激光退火对化学镀Ni-W-P镀层硬度的影响

2022-09-11

1944年A.Brenner和G.Riddell正式提出化学镀[1,2], 此后化学镀得到广泛的发展应用。其中由于Ni-P镀层具有优良的耐磨性、耐蚀性、硬度、可焊性及导电性性能而被广泛应用于航空、航天、电子、机械、化工等行业[3,4], 随着科学技术的发展对材料性能提出了更高的要求, 化学镀Ni-W-P应运而生, 由于W元素的加入使得镀层具有良好的耐高温性, 且Ni-W-P具有比Ni-P更高的硬度和耐蚀性[5]。Ni-W-P在镀态时性能并没有达到最大, 经过退火能进一步提高镀层的性能。本文主要研究经激光退火对Ni-W-P镀层的硬度的影响。

1 试验方法

1.1 试样的制备

先对材料为Q235, 尺寸为25 mm×11mm×1mm的钢片表面进行除油和除锈, 之后进行化学镀, 施镀一小时后补充镀液, 以保证镀液中的有效成分, 从而保证镀层的有效厚度, 再镀一小时后取出, 用清水洗干净, 烘干。对试样进行编号, 分别采用速度为8、10、12、14mm/s的激光进行退火。

1.2 试样分析及测量

通过能谱分析仪测量镀层表面成分, 采用EVO50衍射仪对镀层进行X射线检测, 对检测结果通过Jade软件通过拟合后进行物相检索, 分别确定Ni相在 (111) 和 (200) 及Ni3P相 (231) 和 (141) 的衍射峰, 然后分别查看Ni相和Ni3P相各衍射峰的晶粒尺寸, 求出个相晶粒在不同晶面上的晶粒尺寸求其平均值。同时根据X射线的半高宽、积分强度和宽度等参数计算热处理前后各镀层的晶格应变和晶化程度。根据Jade软件计算激光晶化前后各镀层的积分强度, 同时分别计算镀态镀层中非晶相、晶化产物Ni (INi/Itotal) 及Ni3P (INi3P/Itotal) 相所占的体积分数, 进而得到镀层的晶化程度。

2 试验结果分析

通过能谱分析仪测量镀层的成分为Ni82.76%-W3.88%-P13.36, 其中磷的含量大于7%, 为非晶态[6]。

2.1 激光退火镀层晶化分析

从图1可以看出, 镀层在镀态是只有一个馒头峰, 表明镀态镀层为非晶态, 与能谱分析仪结果一致。激光速度为14mm/s时, 镀层中已经开始有Ni和Ni3P相析出, 表明镀层在此温度下已经开始晶化, 之后随激光扫面速度的降低, 镀层的Ni和Ni3P相的衍射峰宽度逐渐减小, 高度逐渐增大, 表明镀层进一步晶化, 速度为8mm/s时镀层的晶化程度达到最大。

2.2 激光退火镀层晶粒尺寸及微应变

从图中可以看出, 镀态镀层中只有Ni相存在, 且晶粒尺寸较小, 经激光退火之后, 镀层中开始有大量的Ni和Ni3P相析出, 表明镀层经激光退火之后开始晶化, 激光速度为14mm/s时, 镀层中Ni和Ni3P相的晶粒尺寸分别为12.2nm和31.9nm, 此时Ni3P相的晶粒尺寸大于Ni相, 之后随激光速度的减小[7], 镀层中各相的晶粒尺寸逐渐增大。

镀态镀层的微应变最大, 主要是由于P和W溶于Ni的晶格中引起晶格畸变的结果, 经激光退火后, 镀层中开始不断有大量Ni3P相析出, 原子排列变得有规律, Ni相的晶格畸变逐渐减小, 镀层的微应变减小, 随激光速度的降低, 镀层不断的晶化, 镀层的微应变逐渐减小。同时镀层的晶化使得镀层中各各种缺陷不断减小, 特别是面缺陷的减小, 也能够使得镀层的微应变降低[8]。

2.3 镀层的晶化程度

从图4可以看出, 镀态镀层中无Ni3P相, 且非晶相占的体积分数最大, 表明镀态镀层为非晶态, 与前面的试验结果一致。随激光速度的增大即退火温度的降低, 镀层中非晶态的百分含量越来越高, Ni3P相的百分含量逐渐降低, 说明随温度的升高镀层中不断有Ni3P相析出, 降低了镀层的晶格畸变程度。在整个退火过程中, Ni3P相占的体积分数远远高原Ni相, 表明激光退火中Ni3P相的晶化程度始终大于Ni相。

2.4 镀层硬度的比较

图5表明镀态镀层的硬度最低, 经激光退火后镀层硬度明显增大, 且随激光速度的增大镀层的硬度逐渐降低。

镀态镀层为非晶态, 晶格畸变较大, 理论上硬度应该较大, 但是由于镀态镀层微应变较大, 所以使得硬度较低;激光速度为14mm/s时, 镀层开始晶化, 由非晶态转变为晶态会使得镀层硬度降低, 但是一方面镀层微应变的降低会提高镀层的硬度, 另一方面, Ni和Ni3P相析出也能够提高镀层的硬度, Ni3P相的析出提高镀层硬度的主要原因是Ni3P相与固溶体形成共格关系, 引起共格沉淀硬化而使得镀层硬度增加[9], 且Ni3P相具有阻碍位错、晶界和第二相等晶体缺陷移动作用, 也有利于硬度的增加[10];随激光速度的减小, 镀层的微应变越来越小, 镀层中Ni和Ni3P相的晶化程度越来越大, 都使得镀层的硬度持续增大, 但是镀层中的晶粒尺寸越来越大, 反而使得镀层的硬度降低, 而图中表明, 镀层硬度随激光速度的降低而升高, 这是因为镀层晶粒尺寸增大对硬度的不利影响小于镀层结晶度增大对硬度的贡献, Ni3P相的大量析出, 使得金属间化合物Ni3P相的沉淀强化作用增强。此时尽管Ni和Ni3P两相的晶粒尺寸有所增大, 但激光扫描速度从14mm/s变化到8mm/s时, 决定硬度的Ni3P的尺寸变化不大, 约增大4nm。可见, 镀层中Ni3P相的增多对硬度的贡献大于其晶粒尺寸略有增大对硬度的不利影响。

3 结语

3.1 镀态镀层为非晶态, 经激光退火后镀层开始晶化, 且随激光速度的降低镀层的晶化程度增大;

3.2 镀态镀层中无Ni3P存在, 且微应变最大, 激光退火后镀层中开始有Ni3P相析出, 且随激光速度的降低, 镀层中Ni和Ni3P相晶粒尺寸逐渐增大, 但是微应变逐渐减小;

3.3 随激光速度的降低, Ni相的晶化程度变化不大, Ni3P相的晶化程度逐渐增加, 而非晶相逐渐减少;

3.4 镀钛镀层硬度最小, 随退火激光速度的降低镀层硬度逐渐增加, 主要是各相晶化程度、晶粒尺寸及微应变三者相互作用的结果。

摘要：本文主要研究激光退火对镀层硬度的影响。采用Jade软件对镀层中的晶化程度、晶粒尺寸及微应变进行定量分析, 利用维氏显微硬度计测量镀层的硬度。结果表明随激光扫描速度的减小, 镀层晶化程度增加、Ni和Ni3P相的晶粒尺寸增大、Ni相含量变化不大, 非晶相减少, Ni3P相增多、而微应变逐渐减小。实验结果显示镀态镀层的硬度最低, 硬度随激光速度的减小而增加, 主要是各相晶化程度、晶粒尺寸及微应变三者相互作用的结果。

关键词：化学沉积,Ni-W-P合金,激光晶化,晶粒尺寸,晶格应变,硬度