1 素材、SUS304
    自動車部品の精密歯車に3μm処理し精度と耐食性を付与
  • 事例2 素材、A7075
    一丸レフカメラレンズ部品に5μm処理し精度と耐食性を付与
  • 事例3  素材、S45C
    パイプ内部に10μmを均一に処理し耐食性を付与

無電解ニッケルめっきに関する「JIS(専門用語)」

1002 化学めっき法 1015 還元
2005 還元剤 2006 緩衝剤
3019 脱脂 5002 ベーキング
6001 無電解めっき法 4033 ストライクめっき、ストライク
3020 電解脱脂 2023 酸浸せき

【JIS規格等級】

単位:μm
等級 素地金属 めっきの
最小厚さ
参考用途
1級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
3 はんだ付け
2級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
5 防食、はんだ付け
3級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
10 防食、耐摩耗
4級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
15 防食、耐摩耗
5級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
20 防食、耐摩耗
6級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
30 防食、耐摩耗
7級 鉄及び鉄合金
銅及び銅合金
アルミニウム及びアルミニウム合金
50 防食、耐摩耗

無電解ニッケルめっき関連する英語表記

ニッケル nickel
無電解ニッケルめっき Electroless nickel plating
還元反応 Reduction reaction
脱脂 degreasing
電解脱脂 electrolytic degreasing
酸洗い deoxidizing,pickling
ストライク strike,strike plating
RoHS指令 Restriction of Hazardous Substances

無電解ニッケルめっきまとめ

電気を必要としない無電解ニッケルめっきは、精密部品や複雑な形状あるいは不導体など、電解ニッケルめっきではうまくめっきができない場合は、無電解ニッケルめっきを選択するのがいいでしょう。

また、熱処理を行うことで硬度も高くなりますから、硬質クロムめっきの代替え処理としても使用されることもあります。

無電解ニッケルめっきは、リンの含有率で特性が変化しますので、用途に応じためっきを選択することが大切です。

この記事の執筆者

代表取締役社長 清水栄次

三和メッキ工業株式会社
代表取締役社長 清水栄次

全国鍍金コンクールにおいて厚生労働大臣賞、金賞など数多く受賞。めっき業界において始めてIS09001,14001,2700を独自で構築。その中から、めっき特許、並びに独自の技術を商標化。インターネットにて380001以上の取引実績。
めっきセカンドオピニオンによる他社のめっき不良を年間100件解決。

  • 2014年 神戸大学大学院経営学研究科 非常勤講師
  • 2020年 三重大学 非常勤講師

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