碳钢化学镀镍除氢和热扩散工艺研究

汪玉祥，周苏闽，李含驰，周 巍

(淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏 淮安 223003)

0 引言

在化学镀体系中，被镀金属离子得到电子，氢离子也同样会得到电子，生成原子态的氢，渗透到金属镀层内部，使镀层疏松，镀件搁置一段时间后，原子态的氢会结合生成氢气而使体积膨胀，从而导致镀层产生针孔、鼓泡甚至脱落等缺陷，如果渗透到基体还会导致整个镀件发生氢脆，特别是高强度钢，一旦渗氢很容易脆断。同时在镀前处理(清洗、酸洗、活化等)过程中由反应产生的氢气均会造成基体吸氢，有些氢气渗入到金属晶格中去，造成晶格点阵歪扭，使零件内应力增加，镀层和基体金属变脆，降低了结合力甚至造成镀层脆裂、脱落。因此，镀后要在一定的温度下热处理数小时，驱除掉渗透到镀层下面或者基体金属中的氢。

化学镀层与钢材界面间的结合力是一项重要的力学性能。实践证明:化学镀层可以增加钢材表面硬度、耐磨性、耐蚀性、增厚及修复工件。但如果结合强度不够，则上述作用都将难以实现。

对镀镍金属进行热处理，可使镀层与基体金属的分界面上出现扩散层，使镀层与基体金属的结合力得到极大的加强。扩散层的特点是镀层与基体金属之间的成分逐渐发生了缓慢的变化，可降低镀层与基体金属因热膨胀系数不同而引起的内应力。镀镍层与钢材具有互溶性，通过适当的热处理，并给予一定的能量，则可使原子通过界面扩散。

1 实验

1.1 设备

试验设备:电热恒温鼓风干燥箱(DHG－9246A型 )，高温箱式电炉(SX2－4－1.0)等。

分析测试设备:能谱仪(EMAX)。

1.2 试件

钢片30×15×2mm A3钢，M14螺栓A3钢，镀镍层厚度都为30μm。

1.3 镀液成分及工艺条件

硫酸镍20 g/L，次亚磷酸钠25 g/L，无水乙酸钠25 g/L，酒石酸甲钠4 g/L，乙酸4 mL/L，pH值为4.5 ～4.7，温度(85 ±1)℃，镀速 11.70 μm/h。

1.4 实验方法

1.4.1 除氢方法

镀镍钢片经电吹风吹干后，进入电热恒温鼓风干燥箱并同时打开顶部的排气孔，便于干燥箱内空气流通并把潮湿的气体排出箱外，除氢温度和除氢时间视不同镀层有所不同，时间一般为2～3h，暂定为 2h。

1.4.2 热扩散方法

镀镍钢片经除氢处理后，为防止二次吸氢，直接进入马弗炉进行2小时加热扩散处理。

1.5 结合强度检测方法

1.5.1 钢片镀层结合力检测

按GB/T5270－1980用一把刃口磨成30°锐角的硬质钢刀，在钢尺的配合下，用力在镀层表面上划二条间隔为2 mm的平行线，划刀必须穿透镀层。如果平行线之间的镀层出现任何的剥离现象，则认为镀层的结合力不好。

1.5.2 螺栓镀层结合力检测

在M14螺栓上镀上镍镀层，用M14板牙对镀镍螺纹铰削，镀层出现任何的剥离现象，则认为镀层的结合力不好。

2 结果与讨论

2.1 除氢、热扩散温度初定

镀镍钢片分别经过 100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650℃加热并保温2 小时，加热温度对结合力、镀层表面状况影响见表1。

表1 加热温度对结合力、镀层表面的影响

由表1可见，热处理温度低于450℃时，镀层在划痕试验时有轻微脱落，结合力不够高，450℃后镀层无脱落，说明基体与镀层之间的结合比较可靠，所以加热扩散温度应在450℃以上。

由表1可见，表面状况在300℃以上，镀层普遍出现鼓泡现象，温度越高越多，并发生破裂。这是因为当温度、压力较高时，溶解在钢中的氢将与钢中的渗碳体(Fe3C)发生脱碳反应生成甲烷:

随着反应不断进行，生成的甲烷在钢中扩散困难，只能积聚在晶界原存的微观空隙内，化学镀镍层与钢材界面处同样有甲烷积聚，形成局部高压，造成应力集中，使镀层出现细小的裂纹或气泡鼓起。所以热扩散加热前应先除氢，除氢温度不宜太高，否则除氢未果，镀层已被甲烷气泡胀鼓，由表1可知除氢温度应在300℃以下。

2.2 除氢温度的确定

除氢效果较好时，氢已从钢材中逐出，再进行高温处理时，则不会发生起泡胀破现象。本文从低到高用不同温度对镀件除氢两小时，然后进行450℃高温处理两小时，不发生起泡胀破者为除氢适宜温度，见表2。

表2 除氢温度对镀层表面的影响

由表2可知，220℃以下除氢时，除氢不尽，在高温处理时，镀层都存在裂纹及气泡，220℃以上时，由于温度偏高，在除氢时，已有甲烷产生并积留。高温处理，更使裂纹变大，气泡增多，所以定200～220℃为除氢适宜温度，由于还存在微小裂纹，故将除氢时间延长为3小时，以提高除氢质量。

2.3 加热扩散温度的确定

在加热条件下，镀层中镍向基材扩散的同时，基材中的铁、碳也在向镀层扩散，当铁、碳扩散到镀层表面时，通过能谱检测可以测到铁、碳含量的变化。图1、图2分别为原镀层、除氢镀层谱图，图3至图5为除氢后经450、500、550℃加热处理2小时镀层的图谱。

图1 镀层XRD图谱

图2 220℃除氢镀层XRD图谱

由图1至图5得表3。

图3 220℃除氢、450℃加热镀层XRD图谱

图4 220℃除氢、500℃加热镀层图谱

图5 220℃除氢、550℃加热镀层图谱

表3 加热温度对镀层成份及镀层表面的影响

由表3中的成分对比情况表明，碳、铁、镍、磷随温度升高而减少，氧却不断增加，结合表面状况可以看出，随温度升高表面氧化现象加深，500℃时铁因氧化减少至零，到550℃时铁增加到0.62%，这说明基材铁原子已扩散到表面，所以扩散温度应处于500℃到550℃之间。

由表3中的表面状况可见，镀层在450℃加热扩散后表面颜色发蓝，温度越高颜色越深，这是因为在马弗炉中高温条件下，很难避免氧化层的生成(发蓝工艺)，镀层表面生成一种稳定的氧化物NiO。后续实验中在炉中加入大块木碳，将镀件埋入其中，有效防止了镀层氧化。

2.4 热处理效果评价

用上述200～220℃除氢3小时，500～550℃热扩散2小时，对镀镍螺栓进行热处理，再用板牙铰削，结果见表4。

表4 螺栓铰削后镀层表面

由表4可见，螺栓镀镍后的原镀层和只除氢镀层都出现脱落，而除氢和加热扩散后的镀层，经过铰削无脱落，说明热扩散后镀层与钢材的结合力满足机加工要求。

3 结论

(1)A3钢表面镀镍层厚度为30μm时，除氢温度为200～220℃，保温时间3小时;加热扩散温度为500～550℃，保温时间为2小时，除氢效果好，镀层与钢材形成热扩散层。

(2)经用板牙对镀镍螺纹铰削证明，除氢和加热扩散后的镀层与钢材结合力符合刀具切削要求。

(3)加热扩散温度较高，应在镀件旁边放上大块木炭以防氧化。

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