燒結工藝對瓦特鎳鍍層抗腐蝕性能的影響

鄭少華，周光波，袁禮華，董旭坤，胡年孫，張勝南

（中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

光電金屬外殼廣泛應用于激光器、光通訊、汽車電子等有氣密性要求的場合[1]，其一般制作工藝流程為：燒結——噴砂——清洗——電鍍——清洗——烘干。在實際生產中為滿足后部工序要求，需對鍍鎳后的光電金屬外殼進行再次燒結，但再次燒結是否會給鍍層的理化性能及外殼使用要求帶來影響，該問題鮮有研究和關注，業內也未見該方面準確的數據可供參考[2-4]，本工作采用美國BTU公司生產的鏈式燒結爐，對4J29合金電鍍瓦特鎳后進行燒結，分析了燒結工藝對鍍層形貌和抗腐蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 鍍層制備

采用10mm×10mm×1mm的4J29合金片(YB/T 5231-2005定膨脹封接鐵鈷鎳合金)，其化學成分見表1。具體工藝流程為：除油——酸洗——電鍍瓦特鎳——去離子水洗——烘干，鍍液組成及工藝條件為：硫酸鎳150～250g/L；硼酸30～50g/L；氯化鎳30～50g/L；硫酸鎂30～50g/L；鍍液PH：4.0～4.5；溫度40℃；施鍍時間60min；電流密度：0.5A/dm2。

表1 4J29合金的主要化學成分 Wt.%

1.2 鍍層燒結

燒結在TCA64-11-198E78B型鏈式燒結爐（美國BTU公司）中進行，整個熱處理過程通N2保護，N2流量20L/min，分別在840℃和920℃下保溫55min后隨爐冷卻至室溫。

1.3 鍍層結構表征

采用OLYMPUS公司STM6型顯微鏡觀察鍍層斷面形貌，測量鍍層厚度；采用FEI公司Inspect F50型場發射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope)表征分析鍍層顯微形貌。

1.4 耐蝕性測試

采用上海辰華公司CHI 650E型電化學工作站測試樣品的陽極極化曲線，電解池為標準三電極體系，樣品為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片作對電極，測試液為3.5%NaCl溶液，測試溫度25℃。極化曲線測試前，先進行開路電位Eocp掃描至電壓穩定，然后在Eocp±250mV電勢范圍內進行測量，掃描速度5mV/s。

2 結果與討論

2.1 鍍層表面形貌

圖1可知，沉積態晶界最多，晶粒最小，隨燒結溫度的升高，鍍層晶粒逐漸長大，晶界明顯減少，鍍層的致密性并未發生明顯改變，這說明高、低溫燒結后，鍍層的形變能力增強，硬度應是下降的[5]。

圖1 不同燒結溫度下的鍍層表面SEM形貌

2.2 鍍層金相

通過STM6型顯微鏡對鍍層橫截面進行觀察，測量不同工藝下樣品表面鍍層厚度，每個試樣測量3個不同位置，取平均值。結果表明，沉積態表面鍍層較為均勻，平均厚度6.54μm；經840℃燒結后，鍍層有所增厚，平均厚度約6.87μm；燒結溫度達到920℃時，鍍層厚度很不均勻，平均厚度約7.18μm。

從圖2還可以看出，燒結工藝處理后的鍍層厚度增加，但變得更加疏松了，除沉積態無擴散層外，經840℃和920℃燒結后，鎳鍍層均由外表面致密的白亮層和次表面疏松的擴散層構成[6]。沉積態的白亮層最為平整致密，平均厚度為5.36μm，擴散層厚度約為1.18μm；840℃燒結后，鍍層白亮層開始減薄疏松，擴散層變厚，鍍層中開始出現一些孔隙，此時白亮層厚度約為3.52μm，擴散層厚度約3.35μm；920℃高溫燒結后，鍍層中的孔隙增多，白亮層厚度約為4.98μm，擴散層厚度約為1.20μm，這可能是由于擴散層不斷增厚變致密而導致金相腐蝕假象所致，且擴散層與基材之間的界面呈現鋸齒狀。造成白亮層疏松的原因可能是鍍層中的鎳原子經燒結后，通過熱擴散向鍍層及基體內部遷移滲透造成，在遷移滲透的過程中，白亮層原子配位數呈現減小趨勢，晶格點陣間隙增多，反之擴散層原子配位數增大，排列越來越緊密。總體來看，燒結溫度對鍍鎳層的結構影響比較明顯，但并未明顯改變鍍層厚度。

圖2 不同燒結溫度下的鍍層截面金相

2.3 耐蝕性測試

圖3是樣品在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。可以看出，隨著鍍后燒結溫度的升高，極化曲線的自腐蝕電位不斷上移，沉積態自腐蝕電位為-480mV，840℃燒結后的自腐蝕電位為-450mV，920℃燒結后的自腐蝕電位為-410mV，表明沉積態的腐蝕傾向最高，耐腐蝕性能最差，這應該是不同燒結溫度導致鍍鎳層和基體金屬間發生擴散形成金屬間化合物，從而造成耐蝕性能的差異性。表2列出了3種工藝下的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度，可以看出，鍍后燒結溫度越高，自腐蝕電流密度越小，鍍層經920℃燒結后的自腐蝕電流密度達到了0.24μA·cm-2，表現出了最佳的抗蝕性能。總體來看，燒結溫度的改變對鎳鍍層的抗腐蝕性能雖有提升，但并不明顯。

圖3 不同燒結溫度下的鍍層極化曲線

表2 不同燒結溫度下的鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流密度

3 結論

①鍍后燒結溫度越高，鍍層越厚，鍍層晶粒越粗大，晶界越少；②840℃燒結后鍍層分層最明顯，白亮層厚度約為3.52μm，擴散層厚度約3.35μm；920℃燒結后鍍層分層減弱，白亮層厚度約為4.98μm，擴散層厚度約為1.20μm；③鍍后燒結溫度越高，鍍鎳層自腐蝕電位越高，由原樣的-480mv增長至840℃和920℃燒結后的-450mv、-410mv。