烧结工艺对瓦特镍镀层抗腐蚀性能的影响

郑少华，周光波，袁礼华，董旭坤，胡年孙，张胜南

（中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 400060）

光电金属外壳广泛应用于激光器、光通讯、汽车电子等有气密性要求的场合[1]，其一般制作工艺流程为：烧结——喷砂——清洗——电镀——清洗——烘干。在实际生产中为满足后部工序要求，需对镀镍后的光电金属外壳进行再次烧结，但再次烧结是否会给镀层的理化性能及外壳使用要求带来影响，该问题鲜有研究和关注，业内也未见该方面准确的数据可供参考[2-4]，本工作采用美国BTU公司生产的链式烧结炉，对4J29合金电镀瓦特镍后进行烧结，分析了烧结工艺对镀层形貌和抗腐蚀性能的影响。

1 试验

1.1 镀层制备

采用10mm×10mm×1mm的4J29合金片(YB/T 5231-2005定膨胀封接铁钴镍合金)，其化学成分见表1。具体工艺流程为：除油——酸洗——电镀瓦特镍——去离子水洗——烘干，镀液组成及工艺条件为：硫酸镍150～250g/L；硼酸30～50g/L；氯化镍30～50g/L；硫酸镁30～50g/L；镀液PH：4.0～4.5；温度40℃；施镀时间60min；电流密度：0.5A/dm2。

表1 4J29合金的主要化学成分 Wt.%

1.2 镀层烧结

烧结在TCA64-11-198E78B型链式烧结炉（美国BTU公司）中进行，整个热处理过程通N2保护，N2流量20L/min，分别在840℃和920℃下保温55min后随炉冷却至室温。

1.3 镀层结构表征

采用OLYMPUS公司STM6型显微镜观察镀层断面形貌，测量镀层厚度；采用FEI公司Inspect F50型场发射扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope)表征分析镀层显微形貌。

1.4 耐蚀性测试

采用上海辰华公司CHI 650E型电化学工作站测试样品的阳极极化曲线，电解池为标准三电极体系，样品为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片作对电极，测试液为3.5%NaCl溶液，测试温度25℃。极化曲线测试前，先进行开路电位Eocp扫描至电压稳定，然后在Eocp±250mV电势范围内进行测量，扫描速度5mV/s。

2 结果与讨论

2.1 镀层表面形貌

图1可知，沉积态晶界最多，晶粒最小，随烧结温度的升高，镀层晶粒逐渐长大，晶界明显减少，镀层的致密性并未发生明显改变，这说明高、低温烧结后，镀层的形变能力增强，硬度应是下降的[5]。

图1 不同烧结温度下的镀层表面SEM形貌

2.2 镀层金相

通过STM6型显微镜对镀层横截面进行观察，测量不同工艺下样品表面镀层厚度，每个试样测量3个不同位置，取平均值。结果表明，沉积态表面镀层较为均匀，平均厚度6.54μm；经840℃烧结后，镀层有所增厚，平均厚度约6.87μm；烧结温度达到920℃时，镀层厚度很不均匀，平均厚度约7.18μm。

从图2还可以看出，烧结工艺处理后的镀层厚度增加，但变得更加疏松了，除沉积态无扩散层外，经840℃和920℃烧结后，镍镀层均由外表面致密的白亮层和次表面疏松的扩散层构成[6]。沉积态的白亮层最为平整致密，平均厚度为5.36μm，扩散层厚度约为1.18μm；840℃烧结后，镀层白亮层开始减薄疏松，扩散层变厚，镀层中开始出现一些孔隙，此时白亮层厚度约为3.52μm，扩散层厚度约3.35μm；920℃高温烧结后，镀层中的孔隙增多，白亮层厚度约为4.98μm，扩散层厚度约为1.20μm，这可能是由于扩散层不断增厚变致密而导致金相腐蚀假象所致，且扩散层与基材之间的界面呈现锯齿状。造成白亮层疏松的原因可能是镀层中的镍原子经烧结后，通过热扩散向镀层及基体内部迁移渗透造成，在迁移渗透的过程中，白亮层原子配位数呈现减小趋势，晶格点阵间隙增多，反之扩散层原子配位数增大，排列越来越紧密。总体来看，烧结温度对镀镍层的结构影响比较明显，但并未明显改变镀层厚度。

图2 不同烧结温度下的镀层截面金相

2.3 耐蚀性测试

图3是样品在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。可以看出，随着镀后烧结温度的升高，极化曲线的自腐蚀电位不断上移，沉积态自腐蚀电位为-480mV，840℃烧结后的自腐蚀电位为-450mV，920℃烧结后的自腐蚀电位为-410mV，表明沉积态的腐蚀倾向最高，耐腐蚀性能最差，这应该是不同烧结温度导致镀镍层和基体金属间发生扩散形成金属间化合物，从而造成耐蚀性能的差异性。表2列出了3种工艺下的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度，可以看出，镀后烧结温度越高，自腐蚀电流密度越小，镀层经920℃烧结后的自腐蚀电流密度达到了0.24μA·cm-2，表现出了最佳的抗蚀性能。总体来看，烧结温度的改变对镍镀层的抗腐蚀性能虽有提升，但并不明显。

图3 不同烧结温度下的镀层极化曲线

表2 不同烧结温度下的镀层自腐蚀电位和自腐蚀电流密度

3 结论

①镀后烧结温度越高，镀层越厚，镀层晶粒越粗大，晶界越少；②840℃烧结后镀层分层最明显，白亮层厚度约为3.52μm，扩散层厚度约3.35μm；920℃烧结后镀层分层减弱，白亮层厚度约为4.98μm，扩散层厚度约为1.20μm；③镀后烧结温度越高，镀镍层自腐蚀电位越高，由原样的-480mv增长至840℃和920℃烧结后的-450mv、-410mv。