熱處理對高磷化學鍍鎳層內(nèi)應力和結合力會產(chǎn)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(nèi)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(yè)應用^［１］。 鍍層內(nèi)應力不僅存在于電鍍鎳層中， 化學鍍鎳層也存在內(nèi)應力， 內(nèi)應力產(chǎn)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(shù)不同。 熱膨脹系數(shù)大的一方產(chǎn)生壓應力， 而熱膨脹系數(shù)小的一方產(chǎn)生拉應力。 另一方面是在鍍覆過程中產(chǎn)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(fā)生原子重排而改變原子間距， 從而改變鍍層內(nèi)應力［２］。 目前研究鍍層內(nèi)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(nèi)應力進行了測量， 研究了鍍態(tài)和熱處理后鍍層的內(nèi)應力變化規(guī)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(yè)高磷化學鍍鎳溶液EN - HP 11。 工藝規(guī)范如下表1。

圖1化學鍍鎳前處理流程

1. 3鍍層內(nèi)應力測定

不僅電鍍鎳層存在內(nèi)應力， 化學鍍鎳層也存在內(nèi)應力， 其內(nèi)應力也是在鍍覆過程中產(chǎn)生的， 表現(xiàn)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(nèi)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(fā)生變化， 發(fā)生布拉格衍射時， 產(chǎn)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(shù)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(lián)動， 屬于固定 ψ 法。 通常 ψ = 0°、15°、30°、45°測量數(shù)次。 當 ψ = 0時， 與常規(guī)使用衍射儀的方法一樣， 將探測器 (記數(shù)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(lián)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(lián)動分開。 使樣品順時針轉過一個規(guī)定的 ψ 角后， 而探測器仍處于0。 然后聯(lián)上 θ - 2θ 聯(lián)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(shù)， 當測量的樣品是同一種材料， 而且選定的衍射面指數(shù)相同時， K為定值， 稱為應力系數(shù)。 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(guī)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(nèi)應力的影晌

鍍層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應力稱拉應力;鍍層伸長產(chǎn)生的內(nèi)應力稱為壓應力。 內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生鍍層起皮現(xiàn)象。 但是， 過大的壓應力在鍍層與基體結合力較差時， 可能發(fā)生起泡現(xiàn)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(tài)和非晶態(tài)組織。 圖2為 (2θ) - sin2ψ 的關系曲線， 由曲線計算出鍍層內(nèi)應力為壓應力。

鍍層內(nèi)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(fā)生原子重排和大量Ni３P彌散粒子的析出， 鍍層內(nèi)應力也會隨之改變。

圖3為鍍層內(nèi)應力隨熱處理溫度的變化的關系曲線。 化學鎳鍍層經(jīng)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(fā)生組織轉變， 析出大量Ni３P， 體積發(fā)生收縮而形成很高內(nèi)應力。 隨著熱處理溫度升高， 鍍層產(chǎn)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(fā)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(jīng)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(jīng)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(guī)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(guī)定的熱振要求。目前我單位的拉脫機最大拉力為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(nèi)應力為壓應力。 經(jīng)過200℃ × 1 h的熱處理， 鍍層發(fā)生回復， 內(nèi)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(nèi)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(guī)定的熱振要求。

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[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.

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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