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1.王麗麗 1.管從勝 2.孫從征
(1.山東大學(xué)，化學(xué)與化工學(xué)院，山東濟(jì)南250061; 2.山東濰坊東方鋼管有限公司，山東濰坊261011)
摘要：以鋁合金為基體材料，采用堿性和酸性雙溶液體系化學(xué)鍍鎳一磷合金，研究了熱處理對鎳一磷合金鍍層結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度的影響。實驗結(jié)果表明:在250℃下熱處理5h，鍍層結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度顯著增加，鍍層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)120 MPa，顯微硬度達(dá)1 000 HV 。
關(guān)鍵詞：鋁合金;鎳一磷合金;化學(xué)鍍;結(jié)合強(qiáng)度;顯微硬度
中圖分類號：TQ153.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
引言
鋁合金具有密度小，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，比強(qiáng)度高和加工成型容易等優(yōu)點，但是鋁合金存在的耐蝕性和耐磨性差及焊接困難等缺點限制了在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。在鋁合金表面化學(xué)鍍一層鎳一磷合金，可以提高鋁合金的抗蝕性、耐磨性和裝飾性，而熱處理則可以提高鎳一磷合金鍍層的顯微硬度和與基體的結(jié)合強(qiáng)度等。雖然鋅為兩性金屬，但是在較低溫度的弱堿性溶液中預(yù)鍍鎳一磷合金，浸鋅層的溶解速度較慢，因此堿性預(yù)鍍鎳一磷合金可以有效防止浸鋅層在酸性溶液中溶解污染鍍液，從而提高酸性鍍液的穩(wěn)定性。本文以鋁合金為基體材料，采用堿性和酸性雙溶液體系化學(xué)鍍鎳一磷合金，并測試了熱處理溫度對鍍層結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度的影響。
1 實驗
1.1 鎳·磷合金鍍層制備
以鋁合金為基體材料，采用堿性和酸性雙溶液體系化學(xué)鍍鎳一磷合金?；瘜W(xué)鍍工藝流程為：鋁合金試樣→除油→水洗→酸蝕→水洗→浸鋅→堿性鍍鎳→水洗→酸性鍍鎳→水洗→性能測試?？刂茐A性化學(xué)預(yù)鍍鎳一磷合金厚度為0.5一1.5μm，酸性化學(xué)鍍鎳·磷合金厚度為30---50μm，鍍層中磷控制在11%一13%?；瘜W(xué)鍍?nèi)芤航M成和工藝參數(shù)分別示于表1，其中，絡(luò)合劑A為有機(jī)酸，復(fù)合絡(luò)合劑B為兩種有機(jī)酸的混合物，促進(jìn)劑為含鹵素的無機(jī)鹽類化合物，光亮劑為稀土元素化合物。
1.2 鍍層結(jié)合強(qiáng)度和硬度測試儀器
1)鍍層結(jié)合強(qiáng)度在圓柱形試樣上進(jìn)行施鍍，將鍍件用60號砂紙打磨，去除試樣側(cè)面的鍍層，以消除測試圓柱形試樣頂端鍍層與鋁合金基體結(jié)合力時側(cè)面和頂面鍍層拉力的影響。然后將頂面鍍層與輔助碼用強(qiáng)力型膠粘劑進(jìn)行連接，采用LYS-50000數(shù)字顯示拉壓力試驗機(jī)進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試。結(jié)合強(qiáng)度測試裝置示意圖示于圖1。
2) 鍍層顯微硬度
顯微硬度是一種壓人硬度，反映被測物體對抗另一硬物體壓人的能力，試驗采用HV S-1000型數(shù)顯顯微硬度計對鋁合金化學(xué)鍍片的顯微硬度進(jìn)行測量。
2 實驗結(jié)果與討論
2.1 鍍層的結(jié)合強(qiáng)度
取鋁合金棒試樣制備鎳一磷合金鍍層，控制鍍層厚度50μm左右。將試樣分別在150,200,250,300和350℃溫度下熱處理2h，然后分別測試鎳一磷合金鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，測試結(jié)果示于圖2。
由圖2可以看出:
1)熱處理溫度低于250℃時，鍍層結(jié)合強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而緩慢升高。這可能是因為鎳-磷合金鍍層仍為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，但是熱處理可以消除鎳·磷合金鍍層中殘留原子氫和松弛內(nèi)應(yīng)力，有利于提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
2) 熱處理溫度在250一300℃時，鍍層結(jié)合強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而下降，在300℃降到最低值。在化學(xué)鍍鎳一磷合金過程中，伴隨著氫氣析出，鍍層內(nèi)會產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力可以提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。熱處理可以降低鍍層的壓應(yīng)力，而且熱處理溫度越高，壓應(yīng)力降低越明顯。在250℃以上，鍍層的壓應(yīng)力降低速度大于原子氫和內(nèi)應(yīng)力降低速度，鍍層的結(jié)合力出現(xiàn)降低現(xiàn)象。
3) 熱處理溫度超過300℃時，鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度又隨溫度升高而增大。這是因為在300℃時，鍍層開始出現(xiàn)Ni3P，600℃以后鍍層完全轉(zhuǎn)化為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。此時，鍍層和基體之間的相互擴(kuò)散和共滲成為可能，出現(xiàn)新的結(jié)合方式，從而提高了鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。這種相互作用隨著溫度升高而增強(qiáng)，在600℃時超過了200 MPa。
由此可見，熱處理溫度應(yīng)低于250℃或高于400℃，最好在250℃以下進(jìn)行熱處理。
2.2 鍍層的硬度
2.2.1熱處理溫度對鍍層顯微硬度的影響
取鋁合金板制備鎳一磷合金鍍層，控制鍍層厚度50μm左右，分別在150,200 ,250 ,300和400℃溫度下熱處理2h，然后分別測試顯微硬度，測試結(jié)果示于圖3。
化學(xué)鍍鎳·磷合金鍍層的硬度與鍍層微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，由圖3可以看出:
1) 當(dāng)熱處理溫度低于300℃時，鍍層的硬度與鍍態(tài)相近。這是因為在300℃以下熱處理，可以消除鍍層中的原子氫，降低壓應(yīng)力和松弛力，但是鍍層的微觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，因此硬度與鍍態(tài)相當(dāng)。
2) 當(dāng)溫度超過300℃時，鍍層的硬度隨熱處理溫度的升高而明顯升高。這是因為熱處理溫度的升高，有Ni3P 等晶相出現(xiàn)，發(fā)生晶相轉(zhuǎn)化后，引起晶格畸變，畸變增加了鍍層的塑變抗力，從而提高了鍍層的硬度。熱處理溫度越高，鍍層的晶化越明顯，因此鍍層的硬度越高。
2.2.2熱處理時間對鍍層顯微硬度的影響
取鋁合金制備鎳一磷合金鍍層，控制鍍層厚度50μm左右?？刂茻崽幚頊囟葹?50℃，分別對鍍層熱處理1、2、3、4、5和6h，在空氣中自然冷卻，然后分別測試顯微硬度，測試結(jié)果示于圖4。
由圖4可以看出，隨著熱處理時間的延長，鍍層的硬度呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。當(dāng)熱處理時間小于2h時，由于熱處理溫度較低，鎳一磷合金鍍層的晶化不明顯，硬度變化也不大;當(dāng)時間超過2h時，鍍層的硬度隨熱處理時間延長而明顯增大，這說明熱處理時間越長，鍍層的晶化越明顯。當(dāng)熱處理時間超過5h，硬度的增加又趨于平緩，說明此時鍍層已經(jīng)由非晶態(tài)完全轉(zhuǎn)化為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
由此可見，在250℃溫度下，延長熱處理時間同樣可以獲得1 000 HV左右的顯微硬度，這對于鋁合金化學(xué)鍍鎳一磷合金非常重要。
3 結(jié)論
1) 熱處理有利于改善鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。溫度低于250℃時，鍍層結(jié)合強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而緩慢升高;250一300℃時，鍍層結(jié)合強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高明顯下降，在300℃達(dá)到最低值。當(dāng)溫度高于300℃時，鎳一磷合金鍍層的結(jié)合強(qiáng)度又隨處理溫度的升高而增大，600℃時鍍層的結(jié)合強(qiáng)度超過200 MPa。為改善鍍層結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)避開300℃，低于250℃或高于400℃，最好是低于250℃。
2) 熱處理有利于改善鍍層的顯微硬度。當(dāng)熱處理溫度低于300℃時，鍍層的硬度與鍍態(tài)相近。當(dāng)溫度超過300℃時，鍍層的硬度隨熱處理溫度的升高而明顯升高。另外，在250℃溫度下，通過延長熱處理時間同樣可以達(dá)到提高鍍層硬度的目的，熱處理5h顯微硬度超過1000 HV，這對于鋁合金化學(xué)鍍鎳·磷合金非常重要。
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