熱處理對銅基化學鍍鎳層結構和性能的影響

(西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

紫銅具有極佳的導電性、導熱性，易熔接，良好的抗蝕性和塑性加工等特點，被廣泛地應用于石油、電子、儀表、機械等領域。其缺點是易產生機械損傷、耐磨性差等，故其應用受到了限制。為了改善紫銅的應用缺陷，可對其進行適當的表面處理，使其性能得到明顯改善。化學鍍鎳鍍層具有很好的耐磨性、抗剪切性、耐腐蝕性和較高的機械強度[1-4]，因而備受研究者的青睞。銅為非催化活性金屬，不能直接進行化學鍍，必須對其進行化學或電化學活化[5]。本文采用特殊工藝[6]在紫銅基體表面制備非晶態結構的化學鍍鎳鍍層，并對鍍層進行適當熱處理，重點考察了熱處理溫度對鍍層結構和性能的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與施鍍工藝

基材為35 mm×10 mm×6 mm的紫銅試樣，使用金相砂紙對其逐次打磨。化學鍍鎳鍍液配方：NiSO4·6H2O為30 g/L，NaH2PO2·H2O為20 g/L，C6H5Na3O7·2H2O為15 g/L，C4H6O4為5 g/L，CH3COONa為9.05 g/L，CH2(NH2)COOH為10 g/L。工藝條件：溫度為88±2 ℃，pH值為4.0～4.5，裝載比為1 dm2/L。工藝流程：丙酮超聲清洗→冷水洗→堿性除油→溫水洗(50～70 ℃)→冷水洗→酸性含鋅活化液活化→冷水洗→化學鍍鎳→冷水洗→吹干→檢測。所用水均為蒸餾水，堿液成分為碳酸鈉、磷酸鈉、硅酸鈉、OP乳化劑，鋅粉粒徑不超過74 μm。

1.2 熱處理工藝

將所得鍍層在箱式高溫燒結爐MF-1200C中進行熱處理，溫度分別為100 、200 、300 、400 、500、600 、700 、800 ℃，保溫時間為1 h，空冷。

1.3 性能檢測

采用OLYMPUS型倒置式金相顯微鏡測定鍍層表面形貌。采用HVS-1000型顯微硬度計測定鍍層顯微硬度，載荷0.098 N，加載時間20 s，取3～5個點測定數據的平均值。采用DX-2500型X射線衍射分析儀測定化學鍍鎳鍍層的微觀結構。采用MM-200 型磨損試驗機測定鍍層的耐磨性，摩擦配對副為硬度36 HRC的車輪鋼。試驗參數：試樣磨損前后經無水乙醇清洗5 min，載荷為58.8 N，轉速 200 r/min，干摩擦，磨損5 min后，采用失重法測定磨損量。

2 結果與討論

2.1 熱處理溫度對鍍層表面形貌的影響

圖1為鍍層在不同熱處理溫度下的表面形貌。可以看出：鍍態鍍層組織沒有明顯晶界，呈非晶態；經100 、 200 ℃熱處理后的鍍層組織基本沒有影響，表面形貌仍如鍍態時一樣；經500 ℃熱處理后的鍍層組織可以看到特別明顯的晶界。這表明隨著熱處理溫度的升高，鍍層表面形貌依次表現為非晶態→非晶態+晶態(微晶)→晶態。

(a)0

(b) 100 ℃

(c) 200 ℃

(d) 300 ℃

(e) 400 ℃

(f) 500 ℃

(g) 600 ℃

(h) 700 ℃

(i) 800 ℃

注：所有圖表中“0”均表示試樣不做任何熱處理，即處于鍍態。

2.2 熱處理溫度對鍍層微觀結構的影響

圖2為紫銅化學鍍鎳層的X線衍射圖譜。可以看出鍍態時衍射峰為非晶態結構的典型特征饅頭峰。鍍層經300 ℃熱處理后，衍射峰發生了變化，出現了Ni3P衍射峰，但衍射峰強度較弱，說明鍍層開始晶化，但并未完全晶化。這證明經300 ℃熱處理后鍍層由非晶態結構向晶態結構發生轉變。鍍層經500 ℃熱處理后，形成了大量與 Ni相共格的高硬質相 Ni3P ，產生了彌散強化，增加了鍍層塑性變形的滑移阻力。經500 ℃熱處理后，鍍層為晶態結構，基本完成了晶化過程，表明熱處理溫度的升高會誘發基體與鍍層生成化合物，從而影響鍍層的性能。另外，紫銅基體與鍍層間的擴散有助于提高鍍層的結合力。經700 ℃熱處理后，衍射峰變窄，與經500 ℃熱處理后相比，鍍層微觀結構發生了晶粒長大和粗化現象。

(a) 0

(b) 300 ℃

(c) 500 ℃

(d) 700 ℃

2.3 熱處理溫度對鍍層顯微硬度的影響

紫銅的顯微硬度為115 HV，鍍態鍍層的顯微硬度則達到535 HV，說明紫銅表面化學鍍鎳后硬度明顯提高，這樣可以改善其表面的抗劃傷能力。鍍層經不同溫度熱處理后，鍍層硬度見表 1，熱處理溫度與鍍層顯微硬度關系見圖 3。從圖3可以看出：當熱處理溫度在200 ℃以下時，隨著溫度的提高，鍍層顯微硬度沒有多大變化；當熱處理溫度在200～500 ℃時，隨著溫度的升高，鍍層顯微硬度迅速提高，并且當溫度到達500 ℃時，鍍層顯微硬度達到最高點1 284 HV；當熱處理溫度處于500～800 ℃時，隨著溫度的升高，鍍層顯微硬度反而減小。 實驗表明，這與鍍層微觀結構變化有很大關系，經熱處理后析出的Ni3P相既穩定又堅硬，且分布彌散，使鍍層得到強化，進而使鍍層的硬度得到提高，這就是典型的析出強化過程[7-8]。 由于鍍層的硬化程度與析出相的彌散程度成正比，使得鍍層經500 ℃熱處理后的顯微硬度達到最高。當熱處理溫度超過500 ℃后，鍍層中Ni 相會再結晶長大，Ni3P 相也聚集粗化，彌散度減小，從而導致顯微硬度降低。

表1 鍍層顯微硬度

圖3 熱處理溫度與鍍層顯微硬度的關系

2.4 熱處理溫度對鍍層耐磨性的影響

鍍層經不同溫度處理后，鍍層磨損量見表 2，熱處理溫度與磨損量關系見圖4。從圖4可以看出：熱處理溫度處于300 ℃以下時，隨著溫度的升高，鍍層磨損量緩慢下降；當熱處理溫度處于300～500 ℃之間時，隨著溫度的升高，鍍層磨損量急劇減少，溫度到達500 ℃時鍍層磨損量達到最低點2.6 mg。這是由于熱處理時化學鍍鎳層發生了晶化，顯微硬度明顯增加，導致耐磨性提高[9]。這表明合理的熱處理溫度有利于提高鍍層的硬度和耐磨性，當熱處理溫度處于500～800 ℃之間時，隨著溫度的升高，鍍層磨損量反而升高。

一般來講，鍍層顯微硬度越高，耐磨性越好，但鍍層耐磨性與顯微硬度并非成正比。鍍態鍍層顯微硬度低，摩擦因數較大，磨損體積大。隨著熱處理溫度的上升，表層磷化物的析出，硬度上升，同時降低摩擦因數，鍍層的延性增加，磨損體積減少[10]。

表2 鍍層磨損量

圖4 熱處理溫度與磨損量的關系

3 結論

1)隨著熱處理溫度的升高，鍍層微觀結構依次表現為非晶態→非晶態+晶態(微晶)→晶態。

2)隨著熱處理溫度的升高，鍍層顯微硬度出現先升高后降低的現象，經500 ℃熱處理后鍍層顯微硬度達到最大值1 284 HV。

3)隨著熱處理溫度的升高，鍍層磨損量出現先減小后增大的現象，經500 ℃熱處理后鍍層耐磨性最好，磨損量為2.6 mg。

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