热处理对铜基化学镀镍层结构和性能的影响

(西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

紫铜具有极佳的导电性、导热性，易熔接，良好的抗蚀性和塑性加工等特点，被广泛地应用于石油、电子、仪表、机械等领域。其缺点是易产生机械损伤、耐磨性差等，故其应用受到了限制。为了改善紫铜的应用缺陷，可对其进行适当的表面处理，使其性能得到明显改善。化学镀镍镀层具有很好的耐磨性、抗剪切性、耐腐蚀性和较高的机械强度[1-4]，因而备受研究者的青睐。铜为非催化活性金属，不能直接进行化学镀，必须对其进行化学或电化学活化[5]。本文采用特殊工艺[6]在紫铜基体表面制备非晶态结构的化学镀镍镀层，并对镀层进行适当热处理，重点考察了热处理温度对镀层结构和性能的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料与施镀工艺

基材为35 mm×10 mm×6 mm的紫铜试样，使用金相砂纸对其逐次打磨。化学镀镍镀液配方：NiSO4·6H2O为30 g/L，NaH2PO2·H2O为20 g/L，C6H5Na3O7·2H2O为15 g/L，C4H6O4为5 g/L，CH3COONa为9.05 g/L，CH2(NH2)COOH为10 g/L。工艺条件：温度为88±2 ℃，pH值为4.0～4.5，装载比为1 dm2/L。工艺流程：丙酮超声清洗→冷水洗→碱性除油→温水洗(50～70 ℃)→冷水洗→酸性含锌活化液活化→冷水洗→化学镀镍→冷水洗→吹干→检测。所用水均为蒸馏水，碱液成分为碳酸钠、磷酸钠、硅酸钠、OP乳化剂，锌粉粒径不超过74 μm。

1.2 热处理工艺

将所得镀层在箱式高温烧结炉MF-1200C中进行热处理，温度分别为100 、200 、300 、400 、500、600 、700 、800 ℃，保温时间为1 h，空冷。

1.3 性能检测

采用OLYMPUS型倒置式金相显微镜测定镀层表面形貌。采用HVS-1000型显微硬度计测定镀层显微硬度，载荷0.098 N，加载时间20 s，取3～5个点测定数据的平均值。采用DX-2500型X射线衍射分析仪测定化学镀镍镀层的微观结构。采用MM-200 型磨损试验机测定镀层的耐磨性，摩擦配对副为硬度36 HRC的车轮钢。试验参数：试样磨损前后经无水乙醇清洗5 min，载荷为58.8 N，转速 200 r/min，干摩擦，磨损5 min后，采用失重法测定磨损量。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对镀层表面形貌的影响

图1为镀层在不同热处理温度下的表面形貌。可以看出：镀态镀层组织没有明显晶界，呈非晶态；经100 、 200 ℃热处理后的镀层组织基本没有影响，表面形貌仍如镀态时一样；经500 ℃热处理后的镀层组织可以看到特别明显的晶界。这表明随着热处理温度的升高，镀层表面形貌依次表现为非晶态→非晶态+晶态(微晶)→晶态。

(a)0

(b) 100 ℃

(c) 200 ℃

(d) 300 ℃

(e) 400 ℃

(f) 500 ℃

(g) 600 ℃

(h) 700 ℃

(i) 800 ℃

注：所有图表中“0”均表示试样不做任何热处理，即处于镀态。

2.2 热处理温度对镀层微观结构的影响

图2为紫铜化学镀镍层的X线衍射图谱。可以看出镀态时衍射峰为非晶态结构的典型特征馒头峰。镀层经300 ℃热处理后，衍射峰发生了变化，出现了Ni3P衍射峰，但衍射峰强度较弱，说明镀层开始晶化，但并未完全晶化。这证明经300 ℃热处理后镀层由非晶态结构向晶态结构发生转变。镀层经500 ℃热处理后，形成了大量与 Ni相共格的高硬质相 Ni3P ，产生了弥散强化，增加了镀层塑性变形的滑移阻力。经500 ℃热处理后，镀层为晶态结构，基本完成了晶化过程，表明热处理温度的升高会诱发基体与镀层生成化合物，从而影响镀层的性能。另外，紫铜基体与镀层间的扩散有助于提高镀层的结合力。经700 ℃热处理后，衍射峰变窄，与经500 ℃热处理后相比，镀层微观结构发生了晶粒长大和粗化现象。

(a) 0

(b) 300 ℃

(c) 500 ℃

(d) 700 ℃

2.3 热处理温度对镀层显微硬度的影响

紫铜的显微硬度为115 HV，镀态镀层的显微硬度则达到535 HV，说明紫铜表面化学镀镍后硬度明显提高，这样可以改善其表面的抗划伤能力。镀层经不同温度热处理后，镀层硬度见表 1，热处理温度与镀层显微硬度关系见图 3。从图3可以看出：当热处理温度在200 ℃以下时，随着温度的提高，镀层显微硬度没有多大变化；当热处理温度在200～500 ℃时，随着温度的升高，镀层显微硬度迅速提高，并且当温度到达500 ℃时，镀层显微硬度达到最高点1 284 HV；当热处理温度处于500～800 ℃时，随着温度的升高，镀层显微硬度反而减小。 实验表明，这与镀层微观结构变化有很大关系，经热处理后析出的Ni3P相既稳定又坚硬，且分布弥散，使镀层得到强化，进而使镀层的硬度得到提高，这就是典型的析出强化过程[7-8]。 由于镀层的硬化程度与析出相的弥散程度成正比，使得镀层经500 ℃热处理后的显微硬度达到最高。当热处理温度超过500 ℃后，镀层中Ni 相会再结晶长大，Ni3P 相也聚集粗化，弥散度减小，从而导致显微硬度降低。

表1 镀层显微硬度

图3 热处理温度与镀层显微硬度的关系

2.4 热处理温度对镀层耐磨性的影响

镀层经不同温度处理后，镀层磨损量见表 2，热处理温度与磨损量关系见图4。从图4可以看出：热处理温度处于300 ℃以下时，随着温度的升高，镀层磨损量缓慢下降；当热处理温度处于300～500 ℃之间时，随着温度的升高，镀层磨损量急剧减少，温度到达500 ℃时镀层磨损量达到最低点2.6 mg。这是由于热处理时化学镀镍层发生了晶化，显微硬度明显增加，导致耐磨性提高[9]。这表明合理的热处理温度有利于提高镀层的硬度和耐磨性，当热处理温度处于500～800 ℃之间时，随着温度的升高，镀层磨损量反而升高。

一般来讲，镀层显微硬度越高，耐磨性越好，但镀层耐磨性与显微硬度并非成正比。镀态镀层显微硬度低，摩擦因数较大，磨损体积大。随着热处理温度的上升，表层磷化物的析出，硬度上升，同时降低摩擦因数，镀层的延性增加，磨损体积减少[10]。

表2 镀层磨损量

图4 热处理温度与磨损量的关系

3 结论

1)随着热处理温度的升高，镀层微观结构依次表现为非晶态→非晶态+晶态(微晶)→晶态。

2)随着热处理温度的升高，镀层显微硬度出现先升高后降低的现象，经500 ℃热处理后镀层显微硬度达到最大值1 284 HV。

3)随着热处理温度的升高，镀层磨损量出现先减小后增大的现象，经500 ℃热处理后镀层耐磨性最好，磨损量为2.6 mg。

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