熱處理對化學(xué)鍍鎳基合金鍍層性能的影響研究進(jìn)展

王明清

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 北京　100070)

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熱處理對化學(xué)鍍鎳基合金鍍層性能的影響研究進(jìn)展

王明清

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 北京100070)

化學(xué)鍍鎳是表面處理領(lǐng)域發(fā)展最快和應(yīng)用廣泛的鍍覆技術(shù)之一。以熱處理對化學(xué)鍍鎳-磷二元合金鍍層及化學(xué)鍍鎳基多元合金鍍層的影響為主題，對相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。熱處理通過改變化學(xué)鍍鎳基合金鍍層的形貌狀況、組織結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)而改善其性能，促使綜合性能更優(yōu)。表明適度熱處理同樣是提高化學(xué)鍍鎳基合金鍍層性能的有效途徑。

熱處理； 化學(xué)鍍鎳基合金鍍層； 非晶態(tài)； 性能

引　言

化學(xué)鍍是在無電流作用下，借助還原劑在溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使金屬離子沉積在自催化表面的一種鍍覆方法。化學(xué)鍍鎳的研究已有170年的歷史，已成為目前表面處理領(lǐng)域中發(fā)展最快的技術(shù)之一。化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層的應(yīng)用最為廣泛。已開展的關(guān)于化學(xué)鍍鎳基合金鍍層熱處理的研究，系統(tǒng)考察熱處理時間和熱處理溫度對化學(xué)鍍鎳基合金鍍層性能的影響表明，通過熱處理可以改變化學(xué)鍍鎳基合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)，促使鍍層綜合性能更優(yōu)。本文擬對此進(jìn)行綜述。

1　熱處理對化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層性能的影響

化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層的厚度均勻，與基體結(jié)合力強，并且兼具優(yōu)良的物化性能和力學(xué)性能，在眾多領(lǐng)域中有著應(yīng)用體現(xiàn)[1-2]。鎳-磷合金鍍層通常充當(dāng)功能層，用以改善被鍍覆基體的表面硬度、耐磨性能和耐蝕性能。非晶體層狀結(jié)構(gòu)，賦予化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層優(yōu)良的性能，但同時也造就其性能穩(wěn)定性欠佳的特點。研究表明，通過適度熱處理，可以促使化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層的性能更優(yōu)。已開展的有關(guān)熱處理對化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層性能影響的研究，以化學(xué)鍍Ni-P合金和Ni-B合金鍍層作為研究對象居多。

適度熱處理能夠彌補化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層易發(fā)生點蝕的缺陷，解決化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層與被鍍覆基體結(jié)合強度不理想、局部易脫落的問題。張紅娟等[3]以鋁合金表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層作為研究對象，通過對比實驗考察了熱處理溫度和熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層結(jié)合力與耐蝕性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)θ為150℃、t為1.5h，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層與鋁合金表面的結(jié)合強度最高；經(jīng)θ為150℃、t為1h保溫?zé)崽幚砗螅瘜W(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐蝕性能最優(yōu)，表面點蝕程度輕微。王赫男等[4]以1420鋁鋰合金表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層作為研究對象，重點考察了460℃固溶處理、160℃時效處理和固溶+時效組合處理不同熱處理工藝對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)固溶+時效組合處理的化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能最優(yōu)。賀忠臣等[5]通過實驗研究同樣得到通過適度熱處理可以促使化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能更優(yōu)的結(jié)論。實驗表明，在T為673K條件下經(jīng)60min保溫?zé)崽幚砗螅瘜W(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐蝕性能最優(yōu)。分析認(rèn)為，適度熱處理促使化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層從非晶相亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的晶態(tài)，組織結(jié)構(gòu)得以強化是其性能更優(yōu)的原因所在。

王文昌等[6]在恒溫350℃條件下對比考察了熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層硬度和耐磨性能的影響。結(jié)果表明，隨著熱處理時間延長，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度先增大后減小，而耐磨性能未呈現(xiàn)明顯改觀；在350℃條件下，經(jīng)60min熱處理，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度達(dá)到最高，接近690HV，耐磨性能同樣達(dá)到最優(yōu)，磨損機制表現(xiàn)為磨粒磨損。樊國福等[7]在恒溫300、400、500和600℃條件下分別考察了熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層組織結(jié)構(gòu)、成分和硬度的影響。通過分析測試表明：不論在300、400℃抑或在500、600℃恒溫條件下，熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)和成分均有較明顯的影響。隨著熱處理時間延長，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層由非晶態(tài)層狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)組織，層狀界限消失，晶粒細(xì)化且聚集生長；成分有所改變，析出Ni3P相、Ni晶體和亞穩(wěn)相。化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度呈先增大后減小的變化趨勢，高溫條件下短時間熱處理的方式，對于提高化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度效果顯著。

范洪富等[8]和方其先等[9]在保溫時間相同(均為1h)的條件下對比研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐磨性能的影響。前者的研究結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐磨性能隨著熱處理溫度的升高(250～600℃)呈先增強后削弱的趨勢，對應(yīng)的磨損量先降低后升高；經(jīng)400℃、1h保溫?zé)崽幚砗螅瘜W(xué)鍍Ni-P合金鍍層的磨損量最低，為15.6mg，反襯出耐磨性能最優(yōu)。分析認(rèn)為，晶態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變以及硬度的提高是化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐磨性能增強的原因。后者的研究結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐磨性能隨著熱處理溫度的升高(200～600℃)漸增強。以磨損質(zhì)量作為評價指標(biāo)，表現(xiàn)為磨損質(zhì)量遞減。通過分析推斷，硬度并非化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐磨性能的決定性因素，而晶態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有助于改善化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐磨性能。

同樣在保溫時間相同的條件下，李雪松等[10]和宋玉強等[11]均對比研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能的影響。前者的研究結(jié)果表明，熱處理溫度通過影響化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其耐蝕性能。隨著熱處理溫度升高(200～400℃)，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的耐蝕性能變差，對應(yīng)的腐蝕速率加快。后者的研究結(jié)果表明，熱處理溫度越高，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層表現(xiàn)出的耐蝕性能越好，腐蝕質(zhì)量損失最低。熱處理θ為750℃時，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的腐蝕損失低于0.005g。宋玉強等還通過觀察熱處理后化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的斷面形貌和組織結(jié)構(gòu)，對經(jīng)750℃高溫?zé)崽幚淼幕瘜W(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性能較好的原因作出解釋。歸納為，經(jīng)高溫?zé)崽幚恚瘜W(xué)鍍Ni-P合金鍍層的晶態(tài)組織轉(zhuǎn)變，晶粒聚集生長以致晶界面積縮減，與腐蝕介質(zhì)的接觸面積減小；加之表面形成致密氧化膜層，對腐蝕介質(zhì)形成隔離效果，阻礙滲透腐蝕進(jìn)程。

表面化學(xué)鍍Ni-P合金的紫銅材質(zhì)零件和器件在機械和電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊，對其而言，表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度、耐磨性能等物理機械性能是決定應(yīng)用壽命的關(guān)鍵因素。提高化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的物理機械性能，除了通過優(yōu)化化學(xué)鍍工藝參數(shù)條件之外，進(jìn)行適度熱處理同樣是有效途徑。王敏等[12]的研究證實，適度熱處理能夠提高紫銅表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度和耐磨性能。通過對比實驗考察了熱處理溫度對紫銅表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層硬度和耐磨性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)θ為500℃、1h保溫?zé)崽幚砗螅香~表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度最高，達(dá)1284HV；耐磨性能同樣最優(yōu)，磨損量僅為2.6mg。通過觀察微觀結(jié)構(gòu)的變化過程并結(jié)合理論分析，將紫銅表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層物理機械性能的提高原因歸結(jié)為晶態(tài)的改變以及新相的形成。蔡定濱[13]的研究表明，適度熱處理促使化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的晶態(tài)組織發(fā)生變化，故而化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的硬度得以提高，耐磨性能和耐蝕性能等均得以改善。應(yīng)用證實，表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的壓縮機承載零件經(jīng)過適度熱處理，耐蝕、耐磨和抗咬合等性能指標(biāo)均符合要求；表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的壓縮機殼體零件的耐蝕性能也同樣達(dá)到預(yù)期。

以其它類型化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層作為研究對象，研究熱處理對其性能的影響，文獻(xiàn)相對較少。宣天鵬等[14]采用單因素實驗法，以磨損量作為評價指標(biāo)，對比研究了熱處理溫度和熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層耐磨性的影響，并相應(yīng)分析了熱處理溫度和熱處理時間的影響機理。結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的耐磨性隨著熱處理溫度升高逐漸增強，而隨著熱處理時間延長逐漸削弱。通過觀察經(jīng)過不同溫度和時間熱處理的化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層磨損前后的形貌，并結(jié)合化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的硬度測試結(jié)果，分析得出，硬度和韌性是制約化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層耐磨性的關(guān)鍵因素。除此之外，Gorbunova等[15]和饒群力等[16]研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層硬度的影響，得出相近的結(jié)論。熱處理溫度改變影響化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的成分和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響其硬度。鍍層中Ni3B和Ni2B等新成分的形成、內(nèi)應(yīng)力的釋放以及氫元素的驅(qū)離，是化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層硬度顯著增大的主要原因。Saito等[17]還研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層磁性能的影響。結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的磁性能隨著熱處理溫度的升高發(fā)生改變，適度的熱處理溫度對于提高化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的磁性能效果明顯，但過高的熱處理溫度可能造成化學(xué)鍍Ni-B合金鍍層的磁性能遭到破壞。

2　熱處理對化學(xué)鍍鎳基三元合金鍍層性能的影響

第三相元素的引入，賦予化學(xué)鍍鎳基三元合金鍍層更為優(yōu)良的綜合性能。研究表明，適度熱處理是在優(yōu)化化學(xué)鍍工藝參數(shù)條件之外，對于進(jìn)一步提高化學(xué)鍍鎳基三元合金鍍層的性能同樣是有效的途徑。

王天旭等[18]研究證實，對鍍態(tài)化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層進(jìn)行適度熱處理是提高其硬度和耐磨性能的有效途徑。通過控制熱處理時間和熱處理溫度，能夠獲得具備高硬度和優(yōu)良耐磨性能的化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層。王天旭等采用單因素實驗法，對比考察了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層硬度和耐磨性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著熱處理θ由200℃升至600℃，化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層的硬度對應(yīng)先減小后增大，最大值接近1000HV；耐磨性能則逐漸提高，磨損量最低僅為0.916mm3。馬壯等[19]和余孝祖等[20]通過實驗研究，得出相同的結(jié)論，即鍍態(tài)化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層經(jīng)過適度熱處理，耐磨性能更優(yōu)。結(jié)合實驗結(jié)果并參照相關(guān)理論分析認(rèn)為，熱處理促使鍍態(tài)化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層中的P原子擴散遷移，聚集形成晶化核心和新晶化相，引發(fā)結(jié)晶畸變，進(jìn)而提高化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層的耐磨性能。他們還通過實驗證實，適度熱處理同樣是提高化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層耐蝕性能的有效途徑。前者采用浸泡腐蝕法，以單位面積的腐蝕質(zhì)量損失作為評價指標(biāo)，考察了熱處理對化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層耐蝕性能的影響。后者則采用腐蝕極化曲線測量法，通過測定腐蝕電流密度和腐蝕電位，考察了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層耐蝕性能的影響。經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-W-P合金鍍層之所以表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性能，歸因于其致密的組織結(jié)構(gòu)以及較低的孔隙率。

張剛等[21]和王鵬等[22]研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層耐蝕性能的影響。張剛等的結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度升高，化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的耐蝕性能變差，自腐蝕電位正移，腐蝕速率加快。分析表明，熱處理溫度不能明顯改善化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的耐蝕性能。熱處理溫度升高導(dǎo)致化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層晶相的變化以及表面氧化膜的形成狀態(tài)，進(jìn)而影響化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的耐蝕性能。王鵬等的研究結(jié)果顯示,熱處理θ為300℃時，經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐蝕性能最差；熱處理θ為600℃時，經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層在10%HCl溶液中的耐蝕性能最優(yōu)。通過定量表征，經(jīng)不同溫度熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的晶粒尺寸、晶化程度和結(jié)晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，王鵬等還探明經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)與其耐蝕性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

張培彥等[23]研究了熱處理溫度和熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層硬度的影響。呂媛媛等[24]研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層晶化組織特征、硬度和耐磨性能的影響。前者的研究結(jié)果顯示，熱處理溫度和熱處理時間對化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層硬度的影響規(guī)律不同，熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層硬度的影響程度相較熱處理時間的影響程度更為明顯，二者均存在最優(yōu)值，在最優(yōu)熱處理溫度和熱處理時間條件下，經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層硬度接近1100HV。后者的研究結(jié)果顯示，隨著熱處理θ由400℃升至800℃，化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的內(nèi)層完全晶化，而外層的晶化進(jìn)程相對緩慢，Ni-Mo固溶體逐漸形成。熱處理θ為400℃時，經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的硬度達(dá)到峰值，接近1000HV，但耐磨性能最差。熱處理θ為600℃時，經(jīng)熱處理的化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的耐磨性能最優(yōu)。通過觀察，經(jīng)不同溫度熱處理后化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層表面磨損形貌。分析得出，高溫?zé)崽幚泶偈够瘜W(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層外層形成Ni-Mo固溶體，固溶體發(fā)揮減摩的作用，從而間接提高化學(xué)鍍Ni-Mo-P合金鍍層的耐磨性能。

除上述研究外，孟君等[25]、張雷等[26]和晉勇等[27]還分別研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Zn-P合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)、硬度和耐腐蝕性的影響，熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Fe-P合金鍍層成分、硬度和耐蝕性能的影響，以及熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Cr-P合金鍍層硬度和耐蝕性能的影響。他們通過單因素實驗均得出熱處理對化學(xué)鍍Ni-Zn-P合金鍍層、化學(xué)鍍Ni-Fe-P合金鍍層和化學(xué)鍍Ni-Cr-P合金鍍層相關(guān)性能的影響規(guī)律。

3　熱處理對化學(xué)鍍鎳基四元合金鍍層性能的影響

關(guān)于熱處理對化學(xué)鍍鎳基四元合金鍍層性能影響的研究較少，僅有為數(shù)不多的報道。

余祖孝等[28]采用單因素實驗法，考察了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層孔隙率、硬度、耐磨和耐蝕性能的影響。結(jié)果表明，隨著熱處理θ由200℃升至600℃，化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層的孔隙率逐漸降低，硬度先減小后增大，耐磨和耐蝕性能的變化規(guī)律相同，均為先增強后削弱。熱處理θ為600℃時，化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層的孔隙率接近0，硬度接近900HV，耐磨和耐蝕性能均最差。熱處理θ為400℃時，化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層的耐磨和耐蝕性能均最好。通過分析得出，熱處理溫度升高，引起化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層畸變，形成細(xì)致彌散的晶化相，進(jìn)而改變化學(xué)鍍Ni-W-Mo-P合金鍍層的性能。張新超等[29]研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-Co-Fe-P合金鍍層組織結(jié)構(gòu)和成分的影響，借助X-射線能譜儀分析表明，隨著熱處理溫度升高，化學(xué)鍍Ni-Co-Fe-P合金鍍層存在由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，各向異性消失，質(zhì)點間的平均距離增大，晶格畸變明顯，并且形成FeNi3、Fe2P和Ni2P等新金屬間化合物。

此外，Zhang等[30]研究了熱處理溫度對化學(xué)鍍Ni-W-Cr-P四元合金鍍層晶體結(jié)構(gòu)、硬度和耐蝕性能的影響。結(jié)果表明，隨著熱處理溫度升高，化學(xué)鍍Ni-W-Cr-P四元合金鍍層的晶體結(jié)構(gòu)、硬度和耐蝕性能均有所改變。熱處理θ為800℃時，化學(xué)鍍Ni-W-Cr-P的硬度最高，接近1140HV，耐蝕性能同樣最優(yōu)。分析認(rèn)為，晶態(tài)的改變、晶格畸變以及新晶相(如Ni17W3、NiCrFe)的形成是化學(xué)鍍Ni-W-Cr-P合金鍍層呈優(yōu)良性能的原因所在。

4　結(jié)　語

以熱處理對化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層、三元合金鍍層和四元合金鍍層性能的影響為主題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展大量研究。通過對比考察熱處理溫度和熱處理時間等工藝參數(shù)對化學(xué)鍍鎳基二元合金鍍層及多元合金鍍層性能的影響，并相應(yīng)分析影響機理，得出結(jié)論：1)熱處理可以改變化學(xué)鍍鎳基合金鍍層的形貌狀況、組織結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)而改善其性能，促使鍍層綜合性能更優(yōu)。2)化學(xué)鍍鎳基合金鍍層采取適當(dāng)適度熱處理方法是提高化學(xué)鍍鎳基合金鍍層性能的有效途徑。

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Research Progress on the Influence of Heat Treatment on the Properties of Electroless Nickel Based Alloy Coating

WANG Mingqing

(Beijing Information Technology College,Beijing 100070,China)

Electroless nickel plating is one of the fastest developing and most widely used technology in the field of surface treatment.Research progress on the influence of heat treatment on the properties of electroless nickel based binary and multicomponent alloy coating was reviewed in this paper.Heat treatment can change the morphology,microstructure and composition of the electroless nickel based alloy coating,thus improve its performance and get better comprehensive performance.Moderate heat treatment is also an effective way to improve the properties of electroless nickel based alloy coating.

heat treatment; electroless nickel based alloy coating; amorphous; property

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.10.007

2016-03-21

2016-04-24

TQ153.12

A