鍍層材料接合性能影響因素分析*

張小兵，劉偉成

(湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 湘潭 411101)

鍍層材料接合性能影響因素分析*

張小兵，劉偉成

(湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 湘潭 411101)

鍍層材料由于其優(yōu)良的性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中鍍層接合強度是衡量鍍層質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，直接影響到鍍層材料的使用性能。根據(jù)鍍層制備的工藝，分析及歸納了鍍前處理、鍍中的工藝及鍍后處理3個階段對鍍層接合強度的影響，并提出了一些改善鍍層接合強度的方法。

鍍層材料；結(jié)合強度；影響因素

鍍層技術(shù)已成為材料表面性能改善的一個重要途徑[1-2]。在實際工程應(yīng)用中，鍍層可能會發(fā)生剝落、開裂等失效破壞現(xiàn)象，不僅影響外觀，而且還會惡化鍍層的防護(hù)性和抗蝕等性能。影響鍍層失效的原因可能有2個方面：一方面鍍層本身力學(xué)強度和韌性等參數(shù)達(dá)不到要求；另一方面，界面接合強度不強，產(chǎn)生界面脫落、裂紋等失效。界面接合性能越好，意味著在相同的載荷情況下，鍍層抵抗破壞的能力越強，從而延長了產(chǎn)品的使用壽命[3]。

伴隨著鍍層材料廣泛應(yīng)用在工業(yè)及民用、軍用領(lǐng)域，研究者對表征鍍層的一些重要指標(biāo)進(jìn)行了研究和探討[4-6]。良好的鍍層接合強度是保證鍍層材料各種使用性能如力學(xué)性能和物理性能等實現(xiàn)的前提。目前，界面接合強度已成為評價鍍層性能和質(zhì)量的重要指標(biāo)[7-8]。在研制及使用新的鍍層材料初始階段，如何保證鍍層接合強度已成為從事鍍層研究力學(xué)家及材料學(xué)家的首要工作。研究鍍層與基體緊密結(jié)合在一起，并保證表面鍍層的力學(xué)性能和功能作用，是未來表面改性技術(shù)的發(fā)展方向之一。

1 鍍層結(jié)合強度影響因素及改善方法

1.1 鍍前處理

基體表面質(zhì)量成為影響鍍層界面強度的一個敏感因素，鍍前通常要對基體的表面進(jìn)行預(yù)處理。目前，通常采用的預(yù)處理工藝包括表面凈化處理、粗化處理、活化處理和敏化處理等。凈化處理目的是去除基體表面的油污和氧化物等污物。粗化處理是通過提高基體表面粗糙度，增加鍍層與基體的接觸面積，從而有利于界面處產(chǎn)生各種物理和化學(xué)作用來提高接合強度[9]。在粗化處理時要注意基體表面粗糙度不能過大，粗糙表面的紋路本身就是裂紋源，會造成應(yīng)力集中。噴砂粗化成為主要的表面粗化處理，其他常用的粗化處理方法還有車螺紋、滾花、電拉毛和化學(xué)腐蝕法等。

表面凈化和粗化處理都會對基體造成腐蝕，其表面往往留有一層用水很難洗掉的殘渣類物質(zhì)，它們會降低鍍層金屬與基體金屬的接合強度。活化處理主要是去掉這層殘渣，同時生成一層金屬底層或轉(zhuǎn)化膜，以避免基體在鍍前重新氧化?；罨瘯r間必須充分，否則會造成鍍層接合不牢[10]。早期的酸洗和活化處理通常會對環(huán)境造成污染，比如鎂合金鍍鎳采用鉻酸酸洗和氫氟酸活化，鉻酸和氫氟酸有劇烈刺激性氣味，會對人體及環(huán)境產(chǎn)生較大影響。Lei等[11]在對鎂合金鍍鎳前期進(jìn)行了無鉻鉬酸鹽前處理，形成了一層較薄的Mg3(PO4)2和MgMoO4組成的保護(hù)膜，有效地改善了鍍鎳層的接合性能，而且環(huán)保。鄭臻等[12]研發(fā)了一種一步酸洗活化的前處理方法，金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，此方法在鎂基體與鍍層間生成的中間膜層非常薄，可有效改善鍍層與基體間的接合力，提高鍍層耐蝕性能。

基體與鍍層的表面能也會對接合強度產(chǎn)生影響。在鍍前，應(yīng)對表面能少的基體材料進(jìn)行鍍前處理。比如在對塑料鍍金屬時，由于塑料的表面能較少，金屬鍍層很難很好地覆蓋在塑料上。鑒于此，鍍前需要對塑料表面進(jìn)行離子輻照或化學(xué)活化處理，以提高表面能，改善結(jié)合強度。

1.2 鍍液與工藝

1)鍍液的性質(zhì)，包括成分含量以及附加鹽、PH值、添加劑(比如潤濕劑、表面活性劑和加速劑等)的含量等。在鍍液中加入一些其他元素有利于改變鍍層的性能，比如稀土元素的介入能夠提高鍍液的穩(wěn)定性，改善表面質(zhì)量，提高接合性能等，但稀土元素的濃度不宜過高，否則不但會降低沉積速率，還會使鍍層變得不均勻[13]。李春福等[14]在Ni-Fe-P合金鍍工藝中，通過在鍍液中加入微量MgSO4顆粒，明顯提高了鍍液的穩(wěn)定性，鍍層針孔率減少，制備出了接合性能更好的致密合金鍍層。由于復(fù)合鍍層相比單一成分的鍍層具有更優(yōu)良的性能，更能滿足社會的需求，復(fù)合鍍工藝的研究已成為表面改性研究的熱點問題之一[15-17]。

2)工藝及其參數(shù)，主要包括施鍍時間、溫度及移動和攪拌強度、方式等一些工藝的使用。在電鍍過程中，大多數(shù)鍍液的陰極反應(yīng)都伴隨著氫氣的析出。析出的氫原子一部分保留在基體或鍍層中，導(dǎo)致基體及鍍層的韌性降低、變脆，造成“氫脆”。穆海玲等[18]通過試驗研究了電流密度對鍍層接合強度的影響，表明在大電流沖擊下析氫反應(yīng)難以進(jìn)行，提高了鍍層的致密性和均勻性，改善了鍍層的接合性能，但大電流沖擊時間不宜過長，否則會造成鍍層“燒焦”現(xiàn)象。于永民等[19]認(rèn)為，電鍍中采用脈沖電源或雙脈沖電鍍電源相對于直流電流電源晶粒較為細(xì)小，有利于改善鍍層的接合性能。施鍍時間主要影響鍍層厚度，施鍍時間越長鍍層越厚，鍍層厚度與殘余應(yīng)力有著顯著關(guān)系。熊銀生等[20]認(rèn)為鍍層表面殘余應(yīng)力隨鍍層厚度的增加而減小，但鍍層太厚，鍍層孔隙減少，氫氣不易析出，容易產(chǎn)生起泡、脫皮失效，特別是當(dāng)鍍層厚度>20 μm時，情況更嚴(yán)重?？傮w來說，隨著鍍層厚度的增加，鍍層的接合強度降低[21]。

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)一些新技術(shù)和新工藝的采用能夠明顯地提高鍍層接合強度。在鍍層制備過程中加入超聲波，其提供的能量能夠提高化學(xué)反應(yīng)速度，且有機械效應(yīng)和熱效應(yīng)，已得到廣泛應(yīng)用[22-23]。清華大學(xué)馬俊等[24]在ZrO2鍍層的制備過程中發(fā)現(xiàn)，通過加入超聲激勵，明顯提高了接合強度，加入50 kHz超聲之后，拉伸接合強度提高了22.4%。F. Touyeras等[25]發(fā)現(xiàn)，化學(xué)鍍銅于非導(dǎo)體材料表面，加入超聲波激勵，鍍層殘余應(yīng)力下降比較明顯，接合力增加25%～ 30%。為了獲得表面平整、光滑和隙率小的Ni-P-SiC鍍層，王勇等[26]采用功率為200 W的超聲波并結(jié)合300 r/min機械攪拌，有效地提高了接合強度。除此以外，磁場在電鍍中也得到了廣泛的應(yīng)用。在電鍍過程中，由于磁場加入，產(chǎn)生的洛侖茲力及磁化力不僅能夠?qū)﹀円浩鸬綌嚢栊Ч?，使溶液更加均勻，而且還能夠增強物質(zhì)的傳輸，改善鍍層的形貌，提高結(jié)合性能[27]。磁場可分為垂直與平行磁場，牟世輝等[28]認(rèn)為采用平行磁場鍍層更細(xì)致均勻，結(jié)合性能更好。

1.3 鍍后處理

鍍后鍍層存在的殘余應(yīng)力使鍍層內(nèi)產(chǎn)生較大彈性能，當(dāng)彈性能達(dá)到一定值時，鍍層可能自動開裂、剝落，導(dǎo)致鍍層失效。胡愛萍等[29]采用劃痕試驗法測試了TiN鍍層的接合強度，建立了殘余應(yīng)力與接合強度的定性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在其他條件相同的前提下，鍍層殘余應(yīng)力越大，其接合強度越低。為了減小內(nèi)應(yīng)力，鍍后通常要進(jìn)行熱處理，其特別應(yīng)用在金屬基體上沉積金屬或合金薄膜。除此以外，熱處理工藝還有2個重要的作用：一方面可以促進(jìn)原子間的相互擴散，形成很厚的一層中間擴散層，以有利于鍍層與基體之間由原來的機械咬合轉(zhuǎn)化為金屬鍵的接合，從而提高接合強度，實際上熱處理后形成的擴散厚度與鍍層接合強度關(guān)系并不大，熱處理主要目的在于形成金屬鍵[30]；另一方面可以除去鍍中產(chǎn)生的氫氣，避免“氫脆”。

近年來，大量的研究者圍繞熱處理的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，當(dāng)選定某一溫度時，長時間熱處理可以充分地對鍍層和基體除氫，但加熱不宜過快，否則可能由于基體與鍍層材料熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生微裂紋。Markocsan等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在熱處理過程中鍍層界面處會形成一層薄的熱生長氧化物層，鍍層接合強度隨溫度的升高而升高。王麗麗等[32]認(rèn)為，鍍層接合強度與加熱溫度并不存在一定的規(guī)律，通過對鎳-磷合金鍍層進(jìn)行熱處理試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度<250 ℃或者>300 ℃時，接合強度隨熱處理溫度的升高而升高；但溫度處于250～300 ℃時，隨熱處理溫度的升高，鍍層接合強度下降。C. T. Dervos等[33]對鍍層材料采用真空熱處理方法，相對于普通熱處理，不僅獲得了更好的接合強度，而且熱處理時間明顯縮短。

1.4 其他影響因素

趙乃義等[34]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，具有一定曲率基體的試樣上的鍍層，其內(nèi)部形成的縱向裂紋尺寸與數(shù)目遠(yuǎn)大于平板試樣，且在曲率試樣上還存在一定數(shù)量的橫向裂紋的萌生，從而直觀地判定具有曲率試樣表面鍍層的界面接合強度低于平板試樣。郝愛民等[35]認(rèn)為基體中化學(xué)成分對接合強度產(chǎn)生了較大影響，在熱鍍鋅工藝中，鐵-鋅反應(yīng)隨鋼基體碳含量增加而加劇，鍍層變厚，從而導(dǎo)致鍍鋅層接合性能變差，基體中硅含量不宜超過0.04%，否則造成鍍鋅板表面形成一層氧化膜，黏附性能變差。

2 結(jié)語

隨著鍍層材料的廣泛應(yīng)用，研究人員從制備、性能及檢測技術(shù)方面展開了廣泛的研究，成功地解決了一些關(guān)鍵問題。通常鍍層材料要經(jīng)過多道工序才能得到所需的零部件形狀，鍍層與基體將產(chǎn)生多次塑性變形，由于鍍層與基體材料性能及零部件各部位加工變形量和變形方式等差異，可能造成鍍層材料的局部失效。鑒于此，研究者不僅要發(fā)現(xiàn)鍍層制備過程中影響鍍層接合強度的因素，尋求不同的方法來改善鍍層的接合力，而且還需要關(guān)注鍍層在加工中的接合強度的提高，通過改變鍍層加工中所涉及的工藝參數(shù)，從而提高鍍層的使用性能，摸索出相適用的工藝使接合強度得到新的提高。

[1] 段遠(yuǎn)富,高四,張偉. 納米碳孔金屬化直接電鍍技術(shù)[J].裝備環(huán)境工程，2013(1):114-117.

[2] 李明,李敏偉,馬英. 電鍍Cd層在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究[J].裝備環(huán)境工程，2013(1):33-37.

[3] 武良龍.金屬薄膜材料界面結(jié)合能的表征及界面失效分析[D]. 湘潭：湘潭大學(xué)，2013.

[4] Xia F F，Wu M H，Wang F，et al. Nanocomposite Ni-TiN coatings prepared by ultrasonic electrodeposition[J]. Current Applied Physics，2009，9：44-47.

[5] Xia F，Liu C，Ma C，et al. Preparation and corrosion behavior of electrodeposited Ni-TiN composite coatings[J]. Int Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2012，35：295-299.

[6] Ashassi-Sorkhabi H，Rafizadeh S H. Effect of coating time and heat treatment on structures and corrosion characteristics of electroless Ni-P alloy deposits[J]. Surface and Coatings Technology，2004，176：318-326.

[7] Zhang H, Li D Y. Determination of interfacial bonding strength using a cantilever bending method with in situ monitoring acoustic emission[J]. Surf Coat Technol, 2002, 155:190-194.

[8] Wu C W，Wu Z L，Zhang K，et al． Evaluation of film-substrate adhesion via impact using coated bullets[J]．Journal of Mechanics of Materials and Structures，2009，4(10) :1703-1709.

[9] 楊暉，潘少明. 基體表面粗糙度對涂層結(jié)合強度的影響[J]．熱加工工藝，2008，37(15):118-121.

[10] Fairweather W A.Electroless-nickel plating of magnesium[J].Trans. Inst. Met. Finish., 1997, 75(3):113.

[11] Lei X P, Yu G, Gao X L, et al. A study of chromium-free pickling process before electroless Ni-P plating on magnesium alloys[J]. Surf. Coat. Technol., 2011, 205(16):405.

[12] 鄭臻,余新泉,孫揚善,等.環(huán)保型鎂合金化學(xué)鍍鎳工藝研究[J]．材料保護(hù)，2006，39(8):22-25.

[13] Yan M，Ying H G，Ma T Y． Effects of Yb3+on the corrosion resistance and deposition rate of electroless Ni-P deposits[J]．Applied Surface Science，2008，255 (5):2176-2179．

[14] 李春福，王斌，代家林,等. Ni-Fe-P化學(xué)鍍層結(jié)構(gòu)及抗CO2腐蝕性能研究[J]．表面技術(shù)，2004，33(3):19-21.

[15] 何旭，付傳起，王宙. 稀土鈰對化學(xué)鍍復(fù)合鍍Ni-P-PTFE鍍層耐蝕性能的影響[J].表面技術(shù)，2013，42(2):23-25.

[16] 王金東, 谷碩，夏法鋒. Cu-SiC復(fù)合鍍層制備工藝及表征研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2012，35(6)：11-13.

[17] 楊小奎, 張濤, 張世艷. 環(huán)氧富鋅涂層對AZ91D鎂合金的腐蝕防護(hù)能力研究[J]. 裝備環(huán)境工程，2014(1):18-23.

[18] 穆海玲，王洺浩，吳小紅, 等.大電流啟鍍下鍍錫層覆蓋度的研究[J]. 電鍍與涂飾, 2014, 33(1):1-4.

[19] 于永民，孫斌．脈沖電鍍應(yīng)用現(xiàn)狀及對策分析[J]．表面技術(shù)，2006，35(3):82-84.

[20] 熊銀生，孫浩，談?wù)?，? 鍍層厚度變化對周期性裂紋的影響[J]. 低溫建筑與技術(shù),2014(3):75-77.

[21] 宋博,翁占坤,肖作江,等.提高鋁合金上電鍍鎳層結(jié)合強度的研究[J]. 表面技術(shù)，2003，32(1):25-27.

[22] 李廣敏，牛宗偉，董海青. 濕法超聲機械鍍鋅技術(shù)研究[J]. 表面技術(shù)，2014，43(1):63-66.

[23] 李獻(xiàn)會,薛玉君,敖正紅. 組合超聲條件下電沉積Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層的耐腐蝕性能[J]. 表面技術(shù)，2013，42(5):1-4.

[24] 馬駿，張華堂，文雄偉，等. 超聲頻率對等離子噴涂熱障涂層結(jié)合強度的影響[J]．熱加工工藝，2007，36(15):59-61.

[25] Touyeras F, Hihn J Y, Bourgo in X, et al. Effects of ultraso- nic irradiation on the properties of coatings obtained by electroless plating and electroplating[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2005 (12):13.

[26] 王勇，馬春陽，馬春華,等. 超聲波-機械攪拌-化學(xué)鍍Ni-P-SiC鍍層表面形貌研究[J] .兵器材料科學(xué)與工程, 2012，35(5)：80-82.

[27] 劉娜娜，吳蒙華，李智, 等. 磁場作用下電沉積鍍層技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013，42(3)：649-654.

[28] 牟世輝，袁艷，姚淑霞, 等. 穩(wěn)恒磁場對電鍍鉻的影響[J]. 沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，23(2)：83.

[29] 胡愛萍，孔德軍，朱偉, 等. TiN 涂層殘余應(yīng)力對其界面結(jié)合強度的影響[J]. 工具技術(shù)，2008，42(11)：34-36.

[30] 夏益祥,李荻. 鈦合金鍍后熱處理對鍍層結(jié)合力的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，2001(5)：20-24.

[31] Markocsan N，Nylen P，Wigren J，et al. Effect of thermal aging on microstructure and functional properties of zirconia-base thermal barrier coatings[J]．Journal of Thermal Spray Technology，2009，18(2):201-208．[32] 王麗麗, 管從勝, 孫從征, 等. 熱處理對鎳-磷合金鍍層結(jié)合強度和硬度的影響[J]. 電鍍與精飾，2008，30(2)：4-8.

[33] Dervos C T, Novakovica J, Vassiliou P. Vacuum heat treatment of electroless NiB coatings[J]. Mater Lett, 2004, 58:619-624.

[34] 趙乃義，彭徽，郭洪波, 等. 基體曲率對熱障涂層結(jié)合強度影響的無損檢測研究[J]. 航空學(xué)報, 2012,33(6):1125-1131.

[35] 郝愛民，高鳳梅，徐明月，等. 熱鍍鋅過程中的關(guān)鍵工藝及其控制[J]．表面工程資訊，2013，71(4):10-12.

*湖南科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(2013FJ3092)

責(zé)任編輯鄭練

AnalysisofInfluencingFactorsofBondingStrength

ZHANG Xiaobing,LIU Weicheng

(Engineering Training Center, Hunan Institute of Engineer, Xiangtan 411101, China)

As its excellent performance, coating material has been widely applied to various fields. Bonding strength is an important criterion of the coating quality, which has direct effects on the utility of coating material. According to the process of coating preparation, pre-plating process, plating process and the treatment after plating on the bonding strength of the coating were summarized, and some methods improving bonding strength were put forward.

coating material, bonding strength, influence factors

TH 128

：A

張小兵(1978-)，男，講師，博士，主要從事材料等方面的研究。

2014-10-09