熱處理對高磷化學鍍鎳層內應力和結合力會產生什么樣的影響，今天我給大家整理了一篇關于這方面的研究討論，通過采用X射線衍射測量法對高磷化學鍍鎳層內應力進行了測量，以及采用熱振法研究了鍍層與基體的結合力。我們不妨進來詳細的了解一下。

01前言

化學鍍鎳層相對于電鍍鎳層具有鍍層質量高， 均鍍能力好， 且可以通過改變溫度、槽液組成和pH獲得不同性能的鍍層， 因此化學鍍鎳得到了廣泛的商業應用^［１］。 鍍層內應力不僅存在于電鍍鎳層中， 化學鍍鎳層也存在內應力， 內應力產生有兩方面的原因， 一方面是化學鍍鎳層與基體材料的熱膨脹系數不同。 熱膨脹系數大的一方產生壓應力， 而熱膨脹系數小的一方產生拉應力。 另一方面是在鍍覆過程中產生的。 最初沉積的化學鍍鎳層通常是島狀的分散粒子， 粒子的形成、連接以及后來的擴展使得鍍層增厚。 當這些粒子在新粒子填充前被表面應力拉到一起時就形成了拉應力。 當表面層進行熱處理時， 會發生原子重排而改變原子間距， 從而改變鍍層內應力［２］。 目前研究鍍層內應力的方法主要是薄片彎曲法^{［ ３，４ ］}， 本文采用X射線衍射測量法對高磷化學鍍鎳層內應力進行了測量， 研究了鍍態和熱處理后鍍層的內應力變化規律。 同時采用熱振法研究了鍍層與基體的結合力。

1試驗

1. 1前處理

試驗中的試片為直徑50mm， 厚度0. 03mm的圓片。 對試片的前處理流程如圖1。

1. 2鍍液成分及工藝條件

試驗中所用鍍液為Rohm and Haas的商業高磷化學鍍鎳溶液EN - HP 11。 工藝規范如下表1。

圖1化學鍍鎳前處理流程

1. 3鍍層內應力測定

不僅電鍍鎳層存在內應力， 化學鍍鎳層也存在內應力， 其內應力也是在鍍覆過程中產生的， 表現為拉應力和壓應力兩種形式。 化學鍍結束后， 應力也不會消失， 因此也稱為殘余應力。 X射線衍射測量內應力的基本原理是:當試樣中存在殘余應力時， 晶面間距將發生變化， 發生布拉格衍射時， 產生的衍射峰也將隨之移動， 而且移動距離的大小與應力大小相關。 用波長 λ 的X射線， 先后數次以不同的入射角照射到試樣上， 測出相應的衍射角2θ， 求出2θ 對sin2ψ 的斜率M， 便可算出應力 σ。

衍射儀測量殘余應力的實驗方法:使用衍射儀測量應力時， 試樣與探測器 θ - 2θ 關系聯動， 屬于固定 ψ 法。 通常 ψ = 0°、15°、30°、45°測量數次。 當 ψ = 0時， 與常規使用衍射儀的方法一樣， 將探測器 (記數管) 放在理論算出的衍射角2θ 處， 此時入射線及衍射線相對于樣品表面法線呈對稱放射配置。 然后使試樣與探測器按 θ - 2θ 聯動。 在2θ 處附近掃描得出指定的HKL衍射線的圖譜。 當 ψ≠0時， 將衍射儀測角臺的 θ - 2θ 聯動分開。 使樣品順時針轉過一個規定的 ψ 角后， 而探測器仍處于0。 然后聯上 θ - 2θ 聯動裝置在2θ 處附近進行掃描， 得出同一條HKL衍射線的圖譜。 最后， 作2θ - sin2ψ 的關系曲線， 最后按應力表達 σ = K·Δ2θ/ Δsin2ψ = K·M求出應力值。 其中K是只與材料本質、選定衍射面HKL有關的常數， 當測量的樣品是同一種材料， 而且選定的衍射面指數相同時， K為定值， 稱為應力系數。 M是 (2θ) - sin2ψ 直線的斜率， 對同一衍射面HKL， 選擇一組 ψ 值 (0°、15°、30°、45°) ， 測量相應的 (2θ) ， 以 (2θ) - sin2ψ 作圖， 并以最小二乘法求得斜率M， 就可計算出應力。 由于K<0， 所以， M<0時， 為拉應力， m>0時為壓應力， 而M = 0時無應力存在。

1. 4鍍層結合力測定

按照拉脫法和GB 12305. 5 - 1990規定的熱振法進行結合力測試。

2結果及討論

2. 1熱處理對鍍層內應力的影晌

鍍層收縮產生的內應力稱拉應力;鍍層伸長產生的內應力稱為壓應力。 內應力對鍍層的性質有一定影響。 較大的拉應力有時會使鍍層產生裂紋， 嚴重時會使鍍層脫皮;而沒有應力或稍有壓應力的鍍層， 將不易產生鍍層起皮現象。 但是， 過大的壓應力在鍍層與基體結合力較差時， 可能發生起泡現象。 過大的拉應力或壓應力， 都會使鍍層脆性增加。 圖1為高磷化學鍍鎳層的晶面 (311) 晶面衍射譜， 由圖1可知高磷化學鍍鎳層含晶態和非晶態組織。 圖2為 (2θ) - sin2ψ 的關系曲線， 由曲線計算出鍍層內應力為壓應力。

鍍層內應力的變化與其組織結構的轉變是密切相關的。 當鍍層進行熱處理時， 會發生原子重排和大量Ni３P彌散粒子的析出， 鍍層內應力也會隨之改變。

圖3為鍍層內應力隨熱處理溫度的變化的關系曲線。 化學鎳鍍層經200℃ 熱處理1h后， 鍍層應力明顯減小， 這是因為200℃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， 鍍層應力明顯升高， 這是由于鍍層發生組織轉變， 析出大量Ni３P， 體積發生收縮而形成很高內應力。 隨著熱處理溫度升高， 鍍層產生再結晶、晶粒長大， 塑性、韌性改善， 而且這時鍍層和基體之間發生互擴散， 在界面處形成擴散層， 這些因素有助于鍍層耐腐蝕性的提高。

2. 2熱處理對鍍層結合力的影響

鍍層與基體材料的結合力是衡量鍍件質量的重要指標之一， 它表示的是鍍層與基體金屬之間的結合強度， 是鍍層重要機械性能之一。 理論分析認為， 經過熱處理后， 化學鎳鍍層與基體間的擴散層會使得它們之間的結合力增強。 為此， 對經過不同溫度熱處理1h后的化學鍍高磷鎳試片按照拉脫法和GB 12305. 5 - 1990規定的熱振法進行結合力測試， 結果如表2。

圖1高磷化學鍍鎳 (311) 晶面衍射譜

圖2 (2θ) - sin2ψ 線性曲線

從上表可以看出， 無論是否進行熱處理， 化學鍍鎳層與金屬基體間的結合強度均滿足國標規定的熱振要求。目前我單位的拉脫機[敏感詞]拉力為70MPa， 試驗證明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合力應大于70MPa， 理論上化學鍍鎳層與金屬基體間的結合力應在200-300MPa之間。

3結論(1) 高磷化學鍍鎳層內應力為壓應力。 經過200℃ × 1 h的熱處理， 鍍層發生回復， 內應力減小;隨著熱處理溫度進一步升高， 鍍層晶化導致晶體缺陷增加和Ni３P不斷析出引起的體積收縮， 鍍層的內應力增大。(2) 高磷化學鍍鎳層與銅基體結合力良好， 無論是否進行熱處理， 化學鍍鎳層與銅基體間的結合強度均滿足國標規定的熱振要求。

參考文獻 [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.化學鍍理論及實踐[M].北京:國防工業出版社， 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.化學鍍Ni-P合金鍍層內應力的研究[J].電鍍與環保， 2006， 26 (3) :25~27.

本文轉載自： 唐作琴  胡素榮  中國工程物理研究院機械制造工藝研究所