熱處理對(duì)高磷化學(xué)鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合力會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響，今天我給大家整理了一篇關(guān)于這方面的研究討論，通過(guò)采用X射線衍射測(cè)量法對(duì)高磷化學(xué)鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，以及采用熱振法研究了鍍層與基體的結(jié)合力。我們不妨進(jìn)來(lái)詳細(xì)的了解一下。

01前言

化學(xué)鍍鎳層相對(duì)于電鍍鎳層具有鍍層質(zhì)量高， 均鍍能力好， 且可以通過(guò)改變溫度、槽液組成和pH獲得不同性能的鍍層， 因此化學(xué)鍍鎳得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用^［１］。 鍍層內(nèi)應(yīng)力不僅存在于電鍍鎳層中， 化學(xué)鍍鎳層也存在內(nèi)應(yīng)力， 內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生有兩方面的原因， 一方面是化學(xué)鍍鎳層與基體材料的熱膨脹系數(shù)不同。 熱膨脹系數(shù)大的一方產(chǎn)生壓應(yīng)力， 而熱膨脹系數(shù)小的一方產(chǎn)生拉應(yīng)力。 另一方面是在鍍覆過(guò)程中產(chǎn)生的。 最初沉積的化學(xué)鍍鎳層通常是島狀的分散粒子， 粒子的形成、連接以及后來(lái)的擴(kuò)展使得鍍層增厚。 當(dāng)這些粒子在新粒子填充前被表面應(yīng)力拉到一起時(shí)就形成了拉應(yīng)力。 當(dāng)表面層進(jìn)行熱處理時(shí)， 會(huì)發(fā)生原子重排而改變?cè)娱g距， 從而改變鍍層內(nèi)應(yīng)力［２］。 目前研究鍍層內(nèi)應(yīng)力的方法主要是薄片彎曲法^{［ ３，４ ］}， 本文采用X射線衍射測(cè)量法對(duì)高磷化學(xué)鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量， 研究了鍍態(tài)和熱處理后鍍層的內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律。 同時(shí)采用熱振法研究了鍍層與基體的結(jié)合力。

1試驗(yàn)

1. 1前處理

試驗(yàn)中的試片為直徑50mm， 厚度0. 03mm的圓片。 對(duì)試片的前處理流程如圖1。

1. 2鍍液成分及工藝條件

試驗(yàn)中所用鍍液為Rohm and Haas的商業(yè)高磷化學(xué)鍍鎳溶液EN - HP 11。 工藝規(guī)范如下表1。

圖1化學(xué)鍍鎳前處理流程

1. 3鍍層內(nèi)應(yīng)力測(cè)定

不僅電鍍鎳層存在內(nèi)應(yīng)力， 化學(xué)鍍鎳層也存在內(nèi)應(yīng)力， 其內(nèi)應(yīng)力也是在鍍覆過(guò)程中產(chǎn)生的， 表現(xiàn)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力兩種形式。 化學(xué)鍍結(jié)束后， 應(yīng)力也不會(huì)消失， 因此也稱為殘余應(yīng)力。 X射線衍射測(cè)量?jī)?nèi)應(yīng)力的基本原理是:當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí)， 晶面間距將發(fā)生變化， 發(fā)生布拉格衍射時(shí)， 產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng)， 而且移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。 用波長(zhǎng) λ 的X射線， 先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上， 測(cè)出相應(yīng)的衍射角2θ， 求出2θ 對(duì)sin2ψ 的斜率M， 便可算出應(yīng)力 σ。

衍射儀測(cè)量殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)方法:使用衍射儀測(cè)量應(yīng)力時(shí)， 試樣與探測(cè)器 θ - 2θ 關(guān)系聯(lián)動(dòng)， 屬于固定 ψ 法。 通常 ψ = 0°、15°、30°、45°測(cè)量數(shù)次。 當(dāng) ψ = 0時(shí)， 與常規(guī)使用衍射儀的方法一樣， 將探測(cè)器 (記數(shù)管) 放在理論算出的衍射角2θ 處， 此時(shí)入射線及衍射線相對(duì)于樣品表面法線呈對(duì)稱放射配置。 然后使試樣與探測(cè)器按 θ - 2θ 聯(lián)動(dòng)。 在2θ 處附近掃描得出指定的HKL衍射線的圖譜。 當(dāng) ψ≠0時(shí)， 將衍射儀測(cè)角臺(tái)的 θ - 2θ 聯(lián)動(dòng)分開。 使樣品順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)規(guī)定的 ψ 角后， 而探測(cè)器仍處于0。 然后聯(lián)上 θ - 2θ 聯(lián)動(dòng)裝置在2θ 處附近進(jìn)行掃描， 得出同一條HKL衍射線的圖譜。 最后， 作2θ - sin2ψ 的關(guān)系曲線， 最后按應(yīng)力表達(dá) σ = K·Δ2θ/ Δsin2ψ = K·M求出應(yīng)力值。 其中K是只與材料本質(zhì)、選定衍射面HKL有關(guān)的常數(shù)， 當(dāng)測(cè)量的樣品是同一種材料， 而且選定的衍射面指數(shù)相同時(shí)， K為定值， 稱為應(yīng)力系數(shù)。 M是 (2θ) - sin2ψ 直線的斜率， 對(duì)同一衍射面HKL， 選擇一組 ψ 值 (0°、15°、30°、45°) ， 測(cè)量相應(yīng)的 (2θ) ， 以 (2θ) - sin2ψ 作圖， 并以最小二乘法求得斜率M， 就可計(jì)算出應(yīng)力。 由于K<0， 所以， M<0時(shí)， 為拉應(yīng)力， m>0時(shí)為壓應(yīng)力， 而M = 0時(shí)無(wú)應(yīng)力存在。

1. 4鍍層結(jié)合力測(cè)定

按照拉脫法和GB 12305. 5 - 1990規(guī)定的熱振法進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試。

2結(jié)果及討論

2. 1熱處理對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影晌

鍍層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱拉應(yīng)力;鍍層伸長(zhǎng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為壓應(yīng)力。 內(nèi)應(yīng)力對(duì)鍍層的性質(zhì)有一定影響。 較大的拉應(yīng)力有時(shí)會(huì)使鍍層產(chǎn)生裂紋， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鍍層脫皮;而沒(méi)有應(yīng)力或稍有壓應(yīng)力的鍍層， 將不易產(chǎn)生鍍層起皮現(xiàn)象。 但是， 過(guò)大的壓應(yīng)力在鍍層與基體結(jié)合力較差時(shí)， 可能發(fā)生起泡現(xiàn)象。 過(guò)大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力， 都會(huì)使鍍層脆性增加。 圖1為高磷化學(xué)鍍鎳層的晶面 (311) 晶面衍射譜， 由圖1可知高磷化學(xué)鍍鎳層含晶態(tài)和非晶態(tài)組織。 圖2為 (2θ) - sin2ψ 的關(guān)系曲線， 由曲線計(jì)算出鍍層內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力。

鍍層內(nèi)應(yīng)力的變化與其組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是密切相關(guān)的。 當(dāng)鍍層進(jìn)行熱處理時(shí)， 會(huì)發(fā)生原子重排和大量Ni３P彌散粒子的析出， 鍍層內(nèi)應(yīng)力也會(huì)隨之改變。

圖3為鍍層內(nèi)應(yīng)力隨熱處理溫度的變化的關(guān)系曲線。 化學(xué)鎳鍍層經(jīng)200℃ 熱處理1h后， 鍍層應(yīng)力明顯減小， 這是因?yàn)?00℃熱處理有利于鍍層中氫的去除， 因此200℃ 可明顯改善鍍層的性能 (脆性及耐蝕性) 。 300℃ ~ 400℃ 熱處理后， 鍍層應(yīng)力明顯升高， 這是由于鍍層發(fā)生組織轉(zhuǎn)變， 析出大量Ni３P， 體積發(fā)生收縮而形成很高內(nèi)應(yīng)力。 隨著熱處理溫度升高， 鍍層產(chǎn)生再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大， 塑性、韌性改善， 而且這時(shí)鍍層和基體之間發(fā)生互擴(kuò)散， 在界面處形成擴(kuò)散層， 這些因素有助于鍍層耐腐蝕性的提高。

2. 2熱處理對(duì)鍍層結(jié)合力的影響

鍍層與基體材料的結(jié)合力是衡量鍍件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一， 它表示的是鍍層與基體金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度， 是鍍層重要機(jī)械性能之一。 理論分析認(rèn)為， 經(jīng)過(guò)熱處理后， 化學(xué)鎳鍍層與基體間的擴(kuò)散層會(huì)使得它們之間的結(jié)合力增強(qiáng)。 為此， 對(duì)經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理1h后的化學(xué)鍍高磷鎳試片按照拉脫法和GB 12305. 5 - 1990規(guī)定的熱振法進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試， 結(jié)果如表2。

圖1高磷化學(xué)鍍鎳 (311) 晶面衍射譜

圖2 (2θ) - sin2ψ 線性曲線

從上表可以看出， 無(wú)論是否進(jìn)行熱處理， 化學(xué)鍍鎳層與金屬基體間的結(jié)合強(qiáng)度均滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的熱振要求。目前我單位的拉脫機(jī)[敏感詞]拉力為70MPa， 試驗(yàn)證明70MPa的拉力不能使鍍層與基體分離， 因此鍍層與基體之間的結(jié)合力應(yīng)大于70MPa， 理論上化學(xué)鍍鎳層與金屬基體間的結(jié)合力應(yīng)在200-300MPa之間。

3結(jié)論(1) 高磷化學(xué)鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力。 經(jīng)過(guò)200℃ × 1 h的熱處理， 鍍層發(fā)生回復(fù)， 內(nèi)應(yīng)力減小;隨著熱處理溫度進(jìn)一步升高， 鍍層晶化導(dǎo)致晶體缺陷增加和Ni３P不斷析出引起的體積收縮， 鍍層的內(nèi)應(yīng)力增大。(2) 高磷化學(xué)鍍鎳層與銅基體結(jié)合力良好， 無(wú)論是否進(jìn)行熱處理， 化學(xué)鍍鎳層與銅基體間的結(jié)合強(qiáng)度均滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的熱振要求。

參考文獻(xiàn) [1] Jothi Sudagar， Jianshe Lian， Wei Sha.Electroless nickel， alloy， composite and nano coatings–A critical review[J].Journal of Alloys and Compounds， 2013， 571:183~204.

姜曉霞， 沈偉.化學(xué)鍍理論及實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社， 2000.

[3]Zhong Chen， Xiaoda Xu， Chee C.Wong， Subodh Mhaisalkar.Effect of plating parameters on the intrinsic stress in electroless nickelPlating[J].Surface and Coatings Technology， 2003， 167:170~176.

[4]王顯彬， 謝華.化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層內(nèi)應(yīng)力的研究[J].電鍍與環(huán)保， 2006， 26 (3) :25~27.

本文轉(zhuǎn)載自： 唐作琴  胡素榮  中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所