Al-Si复合材料化学镀Ni-P合金研究

易伟红， 杨 萍

(中航工业雷达与电子设备研究院，江苏无锡 214063)

引 言

铝/硅之间有良好的润湿性，在制备过程中没有中间相化合物产生，所以Al-Si复合材料较好地继承了增强体和基体的优良特性，具有热膨胀系数低，导热性好，相对密度低，易加工成型等特性，能对芯片起良好的支撑和保护作用，目前已适用于航空航天领域对电子封装材料要求密度小的场合。

化学镀Ni-P合金在工业、民用、国防等各领域的应用日益广泛，对其组织结构和性能的要求也日益提高。化学镀Ni-P合金层具有抗蚀性、耐磨性和可焊性好等优点，可赋予铝基合金各种新的功能，如磁性能、润滑性能等，被广泛应用于航空航天、国防、电子和民用工业等领域［1］。目前，对Al-Si复合材料表面化学镀Ni-P合金层的研究不多见［2-3］，尹明勇等［4-5］对SiCp/Al材料镀镍工艺做过改进，但在实际工艺应用中仍存在许多困难，本工作在普通铝合金化学镀镍的基础上改进前处理工艺［6-9］，利用扫描电子显微镜、热震试验、盐雾腐蚀试验等考察Al-Si复合材料Ni-P合金镀层组织结构、结合力、耐蚀性和可焊性，以期在该复合材料表面获取优良的Ni-P合金镀层。

1 实验部分

1.1 化学镀镍

采用催化活化法在Al-Si复合材料表面进行化学镀Ni-P合金，试样为20mm×25mm×1mm的Al-40%Si复合材料，成分为 40.8%Si，0.63%Mg，0.005%Cu，0.004%Mn，0.01%Ti，0.001%Cr，其余为Al。

化学镀镍工艺流程为:装挂→碱洗除油→HF酸活化→微酸蚀→催化活化→碱性预镀镍→酸性化学镀镍→钝化封闭→烘干。

催化活化采用质量浓度为30～80mg/L的PdCl2活化液，用HCl调节pH至3.5。Al-Si复合材料试样在PdCl2活化液中活化，使试样表面附有较高催化活性的物质，清洗去除表面附着不牢的物质后施镀，5min后采用200倍电子显微镜观察试样表面，根据表面镀层的覆盖程度评价活性情况，完全覆盖为100%，完全镀不上为0［10-11］。

碱性预镀镍工艺为30g/L NiSO4·7H2O，24g/L NaH2PO2，10g/L 柠檬酸三钠，10g/L NH4Cl，镀液pH 为 8.5，θ为45℃。

酸性化学镀镍工艺为 30g/L NiSO4·7H2O，12g/L NaH2PO2，10mL/L H3BO3，12g/L 乳酸，1 ～4mg/L稳定剂，镀液 pH 为 4.5～5.0，θ为(75±2)℃，t为2h。

1.2 性能测试分析

利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察镀层表面和截面形貌，以自带的能谱分析仪分析镀层成分。采用热震试验和锉刀试验检验镀层的结合力;参照GJB《军用设备环境实验方法 盐雾试验》对镀层进行盐雾腐蚀试验，考察其耐蚀性;采用布流面积法考察镀层钎焊性能。

2 实验结果与讨论

2.1 Ni-P合金镀层表面形貌及成分分析

图1为不同Si含量的Al-Si复合材料表面Ni-P合金镀层表面的SEM照片。由图1可以看出，镀层表面致密均匀，无局部漏镀、起泡及分层等缺陷，呈典型的胞状形态特征，胞状结构间结合紧凑，界限清晰，不存在明显的表面缺陷，在组织上保证了镀层具有良好的耐蚀性能。这主要是因为纯镍具有面心立方(f.c.c.)晶体结构［12］，本实验中采用NaH2PO2作为还原剂，使类金属P进入镀层中，镍原子按面心结构排列受阻，随着反应的进行，镀层中磷含量增加，使镀层逐渐转变为胞状结构。随着Al-Si复合材料中Si质量分数增加，镀层表面仍表现为胞状，但其尺寸却明显粗化，胞状颗粒间排布更加疏松，镀层表面胞状颗粒逐渐变大。

图1 不同w(Si)复合材料Ni-P合金镀层SEM照片

图2为Ni-P合金镀层的截面SEM照片，从图2中可以看出，镀层δ为15～17μm，厚度均匀性好，镀层结构紧密，无疏松的小孔、裂纹出现，镀层断面厚薄均匀，这可能是因为在施镀过程中有大量氢气产生，导致镀层表面附近镀液的pH周期性变化，影响磷沉积速率发生周期性变化，因此镀层出现均匀叠层生长［13-14］。同时，在一个层上的孔隙会被另一个片层阻挡，能尽量减少未覆盖的孔隙，而磷的存在使镀层孔隙变少，总的孔隙率得到降低，形成点蚀的几率随之降低。

图2 Al-Si复合材料Ni-P合金镀层截面图

图3为采用能谱仪(EDS)测得Ni-P合金镀层中的磷的质量分数为11.0% ～11.5%，属高磷镀层，因而具有良好的耐蚀性和耐磨性。

图3 Ni-P合金镀层EDS谱图

2.2 Ni-P合金镀层结合力

根据GB/T13913，利用热震试验和锉刀试验评价Ni-P合金镀层的结合力，样品在(220±10)℃下保温1h后放入水中骤冷，镀层无任何起皮、局部脱落等不良现象;利用锉刀沿45°挫去非主要表面，露出基体与镀层的界面，镀层未出现起皮。因此，Ni-P合金在Al-Si复合材料表面具有良好的沉积性，镀层与基体材料具有较好的结合强度，可以满足使用要求。

2.3 Ni-P合金镀层盐雾腐蚀性能

参照GJB《军用设备环境试验方法 盐雾试验》对化学镀Ni-P合金镀层进行耐盐雾腐蚀性能检测。试验溶液为5%NaCl溶液，pH 为6.5～7.2，试验 θ为(35±1)℃，盐 雾 沉 降 率 为 1.25～2.50mL/(dm2·h)。腐蚀试验 96h 后，化学镀 Ni-P合金镀层仍然具有较好的保护能力，抗盐雾腐蚀性能较好。

2.4 Ni-P合金镀层钎焊性能

参照GB/T16745将焊料加热到255℃，将试样在熔融的焊料中润湿3～5s，待冷却后取下，采用10倍放大镜检查焊料覆盖层，并计算焊料流布面积。

图4给出Ni-P合金镀层钎焊性检验照片，Ni-P合金镀层表面焊料的流布面积为90% ～95%，由于流布面积愈大，镀层的钎焊性能愈好，即表明该法可获取钎焊性能良好的Ni-P合金镀层;用锐利的刀片挑、刮焊料覆盖层，焊料与镀层结合力良好，即该Ni-P合金镀层可满足Al-Si复合材料钎焊性能的要求。

图4 化学镀Ni-P合金镀层钎焊性检验照片

2.5 催化活化工艺参数控制

由于镀层性能的试验结果是基于对Al-Si复合材料进行催化活化后进行的化学镀Ni-P合金获取镀层，活化过程工艺参数的控制尤为重要。

2.5.1 活化时间对镀层覆盖率的影响

活化时间不同，基体表面活化液的吸附情况也不同，活化时间短，基体材料对活化液吸附不足，不能保证化学镀Ni-P合金镀层完整性，镀覆效果不好。图5为镀层覆盖率与活化时间的关系曲线，由图5可知，化学镀Ni-P合金镀层覆盖率随着活化时间延长呈现先增加后减小的趋势，当活化 t为2.5min时镀层覆盖率最大，活化2.5min以后，镀层覆盖率几乎保持不变，延长活化时间意义不大。

图5 镀层覆盖率与活化时间关系

2.5.2 活化温度对镀层覆盖率的影响

控制活化温度的目的是使活化反应具有较高的反应活性，从而在Al-Si复合材料表面形成有效的催化活性单元，这些单元主要是含量适当的金属钯。由图6可知，当活化θ为15℃时，化学镀Ni-P合金镀层覆盖率为92%，随着温度升高，镀层覆盖率随之增加，当活化θ达25℃时覆盖率最佳。

图6 镀层覆盖率与活化温度关系

3 结论

1)通过催化活化法在Al-Si复合材料表面可获取性能优良的Ni-P合金镀层，镀层呈胞状结构，厚度均匀，镀层结合力良好，耐盐雾腐蚀性能优良，焊料流布面积90% ～95%，可满足Al-Si复合材料钎焊性能要求。

2)复合材料催化活化预处理的最佳活化t为2.5min，最佳活化 θ为25℃。

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