儀器結構件用2A12鋁合金表面Ni-P化學鍍層的形貌與硬度

（河南工業職業技術學院 機械工程學院，河南 南陽473000）

0 前言

鋁合金具有一系列優良的性能，它是實現儀器、機械裝備和交通運輸工具輕量化的理想材料。但鋁合金的硬度低，使其應用范圍受到一定的限制[1]。因此，為了進一步擴大鋁合金的應用范圍，在使用前需要對其進行表面處理。

提高鋁合金硬度的方法有金屬涂層、激光熔覆、離子注入、微弧氧化等[2]。其中，制備金屬涂層可以采用電鍍、化學鍍或熱噴涂等方法。化學鍍因工藝優點較多且鍍層性能優良，在工業中應用廣泛。當前，關于鋁合金化學鍍的研究較多，主要集中在沉積機制、鍍液組分和工藝參數對化學鍍層結構與性能的影響[3-4]。沉積時間是一個重要的工藝參數。本文通過研究沉積時間對鋁合金表面Ni-P化學鍍層形貌與硬度的影響，確定最合適的沉積時間，為提高鋁合金的硬度提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗材料與鍍液成分

基體材料采用儀器結構件用2A12鋁合金，其主要成分的質量分數為：Si 0.5%，Fe 0.5%，Cu 3.8%～4.9%，Mn 0.3%～0.9%，Zn 0.3%，Ni 0.1%，Ti 0.1%，Mg 1.2%～1.8%，A1余量。基體的鍍覆面積為7 cm2。基體預處理按照文獻[5]所述的工藝規范。

鍍液成分：NiSO4·6 H2O 25 g/L，Na H2PO2·H2O 25 g/L，C6H5Na3O7· 2H2O 10 g/L，CH3COONa 10 g/L，穩定劑1 mg/L。用分析純的試劑和去離子水配制鍍液。

1.2 工藝參數

工藝參數為：鍍液pH值4.6～4.8，溫度85℃，沉積時間30 min、50 min、70 min、90 min、110 min，磁力攪拌速率300 r/min。除了沉積時間外，其他工藝參數固定不變。

1.3 性能測試

（1）沉積速率

采用稱重法，按照如下公式計算沉積速率：

式中：v為沉積速率，mg·cm-2·min-1；Δm為試樣化學鍍前后的質量差，mg；S為試樣的表面積，cm2；t為沉積時間，min。

（2）厚度

采用211-101型數顯式螺旋測微器（精度為1μm）測量鍍層的厚度。每個試樣選取不同位置測量5次，取平均值作為該試樣的厚度。

（3）形貌

采用JSM-6380LV型掃描電鏡觀察鍍層的形貌。

（4）表面粗糙度

采用TIME3201型粗糙度儀（精度為0.001 μm）測量鍍層的表面粗糙度。每個試樣選取不同位置測量3次，取平均值作為該試樣的表面粗糙度。

（5）硬度

采用HV-1000型顯微硬度計測試鍍層的硬度，自動加載100 g，保持15 s。每個試樣隨機選取5個點進行測試，取平均值作為該試樣的硬度。

2 結果與討論

2.1 沉積速率

圖1為不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的沉積速率。由圖1可知：隨著沉積時間的延長，鍍層的沉積速率明顯降低。

圖1 不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的沉積速率

從理論上分析，化學鍍初期沉積速率較高是由于鍍液中反應物的質量濃度高，消耗量少。隨著沉積時間的延長，一方面，鍍層的持續形成及增厚不斷消耗反應物；另一方面，副反應同樣消耗反應物[6]，使得鍍液中反應物的質量濃度降低，從而導致沉積速率降低。

2.2 厚度

圖2為不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的厚度。由圖2可知：沉積時間較短（30 min）時，鍍層薄，約為15μm。隨著沉積時間的延長，鍍層逐漸增厚。當沉積時間從30 min延長到90 min時，鍍層的厚度增加25μm，增厚速率為0.42μm/min。但當沉積時間從90 min延長到110 min時，鍍層的厚度僅增加3μm，增厚速率明顯變慢。

圖2 不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的厚度

化學鍍初期由于沉積速率高，所以鍍層增厚速率較快。隨著沉積時間的延長，由于沉積速率降低，所以鍍層增厚速率變慢。

2.3 形貌與表面粗糙度

圖3為不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的形貌。由圖3可知：鍍層為典型的胞狀結構，表面有凸起的胞狀物，胞狀物相互獨立，有明顯的界限。這說明每個胞狀物都是由不同的晶核形成，并且每個晶核獨立生長，對周圍晶核的生長造成影響。隨著沉積時間的延長，鍍層表面胞狀物的平均直徑變大，形態也發生變化。當沉積時間為30 min時，鍍層表面胞狀物的平均直徑最小，約為2μm。當沉積時間為110 min時，鍍層表面胞狀物的直徑最大的超過5μm。

圖3 不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的形貌

根據經典的形核理論，胞狀物的形成及生長與化學鍍過程中表面能和單位體積自由能的變化有關。新形成的鍍層表面熱力學穩定性較差，單位體積的自由能變化較大，胞狀物形成所需的表面能較低。沉積時間較短時，基體表面的催化活性點少，單位面積的形核數量較少。隨著沉積時間的延長，基體表面的催化活性點增多，單位面積的形核數量較多[7]。在形核數量較多的情況下，胞狀物會相互融合，因而胞狀物的平均直徑變大。

圖4為不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的表面粗糙度。由圖4可知：隨著沉積時間的延長，鍍層的表面粗糙度逐漸增大。當沉積時間為110 min時，鍍層的表面粗糙度達到最大值，為0.784μm。

2.4 硬度

圖5為不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的硬度。由圖5可知：隨著沉積時間的延長，鍍層的硬度先增大后減小。當沉積時間從30 min延長到90 min時，鍍層的硬度從5.26 GPa增大到5.80 GPa。但當沉積時間從90 min延長到110 min時，鍍層的硬度從5.80 GPa減小到5.43 GPa。

圖4 不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的表面粗糙度

圖5 不同沉積時間下所得Ni-P化學鍍層的硬度

鍍層的硬度與沉積速率、鍍層的形貌及厚度有一定的關系[8]。化學鍍初期雖然鍍層表面胞狀物的平均直徑較小，但由于鍍層薄，加之沉積速率較高，所以鍍層致密度較低，導致硬度不高。隨著沉積時間的延長，雖然鍍層表面胞狀物的平均直徑變大且沉積速率下降，但鍍層逐漸增厚，持續形成和增厚使得鍍層的致密度提高。致密度是影響鍍層硬度的重要因素，致密度提高，鍍層的硬度增大。但沉積時間過長（如110 min時），鍍液中反應物的質量濃度較低，此時生成的鍍層致密度下降，硬度減小。

另外，沉積時間為90 min時Ni-P化學鍍層的硬度達到5.80 GPa，是基體硬度（1.0～1.3 GPa）的4倍以上。由此表明，Ni-P化學鍍層能較大幅度地提高2A12鋁合金的硬度。

3 結論

（1）隨著沉積時間的延長，鍍層的沉積速率明顯降低，厚度逐漸增加，但增厚速率變慢；鍍層的結構未發生變化，仍為胞狀結構，但表面胞狀物的平均直徑變大，形態也發生變化；鍍層的表面粗糙度逐漸增大，硬度先增大后減小。

（2）當沉積時間為90 min時，鍍層的硬度達到5.80 GPa，是2A12鋁合金硬度的4倍以上，說明Ni-P化學鍍層能較大幅度地提高2A12鋁合金的硬度。