高强铝合金的化学镀镍镀层性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 4 5 高强铝合金的化学镀镍镀层性能研究 杨艳波，蔡刚毅，陈宇，吕广庶 北京理工大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 1 摘要对高强铝合金进行了化学镀镣，观察了镀层形貌，对镀后试样进行了不同温度的热处理以及耐热 性能试验，研究结果表明经该工艺处理后镀层胞状形貌明显，结构致密均匀，孔隙少，镀层光亮，结合力 好。4 0 0 ℃以下化学镀层的硬度随热处理温度的升高而增大，4 0 0 * 2 处理后，镀层与基体的界面元素扩散 现象明显。镀层在一定温度下具有保护铝基体的作用，尤其在瞬时高温的条件下镀层的保护作用更加 明显。 关键词高强铝合金；化学镀镍；组织；性能 中图分类号- T G l 7 4 ．4 ；T G l 4 6 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 1 0 0 4 5 0 4 S t u d yo nP r o p e r t i e so fE l e c t r o l e s sN i c k e lP l a t i n gC o a t i n g o nH i g h - S t r e n g t hA l u m i n u mA l l o y Y A N GY a n - b o ，C A IG a n g y i ，C H E NY u ，L VG u a n g - s h u S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t E l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n gw a st a k e no nh i g h s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y ，a n dt h em i c r o g r a p ho f c o a t i n gw a so b s e r v e da n dh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t yw a st e s t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tg o o da d h e s i o na n d s m o o t hN i - Pc o a t i n gw e r ea t t a i n e do nt h em a t r i x ；t h eh a r d n e s si n c r e a s e dw i t ht h er i s i n go fh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r ea n da t o md i f f u s i o nw a st a k e no b v i o u s l ya t4 0 0 ℃o nt h ei n t e r f a c e ；t h em a t r i xc a nb ew e l lp r o t e c t e db yc o a t i n gu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，e s p e c i a l l yo nt h ec o n d i t i o no fi n s t a n t a n e o u sh i g ht e m p e r a t u r e ． K e y w o r d s H i g h - s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y ；E l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g ；M i c r o s t r u c t u r e ；P r o p e r t i e s A l Z n - M g - C u 系铝合金属超高强变形铝合金， 有较高的比强度和比刚度，是航空、航天、兵器、交通 运输等行业最重要的结构材料之一[ 1 ] 。现代航空航 天工业的发展，对高强铝合金的耐热性能提出了更 高的要求。铝及其合金材料的熔点低、耐热性差、抗 磨损性能较低，且不像钢铁件那样，可用很多热处理 方法提高耐磨性，所以采用表面处理方法，提高铝表 面性能就成为一种理想的途径[ 2 ] 。铝合金代替钢件 后，实际应用中在高温状态或瞬时高温下易烧蚀破 坏，在铝合金表面进行化学镀镍是一种很好的表面 强化方法，它可使铝合金表面具有高的硬度、高的防 腐蚀性和高的耐磨性。化学镀镍工艺作为铝合金一 种重要的表面改性技术，能够弥补铝合金易腐蚀、不 耐磨、高温性能差等缺点。本文研究了高强铝合金 作者简介杨艳波 1 9 7 8 一 ，男，内蒙古赤峰人，硕士研究生． 化学镀后镀层形貌及镀后热处理对镀层性能的影 响，重点研究了镀层的耐热性能。 1实验方法和过程 1 ．1 实验过程 本试验采用试样为7 4 7 5 铝合金，加工试样尺寸 为1 6m m 1 6m m x lm m 。整个试验过程为下料 一清洗去油一前处理一化学镀镍一热处理～镀层形 貌观察一性能测试。 试样清洗除油后，首先在6 0 ～6 5 ℃的5 ％ N a O H 溶液中浸蚀0 ．5 ～1m i n ；冲洗后转入室温 H N 0 。H F 一3 1 体积比 混合液中浸蚀6 秒，冲 洗后采用文献[ 3 1 碱性预镀镍工艺。 将前处理后的试样采用酸性浴进行化学镀镍。 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 镀液主要成分为 g ／L 硫酸镍2 5 ～3 0 、次亚磷酸钠 2 4 ～2 8 、乙酸钠1 6 “ - 2 1 ，所用化学药品均为化学纯。 施镀时p H 调至4 ．4 ～4 ．6 ，温度为8 0 ～8 5 ℃，施镀 时间lh 。 1 ．2 镀层形貌观察与性能测试 将化学镀后的试样分别在1 3 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、 4 0 0 、5 0 0 ℃下进行1h 热处理。每个温度下取5 点测量 热处理后试样的显微硬度，取平均值。分析镀层硬度 随热处理时间的变化关系。观察未热处理化学镀试样 以及分别在2 0 0 、4 0 0 ℃下处理1h 的化学镀试样的镀层 与界面形貌及能谱成份分析，研究在不同热处理温度 下，镀层与界面原子间的扩散情况。 镀层形貌在S E M 扫描电镜下观察，采用锉刀 法，按G B 2 9 3 3 8 6 进行结合力测试，采用G B5 2 7 0 8 5 测试镀层的附着强度，本文采用的温度为 2 2 0 ℃。耐热性实验分别在7 0 0 、8 0 0 、9 0 0 ℃下保温1 r a i n 或者2m i n ，观察比较试样的破坏程度。 2 结果与分析 2 ．1 镀层形貌 图1 为镀层表面形貌及能谱图，如图可见，化学 镀后胞状形貌明显，结构致密均匀，孔隙少，镀层光 亮。从元素分析还可以看出，其中P 质量百分比占 6 ．1 6 ％，N i 占9 3 ．8 3 ％，表明镀层已经完全覆盖基 体，不存在漏镀现象。且镀层中的镍磷含量处于正 常范围内，不影响磷的沉积。 由魄蹇黑鬈警量警譬量t 擞竺鸶≥毒i ≥妄簇筠塞羹暑黧滁 窒翼堡曼要篙亍哩篓曼工艺黧竺詈 I 塞量兰苎磊；’裂荔荟赢品主蚕薹蔷薹’篙花≤釜’；≮； 警竺罂璧点 H 2 璺妻銎竺銎篓苎圭茎兰曼字微并蔷茹喜猫荟i 羞琵嵩i 。。裂磊蓉i 磊哥蔷 晶向晶态转变，形成高度弥撒的过饱和固溶体N i ⋯⋯⋯～⋯”一一～～。一一一一一一” 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期4 7 圣 魁 襄 硝 图3 镀层硬度与热处理温度的关系 F i g ．3 E f f e c to fh e a tt r e a t m e n to nh a r d n e s s o fp l a t i n gc o a t i n g 看出，从3 5 0 ℃到4 0 0 ℃时硬度上升最快，这也就说 明了在这个温度区间N i 。P 析出的程度和弥散度增 加较其它区间快。4 0 0 ℃热处理能够获得镀层的最 大硬度，热处理温度进一步提高，镀层的硬度下降， 这是因为晶粒的粗化，同时N i 。P 与N i 晶体共格关 系遭到破坏，点阵畸变引起的强化消失，导致硬度从 峰值降下来[ 6 7 ] 。 图4 为经2 0 0 ℃和4 0 0 ℃热处理1h 后镀层与 基体界面表面形貌及4 0 0 ℃时镀层能谱。能谱分析 结果表明在4 0 0 ℃热处理后镀层中出现了A l 元 素，表明镀层与铝基体发生了原子的长程扩散，A l 原子扩散进入到镀层中，镀层与基体界面的扩散而 形成扩散层，有利于提高结合强度。 图4 不同温度热处理后镀层与基体界面表面形貌及能谱分析 F i g ．4M i c r o g r a p h so fi n t e r f a c eb e t w e e nm a t r i xa n dp l a t i n gc o a t i n ga f t e r h e a tt r e a t m e n ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 2 ．4 镀层的耐热性能 在7 4 7 5 铝合金上进行化学镀处理后，其耐高温 能力得到改善，较好的保护了铝合金基体。镀层的 耐热性实验结果如图5 所示。 图5 不同温度和时间下耐热试验试样照片 F i g ．5 P h o t o so fs a m p l e su n d e rh e a t - r e s i s t a n tt r e a t m e n tw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt i m e 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年1 期 图5 a 表明，在7 0 0 ℃保温2r a i n 时，未处理的铝 合金试样变形严重，四角不同程度向上翘起，表面略 显粗糙；含有镀层的试样没有变形，表面仍比较光 滑，但颜色发黄，这是由于镀层中N i 被氧化的缘故。 图5 b 为8 0 0 ℃下保温2m i n 后的试样照片。三个试 样从左至右的顺序为未处理、侧面镀层磨掉、完全处 理试样。从图中可以看到，未处理的铝合金试样变 形更加严重，表面粗糙，凹凸不平，且试样圆孔上端 部分被熔断；侧面没有化学镀层的试样，试样四周翘 起，没有镀层的一侧发生弯曲；完全处理的试样光 滑，没有四角翘起的情况，但表面也存在凹凸不平的 现象。图5 c 为在9 0 0 ℃下保温2m i n 后的试样，未 处理的铝合金试样已经熔成了一团；处理过的试样 表面皱褶，翘起变形。9 0 0 ℃下保温1m i n 后的试样 照片如图5 d 所示，未处理的铝合金试样四角翘起， 表面粗糙，凹凸不平；经化学镀试样光滑，没有变形 等现象。 由此可见，在高温下，镀层对铝合金基体有保护 作用。在瞬时高温的条件下其保护作用更加明显。 3结论 1 采用先碱后酸活化再碱性预镀，然后再施以 化学镀镍，经该工艺处理后镀层覆盖均匀、胞状组织 明显，结构致密均匀，孔隙少，镀层光亮。镀层结合 力好； 2 镀后4 0 0 ℃热处理1h ，镀层与基体的界面 元素扩散现象明显。4 0 0 ℃以下化学镀层的硬度开 始随热处理温度的升高而增大，在3 5 0 。C 到4 0 0 ℃时 硬度上升最快，到4 0 0 。C 附近达到最大值，随后开始 下降； 3 镀层在一定温度下具有保护铝基体的作用， 且在瞬时高温的条件下镀层的保护作用将更加明 显。 参考文献 [ 1 ] 吴一雷，李永伟，强俊，等．超高强度铝合金的发展与应 用[ J ] ．航空材料学报，1 9 9 4 ，1 4 1 4 9 5 5 ． [ 2 ] 李松岩．镍磷非晶态合金化学镀在兵器上的应用前景 [ J ] ．弹箭技术，1 9 9 8 2 4 0 ． [ 3 ] 陈字，吕广庶，蔡刚毅．铝合金化学镀镍前处理工艺及镀 液稳定性研究[ J ] ．电镀与涂饰，2 6 6 1 8 2 1 ． [ 4 ] Y o n g - j u nH u ，T i a n - x uW a n g ．S t r u c t u r ea n dp h a s et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o ro fe l e c t r o l e s sN F W - Po na l u m i n i u m a l l o y [ J ] ．S u r f a c e ＆C o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，2 0 1 9 8 8 9 9 2 ． [ 5 ] 王天旭，蒙继龙．铝合金化学镀N i P 、N i W - P 组织及相 转变形为[ J ] ．材料热处理，2 0 0 6 1 8 4 1 4 4 ． [ 6 ] D e l a u n o i sF ，L i e n a r dP ．H e a tt r e a t m e n t sf o re l e c t r o l e s s n i c k e l - b o r o np l a t i n go na l u m i n u ma l l o y s E J ] ．S u r f a c ea n d C o a t i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，1 6 0 2 3 9 2 4 8 ． [ 7 ] 谢中维，郭薇．热处理对化学镀薄膜结合强度影响[ J ] ． 腐蚀科学与防护技术，1 9 9 9 5 1 6 5 1 6 7 ． 万方数据