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热处理对镍·磷合金镀层结合强度和硬度的影响

放大字体  缩小字体发布日期:2013-02-20  浏览次数:1178
核心提示:以铝合金为基体材料,采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍一磷合金,研究了热处理对镍一磷合金镀层结合强度和显微硬度的影响。

1.王丽丽 1.管从胜 2.孙从征

(1.山东大学,化学与化工学院,山东济南250061; 2.山东潍坊东方钢管有限公司,山东潍坊261011)

摘要:以铝合金为基体材料,采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍一磷合金,研究了热处理对镍一磷合金镀层结合强度和显微硬度的影响。实验结果表明:在250℃下热处理5h,镀层结合强度和显微硬度显著增加,镀层结合强度达120 MPa,显微硬度达1 000 HV 。

关键词:铝合金;镍一磷合金;化学镀;结合强度;显微硬度

中图分类号:TQ153.2 文献标识码:A

引言

铝合金具有密度小,导热、导电性能好,比强度高和加工成型容易等优点,但是铝合金存在的耐蚀性和耐磨性差及焊接困难等缺点限制了在某些领域的应用。在铝合金表面化学镀一层镍一磷合金,可以提高铝合金的抗蚀性、耐磨性和装饰性,而热处理则可以提高镍一磷合金镀层的显微硬度和与基体的结合强度等。虽然锌为两性金属,但是在较低温度的弱碱性溶液中预镀镍一磷合金,浸锌层的溶解速度较慢,因此碱性预镀镍一磷合金可以有效防止浸锌层在酸性溶液中溶解污染镀液,从而提高酸性镀液的稳定性。本文以铝合金为基体材料,采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍一磷合金,并测试了热处理温度对镀层结合强度和显微硬度的影响。

1 实验

1.1 镍·磷合金镀层制备

以铝合金为基体材料,采用碱性和酸性双溶液体系化学镀镍一磷合金。化学镀工艺流程为:铝合金试样→除油→水洗→酸蚀→水洗→浸锌→碱性镀镍→水洗→酸性镀镍→水洗→性能测试。控制碱性化学预镀镍一磷合金厚度为0.5一1.5μm,酸性化学镀镍·磷合金厚度为30---50μm,镀层中磷控制在11%一13%。化学镀溶液组成和工艺参数分别示于表1,其中,络合剂A为有机酸,复合络合剂B为两种有机酸的混合物,促进剂为含卤素的无机盐类化合物,光亮剂为稀土元素化合物。

 化学镀溶液组成和工艺参数

 1.2 镀层结合强度和硬度测试仪器

1)镀层结合强度在圆柱形试样上进行施镀,将镀件用60号砂纸打磨,去除试样侧面的镀层,以消除测试圆柱形试样顶端镀层与铝合金基体结合力时侧面和顶面镀层拉力的影响。然后将顶面镀层与辅助码用强力型胶粘剂进行连接,采用LYS-50000数字显示拉压力试验机进行结合强度测试。结合强度测试装置示意图示于图1。

 镀层结合强度和硬度测试仪器

 2) 镀层显微硬度

显微硬度是一种压人硬度,反映被测物体对抗另一硬物体压人的能力,试验采用HV S-1000型数显显微硬度计对铝合金化学镀片的显微硬度进行测量。

2 实验结果与讨论

2.1 镀层的结合强度

取铝合金棒试样制备镍一磷合金镀层,控制镀层厚度50μm左右。将试样分别在150,200,250,300和350℃温度下热处理2h,然后分别测试镍一磷合金镀层的结合强度,测试结果示于图2。

 镀层的结合强度

 由图2可以看出:

1)热处理温度低于250℃时,镀层结合强度随热处理温度的升高而缓慢升高。这可能是因为镍-磷合金镀层仍为非晶态结构,但是热处理可以消除镍·磷合金镀层中残留原子氢和松弛内应力,有利于提高镀层与基体的结合强度。

2) 热处理温度在250一300℃时,镀层结合强度随热处理温度的升高而下降,在300℃降到最低值。在化学镀镍一磷合金过程中,伴随着氢气析出,镀层内会产生一定的压应力,压应力可以提高镀层的结合强度。热处理可以降低镀层的压应力,而且热处理温度越高,压应力降低越明显。在250℃以上,镀层的压应力降低速度大于原子氢和内应力降低速度,镀层的结合力出现降低现象。

3) 热处理温度超过300℃时,镀层与基体的结合强度又随温度升高而增大。这是因为在300℃时,镀层开始出现Ni3P,600℃以后镀层完全转化为晶态结构。此时,镀层和基体之间的相互扩散和共渗成为可能,出现新的结合方式,从而提高了镀层与基体之间的结合强度。这种相互作用随着温度升高而增强,在600℃时超过了200 MPa。

由此可见,热处理温度应低于250℃或高于400℃,最好在250℃以下进行热处理。

2.2 镀层的硬度

2.2.1热处理温度对镀层显微硬度的影响

取铝合金板制备镍一磷合金镀层,控制镀层厚度50μm左右,分别在150,200 ,250 ,300和400℃温度下热处理2h,然后分别测试显微硬度,测试结果示于图3。

 热处理温度对镀层显微硬度的影响

 化学镀镍·磷合金镀层的硬度与镀层微观结构有关,由图3可以看出:

1) 当热处理温度低于300℃时,镀层的硬度与镀态相近。这是因为在300℃以下热处理,可以消除镀层中的原子氢,降低压应力和松弛力,但是镀层的微观结构没有发生明显变化,因此硬度与镀态相当。

2) 当温度超过300℃时,镀层的硬度随热处理温度的升高而明显升高。这是因为热处理温度的升高,有Ni3P 等晶相出现,发生晶相转化后,引起晶格畸变,畸变增加了镀层的塑变抗力,从而提高了镀层的硬度。热处理温度越高,镀层的晶化越明显,因此镀层的硬度越高。

2.2.2热处理时间对镀层显微硬度的影响

取铝合金制备镍一磷合金镀层,控制镀层厚度50μm左右。控制热处理温度为250℃,分别对镀层热处理1、2、3、4、5和6h,在空气中自然冷却,然后分别测试显微硬度,测试结果示于图4。

 热处理时间对镀层显微硬度的影响

 由图4可以看出,随着热处理时间的延长,镀层的硬度呈现逐渐增长的趋势。当热处理时间小于2h时,由于热处理温度较低,镍一磷合金镀层的晶化不明显,硬度变化也不大;当时间超过2h时,镀层的硬度随热处理时间延长而明显增大,这说明热处理时间越长,镀层的晶化越明显。当热处理时间超过5h,硬度的增加又趋于平缓,说明此时镀层已经由非晶态完全转化为晶态结构。

由此可见,在250℃温度下,延长热处理时间同样可以获得1 000 HV左右的显微硬度,这对于铝合金化学镀镍一磷合金非常重要。

3 结论

1) 热处理有利于改善镀层的结合强度。温度低于250℃时,镀层结合强度随热处理温度的升高而缓慢升高;250一300℃时,镀层结合强度随热处理温度的升高明显下降,在300℃达到最低值。当温度高于300℃时,镍一磷合金镀层的结合强度又随处理温度的升高而增大,600℃时镀层的结合强度超过200 MPa。为改善镀层结合强度,应避开300℃,低于250℃或高于400℃,最好是低于250℃。

2) 热处理有利于改善镀层的显微硬度。当热处理温度低于300℃时,镀层的硬度与镀态相近。当温度超过300℃时,镀层的硬度随热处理温度的升高而明显升高。另外,在250℃温度下,通过延长热处理时间同样可以达到提高镀层硬度的目的,热处理5h显微硬度超过1000 HV,这对于铝合金化学镀镍·磷合金非常重要。

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