燒結(jié)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(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

光電金屬外殼廣泛應(yīng)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(jié)——噴砂——清洗——電鍍——清洗——烘干。在實(shí)際生產(chǎn)中為滿足后部工序要求，需對鍍鎳后的光電金屬外殼進(jìn)行再次燒結(jié)，但再次燒結(jié)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(guān)注，業(yè)內(nèi)也未見該方面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可供參考[2-4]，本工作采用美國BTU公司生產(chǎn)的鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐，對4J29合金電鍍瓦特鎳后進(jìn)行燒結(jié)，分析了燒結(jié)工藝對鍍層形貌和抗腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)

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(xué)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(shí)間60min；電流密度：0.5A/dm2。

表1 4J29合金的主要化學(xué)成分 Wt.%

1.2 鍍層燒結(jié)

燒結(jié)在TCA64-11-198E78B型鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐（美國BTU公司）中進(jìn)行，整個(gè)熱處理過程通N2保護(hù)，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(jié)構(gòu)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(fā)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(xué)工作站測試樣品的陽極極化曲線，電解池為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行開路電位Eocp掃描至電壓穩(wěn)定，然后在Eocp±250mV電勢范圍內(nèi)進(jìn)行測量，掃描速度5mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層表面形貌

圖1可知，沉積態(tài)晶界最多，晶粒最小，隨燒結(jié)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(fā)生明顯改變，這說明高、低溫?zé)Y(jié)后，鍍層的形變能力增強(qiáng)，硬度應(yīng)是下降的[5]。

圖1 不同燒結(jié)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(jìn)行觀察，測量不同工藝下樣品表面鍍層厚度，每個(gè)試樣測量3個(gè)不同位置，取平均值。結(jié)果表明，沉積態(tài)表面鍍層較為均勻，平均厚度6.54μm；經(jīng)840℃燒結(jié)后，鍍層有所增厚，平均厚度約6.87μm；燒結(jié)溫度達(dá)到920℃時(shí)，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(jié)工藝處理后的鍍層厚度增加，但變得更加疏松了，除沉積態(tài)無擴(kuò)散層外，經(jīng)840℃和920℃燒結(jié)后，鎳鍍層均由外表面致密的白亮層和次表面疏松的擴(kuò)散層構(gòu)成[6]。沉積態(tài)的白亮層最為平整致密，平均厚度為5.36μm，擴(kuò)散層厚度約為1.18μm；840℃燒結(jié)后，鍍層白亮層開始減薄疏松，擴(kuò)散層變厚，鍍層中開始出現(xiàn)一些孔隙，此時(shí)白亮層厚度約為3.52μm，擴(kuò)散層厚度約3.35μm；920℃高溫?zé)Y(jié)后，鍍層中的孔隙增多，白亮層厚度約為4.98μm，擴(kuò)散層厚度約為1.20μm，這可能是由于擴(kuò)散層不斷增厚變致密而導(dǎo)致金相腐蝕假象所致，且擴(kuò)散層與基材之間的界面呈現(xiàn)鋸齒狀。造成白亮層疏松的原因可能是鍍層中的鎳原子經(jīng)燒結(jié)后，通過熱擴(kuò)散向鍍層及基體內(nèi)部遷移滲透造成，在遷移滲透的過程中，白亮層原子配位數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，晶格點(diǎn)陣間隙增多，反之?dāng)U散層原子配位數(shù)增大，排列越來越緊密?？傮w來看，燒結(jié)溫度對鍍鎳層的結(jié)構(gòu)影響比較明顯，但并未明顯改變鍍層厚度。

圖2 不同燒結(jié)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?？梢钥闯觯S著鍍后燒結(jié)溫度的升高，極化曲線的自腐蝕電位不斷上移，沉積態(tài)自腐蝕電位為-480mV，840℃燒結(jié)后的自腐蝕電位為-450mV，920℃燒結(jié)后的自腐蝕電位為-410mV，表明沉積態(tài)的腐蝕傾向最高，耐腐蝕性能最差，這應(yīng)該是不同燒結(jié)溫度導(dǎo)致鍍鎳層和基體金屬間發(fā)生擴(kuò)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(jié)溫度越高，自腐蝕電流密度越小，鍍層經(jīng)920℃燒結(jié)后的自腐蝕電流密度達(dá)到了0.24μA·cm-2，表現(xiàn)出了最佳的抗蝕性能。總體來看，燒結(jié)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(jié)溫度下的鍍層極化曲線

表2 不同燒結(jié)溫度下的鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流密度

3 結(jié)論

①鍍后燒結(jié)溫度越高，鍍層越厚，鍍層晶粒越粗大，晶界越少；②840℃燒結(jié)后鍍層分層最明顯，白亮層厚度約為3.52μm，擴(kuò)散層厚度約3.35μm；920℃燒結(jié)后鍍層分層減弱，白亮層厚度約為4.98μm，擴(kuò)散層厚度約為1.20μm；③鍍后燒結(jié)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(jié)后的-450mv、-410mv。