热处理对高磷化学镀镍层内应力和结合力会产生什么样的影响，今天我给大家整理了一篇关于这方面的研究讨论，通过采用X射线衍射测量法对高磷化学镀镍层内应力进行了测量，以及采用热振法研究了镀层与基体的结合力。我们不妨进来详细的了解一下。

0前言

化学镀镍层相对于电镀镍层具有镀层质量高， 均镀能力好， 且可以通过改变温度、槽液组成和pH获得不同性能的镀层， 因此化学镀镍得到了广泛的商业应用［１］。 镀层内应力不仅存在于电镀镍层中， 化学镀镍层也存在内应力， 内应力产生有两方面的原因， 一方面是化学镀镍层与基体材料的热膨胀系数不同。 热膨胀系数大的一方产生压应力， 而热膨胀系数小的一方产生拉应力。 另一方面是在镀覆过程中产生的。 最初沉积的化学镀镍层通常是岛状的分散粒子， 粒子的形成、连接以及后来的扩展使得镀层增厚。 当这些粒子在新粒子填充前被表面应力拉到一起时就形成了拉应力。 当表面层进行热处理时， 会发生原子重排而改变原子间距， 从而改变镀层内应力［２］。 目前研究镀层内应力的方法主要是薄片弯曲法［ ３，４ ］， 本文采用X射线衍射测量法对高磷化学镀镍层内应力进行了测量， 研究了镀态和热处理后镀层的内应力变化规律。 同时采用热振法研究了镀层与基体的结合力。

1试验

1. 1前处理

试验中的试片为直径50mm， 厚度0. 03mm的圆片。 对试片的前处理流程如图1。

1. 2镀液成分及工艺条件

试验中所用镀液为Rohm and Haas的商业高磷化学镀镍溶液EN - HP 11。 工艺规范如下表1。

图1化学镀镍前处理流程

1. 3镀层内应力测定

不仅电镀镍层存在内应力， 化学镀镍层也存在内应力， 其内应力也是在镀覆过程中产生的， 表现为拉应力和压应力两种形式。 化学镀结束后， 应力也不会消失， 因此也称为残余应力。 X射线衍射测量内应力的基本原理是:当试样中存在残余应力时， 晶面间距将发生变化， 发生布拉格衍射时， 产生的衍射峰也将随之移动， 而且移动距离的大小与应力大小相关。 用波长 λ 的X射线， 先后数次以不同的入射角照射到试样上， 测出相应的衍射角2θ， 求出2θ 对sin2ψ 的斜率M， 便可算出应力 σ。

衍射仪测量残余应力的实验方法:使用衍射仪测量应力时， 试样与探测器 θ - 2θ 关系联动， 属于固定 ψ 法。 通常 ψ = 0°、15°、30°、45°测量数次。 当 ψ = 0时， 与常规使用衍射仪的方法一样， 将探测器 (记数管) 放在理论算出的衍射角2θ 处， 此时入射线及衍射线相对于样品表面法线呈对称放射配置。 然后使试样与探测器按 θ - 2θ 联动。 在2θ 处附近扫描得出指定的HKL衍射线的图谱。 当 ψ≠0时， 将衍射仪测角台的 θ - 2θ 联动分开。 使样品顺时针转过一个规定的 ψ 角后， 而探测器仍处于0。 然后联上 θ - 2θ 联动装置在2θ 处附近进行扫描， 得出同一条HKL衍射线的图谱。 最后， 作2θ - sin2ψ 的关系曲线， 最后按应力表达 σ = K·Δ2θ/ Δsin2ψ = K·M求出应力值。 其中K是只与材料本质、选定衍射面HKL有关的常数， 当测量的样品是同一种材料， 而且选定的衍射面指数相同时， K为定值， 称为应力系数。 M是 (2θ) - sin2ψ 直线的斜率， 对同一衍射面HKL， 选择一组 ψ 值 (0°、15°、30°、45°) ， 测量相应的 (2θ) ， 以 (2θ) - sin2ψ 作图， 并以最小二乘法求得斜率M， 就可计算出应力。 由于K<0， 所以， M<0时， 为拉应力， m>0时为压应力， 而M = 0时无应力存在。

1. 4镀层结合力测定

按照拉脱法和GB 12305. 5 - 1990规定的热振法进行结合力测试。

2结果及讨论

2. 1热处理对镀层内应力的影晌

镀层收缩产生的内应力称拉应力;镀层伸长产生的内应力称为压应力。 内应力对镀层的性质有一定影响。 较大的拉应力有时会使镀层产生裂纹， 严重时会使镀层脱皮;而没有应力或稍有压应力的镀层， 将不易产生镀层起皮现象。 但是， 过大的压应力在镀层与基体结合力较差时， 可能发生起泡现象。 过大的拉应力或压应力， 都会使镀层脆性增加。 图1为高磷化学镀镍层的晶面 (311) 晶面衍射谱， 由图1可知高磷化学镀镍层含晶态和非晶态组织。 图2为 (2θ) - sin2ψ 的关系曲线， 由曲线计算出镀层内应力为压应力。

镀层内应力的变化与其组织结构的转变是密切相关的。 当镀层进行热处理时， 会发生原子重排和大量Ni３P弥散粒子的析出， 镀层内应力也会随之改变。

图3为镀层内应力随热处理温度的变化的关系曲线。 化学镍镀层经200℃ 热处理1h后， 镀层应力明显减小， 这是因为200℃热处理有利于镀层中氢的去除， 因此200℃ 可明显改善镀层的性能 (脆性及耐蚀性) 。 300℃ ~ 400℃ 热处理后， 镀层应力明显升高， 这是由于镀层发生组织转变， 析出大量Ni３P， 体积发生收缩而形成很高内应力。 随着热处理温度升高， 镀层产生再结晶、晶粒长大， 塑性、韧性改善， 而且这时镀层和基体之间发生互扩散， 在界面处形成扩散层， 这些因素有助于镀层耐腐蚀性的提高。

2. 2热处理对镀层结合力的影响

镀层与基体材料的结合力是衡量镀件质量的重要指标之一， 它表示的是镀层与基体金属之间的结合强度， 是镀层重要机械性能之一。 理论分析认为， 经过热处理后， 化学镍镀层与基体间的扩散层会使得它们之间的结合力增强。 为此， 对经过不同温度热处理1h后的化学镀高磷镍试片按照拉脱法和GB 12305. 5 - 1990规定的热振法进行结合力测试， 结果如表2。

图1高磷化学镀镍 (311) 晶面衍射谱

图2 (2θ) - sin2ψ 线性曲线

从上表可以看出， 无论是否进行热处理， 化学镀镍层与金属基体间的结合强度均满足国标规定的热振要求。目前我单位的拉脱机最大拉力为70MPa， 试验证明70MPa的拉力不能使镀层与基体分离， 因此镀层与基体之间的结合力应大于70MPa， 理论上化学镀镍层与金属基体间的结合力应在200-300MPa之间。

3结论(1) 高磷化学镀镍层内应力为压应力。 经过200℃ × 1 h的热处理， 镀层发生回复， 内应力减小;随着热处理温度进一步升高， 镀层晶化导致晶体缺陷增加和Ni３P不断析出引起的体积收缩， 镀层的内应力增大。(2) 高磷化学镀镍层与铜基体结合力良好， 无论是否进行热处理， 化学镀镍层与铜基体间的结合强度均满足国标规定的热振要求。

参考文献 [1] Jothi Sudagar， Jianshe Lian， Wei Sha.Electroless nickel， alloy， composite and nano coatings–A critical review[J].Journal of Alloys and Compounds， 2013， 571:183~204.

姜晓霞， 沈伟.化学镀理论及实践[M].北京:国防工业出版社， 2000.

[3]Zhong Chen， Xiaoda Xu， Chee C.Wong， Subodh Mhaisalkar.Effect of plating parameters on the intrinsic stress in electroless nickelPlating[J].Surface and Coatings Technology， 2003， 167:170~176.

[4]王显彬， 谢华.化学镀Ni-P合金镀层内应力的研究[J].电镀与环保， 2006， 26 (3) :25~27.

本文转载自： 唐作琴  胡素荣  中国工程物理研究院机械制造工艺研究所