化學鍍Ni-P合金復合熱處理及其在模具表面處理上的應用
更新時間：2008-9-1 16:00:24 文章來源：互聯網 點擊：
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化學鍍；Ni-P合金；熱處理
摘 要：
化學鍍是近年來發展迅速的表面處理技術之一，憑借其鍍層均勻、耐腐蝕、耐摩擦且成本低等特點在眾多領域廣泛應用，但由于化學鍍后的鍍層為非晶態組織，且存在較大內應力，影響了鍍層的性能，使得化學鍍的應用受限。熱處理可以在很大程度上改變鍍層組織結構，正確的熱處理工藝往往可以消除應力、改善性能。本文介紹了采用化學鍍后復合正確的熱處理工藝來改善鍍層組織和性能的原理、工藝及其應用。
近年來，隨著科學技術的突飛猛進，新材料不斷問世，對材料的處理加工工藝要求也不斷提高，化學鍍Ni-P合金復合熱處理便是其中一種極具發展潛力的處理技術。化學鍍Ni-P合金復合熱處理是將熱處理工藝與化學鍍Ni-P合金處理技術相復合，以更大程度地挖掘材料潛力，使零件獲得單一工藝所無法達到的優良性能。這一發展方向是我國2010年以前發展和改進中國的熱處理工藝技術，縮小與先進國家熱處理水平差距的重要方向之一[1]。
1 化學鍍Ni-P合金及其基本原理
化學鍍方法是一種操作簡便，對設備要求不高，且適用于任何復雜形狀工件的處理技術，其中研究和應用最為廣泛的是化學鍍Ni-P合金。它具有較高的硬度、耐磨性、優異的耐腐蝕性和良好的釬焊性能，鍍層均勻、光潔度高，且鍍層與基體結合牢固。因此受到國內外廣泛的關注，并向許多應用領域延伸[2、3]。
化學鍍Ni-P合金的基本原理目前為大多數人接受的是原子氫態理論[4]，分為幾個步驟：
（1）鍍液在加熱時，通過次亞磷酸鹽在水溶液中脫氫，形成亞磷酸根，同時放出初生態原子氫，即：
（2）初生態的原子氫吸附催化金屬表面而使之活化，使鍍液中的鎳陽離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳，即：
（3）隨著次亞磷酸根的分解，還原成磷，即：
（4）鎳原子和磷原子共同沉積而形成Ni-P固溶體。
次亞磷酸鹽在催化劑作用下，可生成活性氫原子，它將鎳離子還原為金屬鎳，與此同時，活性氫原子還將次亞磷酸根還原生成單質磷，因而所得的鍍層為Ni-P合金固溶體。所沉積的鎳具有自催化作用，使氧化還原反應不斷進行，從而使Ni-P層不斷增厚，理論上，鍍層厚度與反應時間成正比。
從反應可知，伴隨反應產生活性氫原子吸附在催化劑表面上并有大量氫氣析出（副反應），故在鍍層中夾雜有氫，因此鍍層有較大的內應力和氫脆，鍍層表現出較大的脆性；另一方面，當含磷量較高時，鍍態組織形成非晶態[5]，更增加了鍍層的脆性，削弱了鍍層與基體的結合力。正是由于這些原因，才出現了化學鍍Ni-P合金和熱處理的復合處理技術。
2 鍍后熱處理強化原理
2.1 化學鍍Ni-P合金的鍍態組織及性能
據資料報道[2，6]，化學鍍Ni-P合金的鍍態組織為“菜花狀”或“胞狀”,鍍層厚度均勻。經XRD分析，含磷量較高的鍍層，其衍射峰為“山丘”狀彌散的對稱衍射峰，說明鍍態組織為典型的非晶態[7]。且其結構具有隨含磷量降低由非晶態 微晶 晶態轉變的趨勢[5]。鍍層內應力為拉應力[8]。
鍍層抗腐蝕性能較好，對除硝酸、三氯化鐵等少數幾種介質外的大部分腐蝕介質，如硫酸、鹽酸、氫氟酸、氫氧化鈉等，其抗腐蝕能力是1Cr18Ni9Ti不銹鋼的數倍。鍍層具有一定的硬度，為HV520-580，經熱處理后可大幅度提高。具有較好的潤滑和減摩性能，與鋼的摩擦系數（無潤滑條件下）為0.38，自身摩擦系數為0.05。化學鍍后工件表面基本上保持原光潔度，鍍件無需再加工，特別適合形狀復雜的零件。但由于非晶態合金的脆性，加上前述析氫反應所產生的氫氣和由此產生的夾雜，使鍍層內應力較大，并削弱了基體的結合力，綜合性能有待提高[3]。
2.2熱處理后組織結構的轉變
經常規熱處理，鍍層形貌未發生明顯變化，即使經過高溫熱處理后，在鍍層表面生成了厚度大約在10μm左右的一層氧化膜 [9]。XRD分析表明，熱處理后的鍍層相結構則發生了根本變化[2]，鍍層已從鍍態的非晶相轉變成晶態的結構，其中主要是晶態的Ni，還有少量第二相Ni3P存在。十分細小的Ni3P彌散分布在Ni基上。經分析晶面間距，實測的晶面間距較標準的偏大，說明第二相Ni3P析出時與母相Ni保持著共格關系，從而引起點陣畸變。共格畸變的產生阻礙了位錯的運動，從而使得熱處理后的鍍層得到強化。由原先的非晶態組織轉變成晶態復合相（Ni+Ni3P），硬度提高至HV920-1050，相應耐磨性也大幅度提高，穩定磨損階段延長，磨損量降低。
若繼續提高熱處理溫度，Ni3P相的數量將會逐漸增加，鎳中磷含量進一步下降，共格畸變更加嚴重，硬度持續上升。400℃×1h熱處理可達到1040HV的硬度，此后再提高熱處理溫度，共格關系破壞，彈性應力場松弛，Ni3P相粗化，硬度逐漸下降[7]，晶粒也將變得十分粗大[9]。
2.3 熱處理后應力狀態變化
鍍層內應力的變化與其組織結構的轉變是密切相關的。較低溫度的熱處理，如200℃×1h，鍍層的XRD衍射峰雖然沒有明顯晶化，但鍍層內部吸收的氣體溢出，并且鍍層結構可能有馳豫現象發生，而鍍層內的拉應力則一定程度上降低了[9]。溫度升高，鍍層開始晶化，到400℃左右晶化反應基本完成，引起鍍層的缺陷增加，Ni3P相的析出導致鍍層體積收縮，拉應力增大。到溫度升高至600℃左右時，晶粒發生長大，鍍層拉應力增大。
由于界面結合力和鍍層內應力的表征困難，對內應力和結合強度的研究大部分還停留在定性和半定量的研究上，這方面的文獻很少[10]。
2.4 熱處理對鍍層結合強度的影響
鍍層與基底間結合強度的變化主要與兩者間界面處的元素擴散有關。文獻［11］研究了鋼基Ni－P鍍層與鋼基底的擴散，化學鍍層與基底在鍍態主要靠物理結合，經過后續熱處理，鍍層與基體的擴散不斷加劇，鍍層與基底間形成較強的化學鍵合，從而大大提高了鋼基與化學鍍層之間的結合力。文獻［11］也指出，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬連續堅固的Ni－Fe擴散層，加強了鍍層與基體的結合。另外，鍍層和基體間的結合力還與兩者的晶格點陣類型有關。若兩者點陣類型相同，晶格常數接近，在界面處兩相易于形成共格關系，兩者的結合就牢固，否則就差[7]。此外，鎳磷合金鍍層與基體的結合力還要受到鍍層自身塑性的影響。鍍態下的鎳磷合金鍍層脆性很大，隨基體發生變形而開裂、起皮、剝落。經過熱處理，特別是高于晶化溫度的熱處理，能明顯提高鎳磷合金的塑性，從而改善鍍層與基體的結合力。
2.5熱處理對鍍層耐腐蝕性能的影響
化學鍍Ni－P合金是一種有效提高材料耐腐蝕性的方法[7]。眾多文獻顯示[12-13]，鍍層中含磷量較高且呈非晶態結構時，耐蝕性最好。同時，鍍層表明形貌對耐蝕性的影響也不可忽視。表面無缺陷，大小均勻、表面光滑的胞狀組織比大小不均勻、表明粗糙、凸凹明顯的胞狀組織耐蝕性好[6]。
進一步的研究表明，對于高磷鍍層，提高熱處理溫度，延長熱處理保溫時間[9]對鍍層耐蝕性具有相當大的影響。隨熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，高磷鍍層的耐蝕性先下降，在500℃熱處理時耐蝕性最差，然后耐蝕性逐漸增強，在750℃熱處理時耐蝕性最好。其原因主要有三個方面。鍍層經500℃熱處理，鍍層組織由非晶態向晶態轉變，出現晶界、相界等晶體缺陷；由于析出Ni3P，引起鍍層體積收縮而導致晶界增多，而且Ni3P相在500℃左右均勻彌散分布，使得鍍層基體相中磷含量降低，使鍍層電位負移且容易形成原電池，加劇腐蝕[14]；同時，Ni3P的析出使合金鍍層晶格尺寸發生了變化，造成應力集中。以上因素造成鍍層在500℃熱處理后的耐蝕性稍有降低。而在750℃高溫熱處理時，成為晶態組織的鍍層經高溫加熱、保溫，鍍層經歷聚集長大，晶界總面積減小，減小了腐蝕發生的可能性；其次鍍層在空氣中高溫退火時表明形成了一層致密的、較厚的氧化膜，阻止了腐蝕的進行；第三，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬的連續堅固的Ni－Fe擴散層[11]，加強了鍍層與基體的結合，使鍍層抗蝕性上升。
3化學鍍復合熱處理在模具表面處理上的應用
模具生產技術水平的高低，不僅是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，而且在很大程度上決定著這個國家產品質量、效益及新產品開發能力。我國模具的低水平問題早已是公認的事實。我國目前的模具開發制造水平比國際先進水平至少相差10年[15]。而如前述，化學鍍Ni-P合金有良好的耐磨、耐腐蝕和潤滑性能， 經熱處理后有較高的硬度（400℃保溫1h可達1100HV），鍍層與基體具有良好的結合力(工藝合理可達1200Mpa)，且鍍層均勻，對于盲孔、溝槽、螺紋等均可獲得均勻的鍍層[16]。而這些優點對于形狀復雜的模具成型部件，是非常適用的，所以這些年來，化學鍍在模具上的應用也日益廣泛。
3.1 化學鍍Ni-P合金在塑料模具上的應用
化學鍍Ni－P合金在塑料模具上的應用最早也最為廣泛[16-19]。目前已經在注塑模具、擠塑模、拉伸模等[16]模具上廣泛應用，取得了良好的應用效果。
高進等對塑料成型模具表面進行了化學鍍Ni-P實驗[20]，還與采用其他表面處理工藝的試樣進行了比較，結果表明化學鍍Ni－P合金鍍層除了有良好的表面硬度和耐磨性以外，鍍層還具有較好的強韌性且與基體結合良好。
高紅霞等在45鋼塑料模具表面進行了Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍工藝，實驗，得到自潤滑性和耐磨性優良的復合鍍層。
傅建等在45鋼調質態基體進行化學鍍試驗，取得了良好的效果[21]。Ni-P合金化學鍍對模具工作面強化方法成功地應用于成都某塑料廠分廠。根據用戶反饋的消息，Ni-P化學鍍對于提高模具使用壽命和工作面的光亮度很有幫助，而且還節省了費用。
那明君等采用化學鍍制模工藝來代替傳統的制模工藝[17]，不僅使材料費降低10％～50％，縮短了制模周期，減少了加工費用，而且經哈爾濱工藝標牌廠生產表明，該技術有推廣應用價值。
3.2 化學鍍Ni-P合金在壓鑄模具上的應用
壓鑄模具由于在高溫使用，并且有熔融狀態的金屬液體腐蝕、沖刷，所以工作條件苛刻，對模具表面的要求也更高。所以有些表面技術如：電鍍可以應用于其他模具，但對壓鑄模就不太適用了。
據報道[2]，1995年東風汽車集團化油器廠的銅合金壓鑄模具（3Cr2W8V），工作溫度為1000℃左右，采用化學鍍復合熱處理工藝強化后，平均使用壽命提高50％以上。
3.3化學鍍Ni-P合金在沖壓模具上的應用
陳鈺秋等采用化學鍍Ni－P-SiO2合金復合熱處理技術在冷作模具鋼GD鋼表面進行了實驗[22]，結果表明，鍍層經處理后，硬度明顯提高，為進一步工業應用提供了參考價值。
3.4化學鍍Ni-P合金在鑄造模具上的應用
鑄造模具因為使用溫度高，所以應用其上的表面技術也要經受較為苛刻的工作條件。
據報道[23]，黃石東貝集團鑄造公司的鋁合金鑄造模具，經過表面化
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