热处理对化学镀镍基合金镀层性能的影响研究进展

王明清

(北京信息职业技术学院, 北京　100070)



热处理对化学镀镍基合金镀层性能的影响研究进展

王明清

(北京信息职业技术学院, 北京100070)

化学镀镍是表面处理领域发展最快和应用广泛的镀覆技术之一。以热处理对化学镀镍-磷二元合金镀层及化学镀镍基多元合金镀层的影响为主题，对相关研究进行了综述。热处理通过改变化学镀镍基合金镀层的形貌状况、组织结构和成分，进而改善其性能，促使综合性能更优。表明适度热处理同样是提高化学镀镍基合金镀层性能的有效途径。

热处理； 化学镀镍基合金镀层； 非晶态； 性能

引　言

化学镀是在无电流作用下，借助还原剂在溶液中发生氧化还原反应，从而使金属离子沉积在自催化表面的一种镀覆方法。化学镀镍的研究已有170年的历史，已成为目前表面处理领域中发展最快的技术之一。化学镀镍-磷合金镀层的应用最为广泛。已开展的关于化学镀镍基合金镀层热处理的研究，系统考察热处理时间和热处理温度对化学镀镍基合金镀层性能的影响表明，通过热处理可以改变化学镀镍基合金镀层的组织结构，促使镀层综合性能更优。本文拟对此进行综述。

1　热处理对化学镀镍基二元合金镀层性能的影响

化学镀镍-磷合金镀层的厚度均匀，与基体结合力强，并且兼具优良的物化性能和力学性能，在众多领域中有着应用体现[1-2]。镍-磷合金镀层通常充当功能层，用以改善被镀覆基体的表面硬度、耐磨性能和耐蚀性能。非晶体层状结构，赋予化学镀镍-磷合金镀层优良的性能，但同时也造就其性能稳定性欠佳的特点。研究表明，通过适度热处理，可以促使化学镀镍基二元合金镀层的性能更优。已开展的有关热处理对化学镀镍基二元合金镀层性能影响的研究，以化学镀Ni-P合金和Ni-B合金镀层作为研究对象居多。

适度热处理能够弥补化学镀Ni-P合金镀层易发生点蚀的缺陷，解决化学镀Ni-P合金镀层与被镀覆基体结合强度不理想、局部易脱落的问题。张红娟等[3]以铝合金表面化学镀Ni-P合金镀层作为研究对象，通过对比实验考察了热处理温度和热处理时间对化学镀Ni-P合金镀层结合力与耐蚀性能的影响。结果表明，经θ为150℃、t为1.5h，化学镀Ni-P合金镀层与铝合金表面的结合强度最高；经θ为150℃、t为1h保温热处理后，化学镀Ni-P合金镀层的耐蚀性能最优，表面点蚀程度轻微。王赫男等[4]以1420铝锂合金表面化学镀Ni-P合金镀层作为研究对象，重点考察了460℃固溶处理、160℃时效处理和固溶+时效组合处理不同热处理工艺对化学镀Ni-P合金镀层耐蚀性能的影响。结果表明，经固溶+时效组合处理的化学镀Ni-P合金镀层耐蚀性能最优。贺忠臣等[5]通过实验研究同样得到通过适度热处理可以促使化学镀Ni-P合金镀层耐蚀性能更优的结论。实验表明，在T为673K条件下经60min保温热处理后，化学镀Ni-P合金镀层的耐蚀性能最优。分析认为，适度热处理促使化学镀Ni-P合金镀层从非晶相亚稳态转变成稳定的晶态，组织结构得以强化是其性能更优的原因所在。

王文昌等[6]在恒温350℃条件下对比考察了热处理时间对化学镀Ni-P合金镀层硬度和耐磨性能的影响。结果表明，随着热处理时间延长，化学镀Ni-P合金镀层的硬度先增大后减小，而耐磨性能未呈现明显改观；在350℃条件下，经60min热处理，化学镀Ni-P合金镀层的硬度达到最高，接近690HV，耐磨性能同样达到最优，磨损机制表现为磨粒磨损。樊国福等[7]在恒温300、400、500和600℃条件下分别考察了热处理时间对化学镀Ni-P合金镀层组织结构、成分和硬度的影响。通过分析测试表明：不论在300、400℃抑或在500、600℃恒温条件下，热处理时间对化学镀Ni-P合金镀层的组织结构和成分均有较明显的影响。随着热处理时间延长，化学镀Ni-P合金镀层由非晶态层状组织转变为晶态组织，层状界限消失，晶粒细化且聚集生长；成分有所改变，析出Ni3P相、Ni晶体和亚稳相。化学镀Ni-P合金镀层的硬度呈先增大后减小的变化趋势，高温条件下短时间热处理的方式，对于提高化学镀Ni-P合金镀层的硬度效果显著。

范洪富等[8]和方其先等[9]在保温时间相同(均为1h)的条件下对比研究了热处理温度对化学镀Ni-P合金镀层耐磨性能的影响。前者的研究结果表明，化学镀Ni-P合金镀层的耐磨性能随着热处理温度的升高(250～600℃)呈先增强后削弱的趋势，对应的磨损量先降低后升高；经400℃、1h保温热处理后，化学镀Ni-P合金镀层的磨损量最低，为15.6mg，反衬出耐磨性能最优。分析认为，晶态结构的转变以及硬度的提高是化学镀Ni-P合金镀层耐磨性能增强的原因。后者的研究结果表明，化学镀Ni-P合金镀层的耐磨性能随着热处理温度的升高(200～600℃)渐增强。以磨损质量作为评价指标，表现为磨损质量递减。通过分析推断，硬度并非化学镀Ni-P合金镀层耐磨性能的决定性因素，而晶态结构的转变有助于改善化学镀Ni-P合金镀层的耐磨性能。

同样在保温时间相同的条件下，李雪松等[10]和宋玉强等[11]均对比研究了热处理温度对化学镀Ni-P合金镀层耐蚀性能的影响。前者的研究结果表明，热处理温度通过影响化学镀Ni-P合金镀层的组织结构进而影响其耐蚀性能。随着热处理温度升高(200～400℃)，化学镀Ni-P合金镀层的耐蚀性能变差，对应的腐蚀速率加快。后者的研究结果表明，热处理温度越高，化学镀Ni-P合金镀层表现出的耐蚀性能越好，腐蚀质量损失最低。热处理θ为750℃时，化学镀Ni-P合金镀层的腐蚀损失低于0.005g。宋玉强等还通过观察热处理后化学镀Ni-P合金镀层的断面形貌和组织结构，对经750℃高温热处理的化学镀Ni-P合金镀层耐蚀性能较好的原因作出解释。归纳为，经高温热处理，化学镀Ni-P合金镀层的晶态组织转变，晶粒聚集生长以致晶界面积缩减，与腐蚀介质的接触面积减小；加之表面形成致密氧化膜层，对腐蚀介质形成隔离效果，阻碍渗透腐蚀进程。

表面化学镀Ni-P合金的紫铜材质零件和器件在机械和电子等领域中的应用前景广阔，对其而言，表面化学镀Ni-P合金镀层的硬度、耐磨性能等物理机械性能是决定应用寿命的关键因素。提高化学镀Ni-P合金镀层的物理机械性能，除了通过优化化学镀工艺参数条件之外，进行适度热处理同样是有效途径。王敏等[12]的研究证实，适度热处理能够提高紫铜表面化学镀Ni-P合金镀层的硬度和耐磨性能。通过对比实验考察了热处理温度对紫铜表面化学镀Ni-P合金镀层硬度和耐磨性能的影响。结果表明，经θ为500℃、1h保温热处理后，紫铜表面化学镀Ni-P合金镀层的硬度最高，达1284HV；耐磨性能同样最优，磨损量仅为2.6mg。通过观察微观结构的变化过程并结合理论分析，将紫铜表面化学镀Ni-P合金镀层物理机械性能的提高原因归结为晶态的改变以及新相的形成。蔡定滨[13]的研究表明，适度热处理促使化学镀Ni-P合金镀层的晶态组织发生变化，故而化学镀Ni-P合金镀层的硬度得以提高，耐磨性能和耐蚀性能等均得以改善。应用证实，表面化学镀Ni-P合金镀层的压缩机承载零件经过适度热处理，耐蚀、耐磨和抗咬合等性能指标均符合要求；表面化学镀Ni-P合金镀层的压缩机壳体零件的耐蚀性能也同样达到预期。

以其它类型化学镀镍基二元合金镀层作为研究对象，研究热处理对其性能的影响，文献相对较少。宣天鹏等[14]采用单因素实验法，以磨损量作为评价指标，对比研究了热处理温度和热处理时间对化学镀Ni-B合金镀层耐磨性的影响，并相应分析了热处理温度和热处理时间的影响机理。结果表明，化学镀Ni-B合金镀层的耐磨性随着热处理温度升高逐渐增强，而随着热处理时间延长逐渐削弱。通过观察经过不同温度和时间热处理的化学镀Ni-B合金镀层磨损前后的形貌，并结合化学镀Ni-B合金镀层的硬度测试结果，分析得出，硬度和韧性是制约化学镀Ni-B合金镀层耐磨性的关键因素。除此之外，Gorbunova等[15]和饶群力等[16]研究了热处理温度对化学镀Ni-B合金镀层硬度的影响，得出相近的结论。热处理温度改变影响化学镀Ni-B合金镀层的成分和应力状态，进而影响其硬度。镀层中Ni3B和Ni2B等新成分的形成、内应力的释放以及氢元素的驱离，是化学镀Ni-B合金镀层硬度显著增大的主要原因。Saito等[17]还研究了热处理温度对化学镀Ni-B合金镀层磁性能的影响。结果表明，化学镀Ni-B合金镀层的磁性能随着热处理温度的升高发生改变，适度的热处理温度对于提高化学镀Ni-B合金镀层的磁性能效果明显，但过高的热处理温度可能造成化学镀Ni-B合金镀层的磁性能遭到破坏。

2　热处理对化学镀镍基三元合金镀层性能的影响

第三相元素的引入，赋予化学镀镍基三元合金镀层更为优良的综合性能。研究表明，适度热处理是在优化化学镀工艺参数条件之外，对于进一步提高化学镀镍基三元合金镀层的性能同样是有效的途径。

王天旭等[18]研究证实，对镀态化学镀Ni-W-P合金镀层进行适度热处理是提高其硬度和耐磨性能的有效途径。通过控制热处理时间和热处理温度，能够获得具备高硬度和优良耐磨性能的化学镀Ni-W-P合金镀层。王天旭等采用单因素实验法，对比考察了热处理温度对化学镀Ni-W-P合金镀层硬度和耐磨性能的影响规律。结果表明，随着热处理θ由200℃升至600℃，化学镀Ni-W-P合金镀层的硬度对应先减小后增大，最大值接近1000HV；耐磨性能则逐渐提高，磨损量最低仅为0.916mm3。马壮等[19]和余孝祖等[20]通过实验研究，得出相同的结论，即镀态化学镀Ni-W-P合金镀层经过适度热处理，耐磨性能更优。结合实验结果并参照相关理论分析认为，热处理促使镀态化学镀Ni-W-P合金镀层中的P原子扩散迁移，聚集形成晶化核心和新晶化相，引发结晶畸变，进而提高化学镀Ni-W-P合金镀层的耐磨性能。他们还通过实验证实，适度热处理同样是提高化学镀Ni-W-P合金镀层耐蚀性能的有效途径。前者采用浸泡腐蚀法，以单位面积的腐蚀质量损失作为评价指标，考察了热处理对化学镀Ni-W-P合金镀层耐蚀性能的影响。后者则采用腐蚀极化曲线测量法，通过测定腐蚀电流密度和腐蚀电位，考察了热处理温度对化学镀Ni-W-P合金镀层耐蚀性能的影响。经热处理的化学镀Ni-W-P合金镀层之所以表现出优良的耐蚀性能，归因于其致密的组织结构以及较低的孔隙率。

张刚等[21]和王鹏等[22]研究了热处理温度对化学镀Ni-Mo-P合金镀层耐蚀性能的影响。张刚等的结果显示，随着热处理温度升高，化学镀Ni-Mo-P合金镀层的耐蚀性能变差，自腐蚀电位正移，腐蚀速率加快。分析表明，热处理温度不能明显改善化学镀Ni-Mo-P合金镀层的耐蚀性能。热处理温度升高导致化学镀Ni-Mo-P合金镀层晶相的变化以及表面氧化膜的形成状态，进而影响化学镀Ni-Mo-P合金镀层的耐蚀性能。王鹏等的研究结果显示,热处理θ为300℃时，经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐蚀性能最差；热处理θ为600℃时，经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层在10%HCl溶液中的耐蚀性能最优。通过定量表征，经不同温度热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层的晶粒尺寸、晶化程度和结晶相的质量分数，王鹏等还探明经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层的组织结构与其耐蚀性能的内在关联。

张培彦等[23]研究了热处理温度和热处理时间对化学镀Ni-Mo-P合金镀层硬度的影响。吕媛媛等[24]研究了热处理温度对化学镀Ni-Mo-P合金镀层晶化组织特征、硬度和耐磨性能的影响。前者的研究结果显示，热处理温度和热处理时间对化学镀Ni-Mo-P合金镀层硬度的影响规律不同，热处理温度对化学镀Ni-Mo-P合金镀层硬度的影响程度相较热处理时间的影响程度更为明显，二者均存在最优值，在最优热处理温度和热处理时间条件下，经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层硬度接近1100HV。后者的研究结果显示，随着热处理θ由400℃升至800℃，化学镀Ni-Mo-P合金镀层的内层完全晶化，而外层的晶化进程相对缓慢，Ni-Mo固溶体逐渐形成。热处理θ为400℃时，经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层的硬度达到峰值，接近1000HV，但耐磨性能最差。热处理θ为600℃时，经热处理的化学镀Ni-Mo-P合金镀层的耐磨性能最优。通过观察，经不同温度热处理后化学镀Ni-Mo-P合金镀层表面磨损形貌。分析得出，高温热处理促使化学镀Ni-Mo-P合金镀层外层形成Ni-Mo固溶体，固溶体发挥减摩的作用，从而间接提高化学镀Ni-Mo-P合金镀层的耐磨性能。

除上述研究外，孟君等[25]、张雷等[26]和晋勇等[27]还分别研究了热处理温度对化学镀Ni-Zn-P合金镀层的组织结构、硬度和耐腐蚀性的影响，热处理温度对化学镀Ni-Fe-P合金镀层成分、硬度和耐蚀性能的影响，以及热处理温度对化学镀Ni-Cr-P合金镀层硬度和耐蚀性能的影响。他们通过单因素实验均得出热处理对化学镀Ni-Zn-P合金镀层、化学镀Ni-Fe-P合金镀层和化学镀Ni-Cr-P合金镀层相关性能的影响规律。

3　热处理对化学镀镍基四元合金镀层性能的影响

关于热处理对化学镀镍基四元合金镀层性能影响的研究较少，仅有为数不多的报道。

余祖孝等[28]采用单因素实验法，考察了热处理温度对化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层孔隙率、硬度、耐磨和耐蚀性能的影响。结果表明，随着热处理θ由200℃升至600℃，化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层的孔隙率逐渐降低，硬度先减小后增大，耐磨和耐蚀性能的变化规律相同，均为先增强后削弱。热处理θ为600℃时，化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层的孔隙率接近0，硬度接近900HV，耐磨和耐蚀性能均最差。热处理θ为400℃时，化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层的耐磨和耐蚀性能均最好。通过分析得出，热处理温度升高，引起化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层畸变，形成细致弥散的晶化相，进而改变化学镀Ni-W-Mo-P合金镀层的性能。张新超等[29]研究了热处理温度对化学镀Ni-Co-Fe-P合金镀层组织结构和成分的影响，借助X-射线能谱仪分析表明，随着热处理温度升高，化学镀Ni-Co-Fe-P合金镀层存在由非晶态向晶态转变的趋势，各向异性消失，质点间的平均距离增大，晶格畸变明显，并且形成FeNi3、Fe2P和Ni2P等新金属间化合物。

此外，Zhang等[30]研究了热处理温度对化学镀Ni-W-Cr-P四元合金镀层晶体结构、硬度和耐蚀性能的影响。结果表明，随着热处理温度升高，化学镀Ni-W-Cr-P四元合金镀层的晶体结构、硬度和耐蚀性能均有所改变。热处理θ为800℃时，化学镀Ni-W-Cr-P的硬度最高，接近1140HV，耐蚀性能同样最优。分析认为，晶态的改变、晶格畸变以及新晶相(如Ni17W3、NiCrFe)的形成是化学镀Ni-W-Cr-P合金镀层呈优良性能的原因所在。

4　结　语

以热处理对化学镀镍基二元合金镀层、三元合金镀层和四元合金镀层性能的影响为主题，国内外相关学者开展大量研究。通过对比考察热处理温度和热处理时间等工艺参数对化学镀镍基二元合金镀层及多元合金镀层性能的影响，并相应分析影响机理，得出结论：1)热处理可以改变化学镀镍基合金镀层的形貌状况、组织结构和成分，进而改善其性能，促使镀层综合性能更优。2)化学镀镍基合金镀层采取适当适度热处理方法是提高化学镀镍基合金镀层性能的有效途径。

[1]廖西平,夏洪均.化学镀镍技术及其工业应用[J].重庆工商大学学报:自然科学版,2009,26(4):399-402.

[2]吴玉程,魏纯金,洪钟.化学镀镍层的特性与应用前景[J].电镀与精饰,1992,14(2):20-24.

[3]张红娟,刘治虎.热处理对铝合金表面化学镀镍层性能的影响[J].热处理技术与装备,2014,35(3):38-41.

[4]王赫男,金雷,石继红.热处理对1420铝锂合金化学镀镍的影响[J].金属热处理,2006,31(5):36-38.

[5]贺忠臣,丁毅,秦铁男,等.热处理温度与6063铝合金化学镀镍层的耐蚀性[J].腐蚀与防护,2010,31(3):231-233.

[6]王文昌,张垒,孔德军,等.热处理时间对Ni-P镀层组织形貌和磨损的影响[J].建筑材料学报,2013,16(6):

[7]樊国福,翟金坤.钛上化学镀镍-磷层热处理后的硬度及组织结构[J].材料保护,1992,26(3):10-13.

[8]范洪富,闫红娟,张翼,等.热处理对钛基化学镀Ni-P镀层性能的影响[J].材料热处理学报,2008,29(4):153-156.

[9]方其先,张凤英.热处理对化学镀镍磷合金层结构和耐磨性的影响[J].热加工工艺,1998，(1):13-15.

[10]李雪松,王金波,杜立辉.热处理对化学镀Ni-P合金耐蚀性及晶体结构的影响[J].电镀与环保,2007,27(2):20-22.

[11]宋玉强,王引真,何艳玲.化学镀Ni-P镀层高温热处理后耐蚀性的研究[J].材料保护,2003,36(5):31-33.

[12]王敏,刘锦云,李文鹏,等.热处理对铜基化学镀镍层结构和性能的影响[J].西华大学学报(自然科学版),2014,33(3):29-32.

[13]蔡定滨.压缩机零件的化学镀镍基热处理工艺[J].国外金属热处理,1997，(S1):77-78.

[14]宣天鹏,邓宗刚,魏纯金.热处理对化学镀镍鹏合金层耐磨性的影响[J].表面技术,1989，(1):6-10.

[15]Gorbunova K M,Inanov M V,Moiseev V P.Elect roless deposition of nickel-boron alloys[J].J Electrochem Soc,1973,120(5):613-618.

[16]饶群力,王浩伟,周尧和.高硬度镍硼合金涂层的组织转变和性能[J].材料工程,2000，(6):30-33.

[17]Saito T.Electroless deposition of Ni-B,Co-B and Ni-Co-B alloy using dimethylamineborane as a reducing agent[J].App Electrochem,1998，(28):559-563.

[18]王天旭,蒙继龙,胡永俊.热处理对铝合金化学镀镍-钨-磷镀层组织性能的影响[J].机械工程材料,2008,32(1):27-30.

[19]马壮,刘艳梅,李智超,等.热处理对27SiMn钢化学镀Ni-W-P层组织与性能的影响[J].金属热处理,2011,36(5):58-61.

[20]余祖孝,郑德韬,郭洪,等.稳定剂及热处理对铝化学镀Ni-W-P合金的性能影响[J].轻合金加工技术,2014,42(11):64-68.

[21]张刚,陆柱.热处理对化学镀Ni-Mo-P合金耐蚀性能的影响极其机理[J].华东理工大学学报,1994,20(3):373-376.

[22]王朋,刘宏,吕媛媛,等.化学沉积Ni-Mo-P和Ni-P镀层退火晶化组织及耐蚀性[J].表面技术,2015,44(10):7-15.

[23]张培彦,余泽通,刘贯军.化学镀Ni-Mo-P镀层热处理工艺优化研究[J].南方金属,2015，(2):8-10.

[24]吕媛媛,刘宏,王朋,等.化学镀Ni-Mo-P/Ni-P梯度合金镀层退火晶化及磨损机理[J].材料热处理学报,2016,37(1):209-216.

[25]孟君,苌清华,张淼.热处理对化学镀Ni-Zn-P合金性能的影响[J].南方金属,2013，(5):15-18.

[26]张雷,李春福,尤郭群.热处理温度对Ni-Fe-P化学镀层性能的影响[J].金属热处理,2014,39(1):106-109.

[27]晋勇,孙平,刘巧玲,等.热处理对不锈钢表面化学镀Ni-Cr-P合金镀层结构及性能的影响[J].材料热处理学报,2012,33(3):146-148.

[28]余祖孝,郝世雄,孙亚丽,等.热处理工艺对化学镀Ni-W-Mo-P四元合金性能的影响[J].热加工工艺,2008,37(22):52-55.

[29]张新超,杨文彬,周元林,等.涤纶织物表面化学镀Ni-Co-Fe-P合金的研究[J].功能材料,2009,40(10):1626-1628.

[30]Zhang Ling,Jin Yong.Effects of annealing temperature on the crystal structure and properties of electroless deposited Ni-W-Cr-P alloy coatings[J].Appl Surf Sci,2008,255(5):1686.

Research Progress on the Influence of Heat Treatment on the Properties of Electroless Nickel Based Alloy Coating

WANG Mingqing

(Beijing Information Technology College,Beijing 100070,China)

Electroless nickel plating is one of the fastest developing and most widely used technology in the field of surface treatment.Research progress on the influence of heat treatment on the properties of electroless nickel based binary and multicomponent alloy coating was reviewed in this paper.Heat treatment can change the morphology,microstructure and composition of the electroless nickel based alloy coating,thus improve its performance and get better comprehensive performance.Moderate heat treatment is also an effective way to improve the properties of electroless nickel based alloy coating.

heat treatment; electroless nickel based alloy coating; amorphous; property

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.10.007

2016-03-21

2016-04-24

TQ153.12

A