對(duì)電鍍層內(nèi)應(yīng)力形成機(jī)理的研究

張昕

摘要：在電鍍過(guò)程中鍍層存在內(nèi)應(yīng)力是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，鍍層內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料性能有嚴(yán)重影響。有許多人致力于研究它的成因，但由于問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，至今還沒(méi)有形成完整的有關(guān)宏觀應(yīng)力起因的理論，本文提出了五種理論解釋金屬在沉積后產(chǎn)生宏觀應(yīng)力的現(xiàn)象，對(duì)鍍層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的形成機(jī)理進(jìn)行研究和探討。

關(guān)鍵詞：電鍍層 內(nèi)應(yīng)力 形成機(jī)理

0 引言

事實(shí)上很早就發(fā)現(xiàn)電鍍金屬中存在內(nèi)應(yīng)力，例如電鍍鎳層容易卷曲，電鍍鉻層中有裂紋。電鍍過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力影響鍍層及基體金屬材料的一系列物理、化學(xué)和力學(xué)性能，例如降低材料的耐蝕性和抗疲勞性能，影響鍍層的耐磨、硬度、導(dǎo)磁和導(dǎo)電性等。特別是近年來(lái)由于有機(jī)添加劑在電鍍中普遍采用，對(duì)鍍層應(yīng)力的控制與研究越來(lái)越受到重視。應(yīng)力對(duì)電解液種類、電解條件，特別是有機(jī)添加劑是敏感的，用鍍層應(yīng)力指標(biāo)可以控制添加劑在鍍液中的含量，檢驗(yàn)其中的雜質(zhì)和發(fā)現(xiàn)電沉積過(guò)程的故障。所以研究鍍層內(nèi)應(yīng)力的形成機(jī)理，從而獲取小應(yīng)力或無(wú)應(yīng)力鍍層具有重要意義。

1 鍍層內(nèi)應(yīng)力概述

與研究一般金屬材料所遇到的應(yīng)力一樣，電沉積金屬中也存在著按Ficher分類的第一類應(yīng)力（即宏觀應(yīng)力）、第二類應(yīng)力和第三類應(yīng)力（即微觀應(yīng)力）。研究鍍層的應(yīng)力主要指宏觀應(yīng)力，也稱為殘余應(yīng)力，宏觀應(yīng)力只分張應(yīng)力和壓應(yīng)力兩種。

2 形成鍍層內(nèi)應(yīng)力的機(jī)理

2.1 晶體的聚集理論。隨著沉積過(guò)程的不斷推進(jìn)，小的核心逐漸長(zhǎng)大，并且彼此相互連接，進(jìn)而在一定程度上聚集成一個(gè)大晶體，這時(shí)沉積物體積減小，表面能下降。晶粒邊界和其它缺陷隨著聚集過(guò)程的深入逐漸從沉積物中遷移出去，相當(dāng)于縮小了鍍層的體積，所以產(chǎn)生張應(yīng)力。從氣相沉積中觀察到的分散小核，大小在5■左右。這一理論很好解釋底材對(duì)鍍層應(yīng)力的影響，在外延的情況下，底材的晶粒越大，沉積物中產(chǎn)生的核心越少，因而聚集的程度越低，鍍層中產(chǎn)生的應(yīng)力就越小。

2.2 氫理論。氫理論解釋宏觀應(yīng)力可能是最簡(jiǎn)單的。這種理論認(rèn)為，在一定條件下，沉積層中所含的氫與金屬發(fā)生反應(yīng)形成氫化物，如果氫化物發(fā)生分解，那么產(chǎn)生的氫就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，使得沉積層的體積在一定程度上不斷縮小，相反，處于含氫層下面的基體以及其他的沉積層等卻沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)的收縮，這時(shí)鍍層便產(chǎn)生張應(yīng)力。氫化物發(fā)生分解產(chǎn)生的氫如果沒(méi)有逸出沉積層，而是向其位置擴(kuò)散，進(jìn)而形成氣囊，受高壓氣囊的影響和制約，進(jìn)一步導(dǎo)致沉積層發(fā)生膨脹，與上相反使鍍層產(chǎn)生壓應(yīng)力。某些現(xiàn)象已經(jīng)證明氫理論是可靠的。當(dāng)一個(gè)試樣的彎曲方向說(shuō)明沉積層中有張應(yīng)力時(shí)，可以通過(guò)充氫來(lái)校直它。

2.3 外來(lái)物變化理論。所謂外來(lái)物，通常情況下是指沉積金屬的水化物，以及有機(jī)物、機(jī)械夾雜等。在沉積層中，當(dāng)金屬水化物的全部或部分水從自鍍層中脫出時(shí)，在一定程度上導(dǎo)致鍍層體積減小，同時(shí)產(chǎn)生張應(yīng)力，夾雜到鍍層中水化物進(jìn)一步以脫水或脫氫的形式變化，引起鍍層的張應(yīng)力。金屬與存在于晶粒邊界的水起反應(yīng)形成氧化物使鍍層體積膨脹，鍍層顯示壓應(yīng)力。

在進(jìn)行電鍍時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到各種有機(jī)添加劑，隨著晶體的不斷成長(zhǎng)，以及雙電層界面逐漸向電解液方向移動(dòng)，場(chǎng)的作用逐漸減小直到停止。有機(jī)分子不再被約束在一定的方向上。受熱運(yùn)動(dòng)的影響和制約，在一定程度上導(dǎo)致分子排列發(fā)生混亂，使得鍍層的體積進(jìn)一步增加，同時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

2.4 過(guò)能量理論。對(duì)于過(guò)能量理論來(lái)說(shuō)，其主要的依據(jù)是：在高過(guò)電位下沉積金屬的同時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出高的宏觀應(yīng)力。宏觀應(yīng)力與過(guò)電位之間存在線性關(guān)系，對(duì)于承受彈性應(yīng)力的點(diǎn)陣來(lái)說(shuō)，貯存著一定的位能。某些研究者常假設(shè)高過(guò)電位相當(dāng)于沉積表面上的高溫，當(dāng)冷卻時(shí)沉積層的收縮使鍍層產(chǎn)生張應(yīng)力。由于電極與溶液的相界面上過(guò)渡電阻很高，電流通過(guò)電解池時(shí)，楞次-焦耳熱效應(yīng)十分顯著。該部分熱量又不易散發(fā)，溫度將是很高的。在雙電層中，電壓降很大，在放電和進(jìn)入晶格的瞬間，放電的金屬離子就會(huì)增加熱振動(dòng)的平均能量，進(jìn)而在一定程度上增大晶格常數(shù)。但有些事實(shí)是與過(guò)能量的理論相違背的，例如對(duì)于熱導(dǎo)性很好的金屬，不可能維持所假定的溫度。有些外來(lái)物值會(huì)改變過(guò)電位，但不產(chǎn)生應(yīng)力，或產(chǎn)生應(yīng)力而不改變過(guò)電位。對(duì)于壓應(yīng)力的生成等，該理論尚不能進(jìn)行解釋。

2.5 點(diǎn)陣缺陷理論。錯(cuò)配位錯(cuò)理論是由弗朗克等針對(duì)氣相沉積而提出的。鍍層和底材之間點(diǎn)陣尺寸的錯(cuò)配程度越大，則應(yīng)變能也越大。如果應(yīng)變能足夠大，則通過(guò)產(chǎn)生正號(hào)或負(fù)號(hào)的刃位錯(cuò)使總能量降低，即通過(guò)位錯(cuò)降低錯(cuò)配應(yīng)變能，達(dá)到一定的點(diǎn)陣錯(cuò)配位就會(huì)形成位錯(cuò)。當(dāng)沉積層與基體錯(cuò)配時(shí)，如果負(fù)號(hào)刃位錯(cuò)出現(xiàn)在沉積層中，也就是說(shuō)，在沉積層中缺少半原子面。在這種情況下，相對(duì)于基體來(lái)說(shuō)，沉積層體積出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，進(jìn)而在一定程度上導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生張應(yīng)力。

3 綜述

在沉積層中，位錯(cuò)作為高能量區(qū)，由位錯(cuò)組成晶體之間的區(qū)域，所以，可以將過(guò)能量理論認(rèn)為是位錯(cuò)理論和晶體聚集理論的推論。但是在某些情況下，可能是以一種理論為主，如在形成三維晶核的條件下，晶體的聚集理論是主要的，在大量析氫的沉積中，氫理論可能是主要的。在另一種情況下，又可能是幾種因素共同起作用。

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