退火對化學鍍N i-W-P鍍層硬度的影響

李莎 （陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

卞建勝 (山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250353）

由于化學鍍Ni-P合金具有優良的耐蝕、耐磨性及高硬度而得到廣泛應用[1-2]，尤其是經過適當熱處理之后，Ni-P鍍層因Ni和Ni3P的析出而獲得強化，但當溫度過高不僅影響Ni3P的析出，而且往往由于晶粒粗化造成鍍層硬度降低，為了提高二元Ni-P合金鍍層的熱穩定性，通常往Ni-P鍍層中加入Zn、Cu、Cr、W等第三種元素得到Ni-P基的三元合金鍍層，這些元素的加入能有效的抑制Ni3P的析出。據報道，與二元合金鍍層相比，三元的Ni-P-W和Ni-P-Cr鍍層在較高溫度下不僅熱穩定性好而且硬度高［3-4］。本文主要研究退火對化學鍍Ni-W-P鍍層硬度的影響。

1 試驗方法

1.1 試樣的制備

使用式樣尺寸為25 mm×11mm×1mm，材料為Q235，先除油和除銹，之后進行化學鍍，共施鍍2h，中間補充一次鍍液以保證鍍液中的有效成分和鍍層的有效厚度，完成后取出，用清水洗干凈，烘干。對試樣進行編號，分別對鍍層在200、300、400、500、600和700℃溫度下保溫一小時，隨爐冷卻。

1.2 試樣分析及測量

采用能譜分析儀分析鍍層表面成分，采用EVO50衍射儀對鍍層進行X射線檢測，對檢測結果通過Jade軟件通過擬合后進行物相檢索，分別確定Ni相在(111)和(200)及Ni3P相(231)和(141)的衍射峰，然后分別查看Ni相和Ni3P相各衍射峰的晶粒尺寸，求出各相晶粒在不同晶面上的晶粒尺寸的平均值。同時根據X射線的半高寬、積分強度和寬度等參數計算熱處理前后各鍍層的晶格應變和晶化程度。

2 試驗結果分析

能譜分析出鍍層中W和P的含量分別為3.88%、13.36%，其中磷的含量大于7%，為非晶態[5]。

2.1 鍍層的晶化程度

從圖中可以看出，鍍態鍍層只在q=45°左右Ni的（111）面上有一個饅頭峰，為典型的非晶峰，與能譜分析的結果相一致；鍍層經200和300℃退火之后，饅頭峰逐漸變得窄而銳，表明鍍層在Ni的晶面上已經開始晶化；退火溫度為400℃時，不僅Ni相在（200）（220）面上開始析出，而且鍍層中開始有Ni3P相在（231）（141）（312）（330）（301）（222）等面上析出，表明溫度為400℃時，鍍層中除了非晶態Ni進一步晶化外，還發生了Ni3P的晶化反應；之后隨退火溫度的進一步升高，鍍層中Ni和Ni3P相各峰進一步銳化，表明各相的晶化程度進一步增加。

圖1 鍍層的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the coatings

2.2 鍍層各相晶粒尺寸和微應變

由于鍍態鍍層為非晶態，所以鍍層中Ni相晶粒尺寸均可看成是一維無序的密堆小片，其平均值約為6-12?[6]；退火溫度為300℃時鍍層中Ni相晶粒尺寸為11.1nm；400℃退火時，鍍層中開始有Ni3P相析出，且其晶粒尺寸就為33.4nm，大于此退火溫度下Ni相的晶粒尺寸（28.2nm），這可能是此溫度下的自由能剛好滿足Ni3P析出所需能量，所以Ni3P相晶粒長速較快；之后隨著退火溫度的升高，鍍層中Ni相和Ni3P相的晶粒尺寸隨晶化程度的增大進一步長大，在400℃和500℃時Ni3P相的晶粒尺寸均大于Ni相，恰好說明Ni3P相長大所需的激活能大于Ni相，因此500-700℃高溫時，Ni相的晶粒尺寸會反過來大于Ni3P相的尺寸，但在整個退火過程中，鍍層各相的晶粒尺寸均保持在納米范圍內。

鍍態鍍層的微應變最大，是因為W和P溶于Ni相的晶格中，形成嚴重的晶格畸變，之后隨退火溫度的生高，底層中不斷有Ni相析出，晶格畸變程度降低，所以微應變在200～300℃下降最快，同時鍍層經低溫退火產生結構弛豫現象也是微應變下降較快的另一原因，之后隨溫度的升高，鍍層進一步晶化，微應變逐漸下降，在700℃時最小。

圖2 鍍層的晶粒尺寸和微應變Fig.2 The grain size and microstrain

2.3 鍍層硬度

圖5 鍍層硬度Fig.5 Hardness of coatings

圖中顯示，鍍態鍍層硬度最小，主要是受晶格應變影響；200～300℃由于Ni相的析出，鍍層微應變減小，鍍層硬度有所提高，同時此溫度下磷原子易在鎳的特定晶面上聚集，為適應鎳的結構而形成共格關系，能進一步提高鍍層的硬度；400-500℃之間時，鍍層硬度升高較明顯，主要是因為Ni3P相的析出破壞了Ni與P的共格關系，卻與固溶體形成共格關系，引起共格沉淀硬化而使得鍍層硬度增加[7]，且Ni3P相能阻礙晶體內缺陷的移動，起到第二相強化的作用，而500℃時鍍層的硬度高于400℃則與其晶化程度及晶粒尺寸因素有關；500℃之后鍍層硬度開始下降，住要是因為Ni和Ni3P兩相的晶粒尺寸迅速長大造成的不利影響，且Ni3P相的固溶強化作用和共格沉淀作用減弱[7]也是影響致鍍層硬度在高溫下下降的重要原因。

[1]Li Z H,Chen Z Y,L iu S S,et al.Corrosion and wear prop?erties of electroless Ni-P plating layer on AZ91D magnesium alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2008,18(4):819-824.

[2]Yan M,Ying H G,Ma T Y.Imp roved microhardness and wear resistance of the as2deposited electroless Ni-P coating

[J].Surface and Coatings Technology,2008,202(24):5909-5913.

[3]Maeda K，Ikari T，Akashi Y，et al.Crystallization mecha?nism of amorphous Ni65Cr16P19 metallic alloys［J］.Materials Sci?ence，1994，29:1449 － 1454.

[4]Tien S K，Duh J G.Structure，thermal stability and mechani?cal properties of electroless Ni-P-W alloy coatings during cycle test［J］.Surface and Coatings Technology，2004，177 － 178:532 －539.

[5]儲召華,郝桂霞,李君.化學鍍Ni-W-P三元合金工藝的研究[J].山東化工,1998，(3):5～6.

[6]林樹智,黑祖昆.電沉積Ni-P結構的研究[J].物理學報,1984,33(3):302-307.

[7]于光.化學鍍（Ni-P）-MoS復合鍍層的工藝及鍍層性能[J].表面技術,1996,25(4):12-14.