文章编号：1004-0609(2012)05-1360-05

5052铝合金表面化学镀Ni-P镀层的组织与性能

孔德军，付贵忠

(常州大学 机械工程学院，常州 213016)

摘  要：利用化学镀在5052铝合金表面制备了Ni-P镀层，通过SEM、EDS和XRD等手段对镀层表面和界面的形貌、物相、组成、结构和性能进行了表征和分析。结果表明：化学镀Ni-P合金镀层为非晶态，成分以Ni为主，由直径为10~50 mm的颗粒组成，颗粒分布较均匀，界面结合状态良好；化学镀对表面粗糙度的影响在500 nm以内，镀后镀层表面粗糙度R_a为384.49 nm；镀层残余应力状态为拉应力，其值达到(521±168.0) MPa。

关键词：Ni-P镀层；5052铝合金；表面粗糙度；残余应力

中图分类号：TG335.22；U177.2     文献标志码：A

Microstructure and properties of Ni-P coatings prepared by chemical plating on surface of 5052 aluminium alloy

KONG De-jun, FU Gui-zhong

(College of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213016, China)

Abstract: The Ni-P coating was prepared on the surface of 5052 type aluminium alloy with chemical plating, the surface and interface morphologies, compositions, microstructures and properties were characterized and analyzed by SEM, EDS and XRD, respectively. The results show that the Ni-P alloy coating by chemical plating is in an amorphous state and mainly composed of Ni element. The particles are in the diameters of 10-50 μm and evenly distributed. The interface bonding state is good; the affected scope of chemical plating on its roughness is less than 500 nm, and the roughness R_a is 384.49 nm. Its residual stress state is tensile residual stress with value of (521±168.0) MPa.

Key words: Ni-P coating; 5052 aluminium alloy; surface roughness; residual stress

5052铝合金具有较高的比强度、良好的耐蚀性和焊接性、易加工成形等优点，主要应用于航空航天、船舶、机械、电器、汽车制造等领域^[1]。铝合金的硬度较低、摩擦因数较大、耐蚀性差等缺点影响其使用寿命和使用范围，为了改善铝合金的性能，需要采用表面强化处理方法。铝合金表面强化处理的方法主要有固溶强化、加工硬化、激光冲击处理、化学镀Ni-P强化等^[2-4]。其中，化学镀Ni-P镀层可以提高铝合金表面硬度和耐磨性能，是铝合金理想的表面改性技术之一，受到工业界广泛关注。目前国内外学者针对铝合金表面化学镀Ni-P镀层进行了研究，主要集中于镀液成分、工艺和预处理等方面^[5-6]，而对于5052铝合金化学镀Ni-P合金镀层后组织与结构研究甚少。为此，本文作者采用化学镀方法在5052铝合金表面制 备Ni-P镀层，通过SEM、EDS和XRD等手段分析   其表面与界面形貌及化学元素分布，并对其表面粗糙度和残余应力进行测试，为5052铝合金表面改性处理的应用提供依据。

1  实验

试样为5052铝合金，其化学成分(质量分数)为Si 0.25、Cu 0.10、Mg 2.5，其余为Al元素。实验步骤如下：预处理→施镀→镀后热处理。预处理分除油和酸浸蚀两步，采用不含碱性除油液在50~70 ℃下浸泡10 min后，用热水清洗，室温下酸溶液浸蚀30 s，取出放入镀液中施镀。化学镀Ni-P主要原料组成如下：NiSO₄·6H₂O 25~30 g/L、NaH₂PO₂·H₂O 30~40 g/L、Na₃C₆H₅O₇·2H₂O 60~65 g/L，用NH₄Cl(100 g/L)调节pH至8.0左右，控制镀槽温度为75~80 ℃。采用SEM和XRD对化学镀处理后试样表面界面微观形貌和表层物相进行分析，采用EDS和轮廓仪分析其界面化学元素以及表面粗糙度，对镀层残余应力采用XRD衍射法进行测试。

2  结果与分析

2.1  表面与界面形貌

如图1(a)所示，Ni-P镀层由直径10~50 μm的颗粒组成，颗粒形状近似球形，以原子团簇形式沉积在铝合金基体表面，在化学镀过程中镍的沉积表现为均匀形核机理^[7]。可以观察到镀层表面有一些微细的凹坑，凹坑呈随机分布^[8]。由于Ni和P原子在化学镀中是一个随机堆积的过程^[9]，因此，镀层是以非晶态的形式存在的，其显微硬度为450~500HV。镀层经热处理后由非晶态转化为晶体，晶粒开始重新形核和排列，晶粒细化，镀层硬度提高。镀层表面分布着一些发亮的小颗粒，如图1(b)所示，这些小颗粒为未能沉积牢固的Ni-P颗粒，同时存在小孔洞，降低了镀层的强度和防腐性能^[10]。

图1  Ni-P镀层的表面形貌

Fig. 1  Surface morphologies of Ni-P coating: (a) Amorphous surface; (b) Surface defects

图2所示为Ni-P镀层结合界面形貌。由图2可 见：基体表面比较平整光滑，厚度均匀，约为20 μm。镀层由原子团簇组成，与基体结合较为紧密，不易脱落。镀层与基体部分形成了波峰与波谷的接触形式，增大了接触面积，增加了铝合金表面吸附Ni-P分子的活动中心，从而使镀层对基体的吸附力增大^[9]，不易脱落。

图2  Ni-P镀层结合界面形貌

Fig. 2  Interfacial morphology of Ni-P coating

2.2  XRD分析

Ni-P镀层的XRD谱如图3所示。由图3可以看出：Ni-P在2θ≈45°处有一弥散峰，这是非晶态的特征峰，表明所制备的Ni-P合金为非晶态，球形状的颗粒中Ni-P组元以非晶形式结合。P以固溶形式存在于Ni晶格中，形成Ni基过饱和固溶体^[11]。在该峰一侧也可看到两个较弱的Ni₃-P峰，这表明有部分镀层已开始晶化，而逐渐失去非晶态特征，同时析出了少量的Ni₃-P相。其转化过程如下^[12]：

Ni-P(非晶态)→Ni+Ni₃-P                    (1)

图3  非晶态Ni-P镀层的XRD谱

Fig. 3  XRD pattern of amorphous Ni-P coating

2.3  EDS分析

Ni-P镀层和基体结合界面的EDS能谱分析位置如4(a)所示。图4(a)中001点为基体5052铝合金能谱分析位置，其化学成分为Al和Mg，除在1.5 keV处有一个很强的Al峰外，在1.3 keV处出现了较弱的Mg峰(见图4(b))，其质量分数如下：w(Al)=97.46%，w(Mg)= 2.54%。图4(a)中002点为镀层能谱分析位 置，其化学成分为Ni和P两种元素，Ni峰分别出现在0.8 keV和7.3 keV处，P峰出现在2.0 keV处(见图4(c))。其质量分数如下：w(Ni)=90.55%，w(P)=9.45%，这说明镀层成分以Ni为主，为高P镀层。

图4  样品的镀层EDS能谱分析结果

Fig. 4  EDS results of samples: (a) Bonding interface of coating-substrate; (b) Substrate; (c) Ni-P coating

2.4  表面粗糙度

使用Veeco Wyko NT1100 型光学轮廓仪测得Ni-P镀层的表面粗糙度如图5所示。放大倍率：  51.40；测量方式：垂直扫描干涉(VSI)；取样：163.42 nm，排列大小：736×480。测试结果表明：Ni-P镀层表面轮廓算术平均偏差R_a为384.49 nm，轮廓平均高度R_q为568.74 μm，轮廓总高度R_t为36.34 μm，如图5(a)所示。由图5(b)可见：Ni-P在镀层表面的分布比较均匀，但存在一些孔洞缺陷。这是由于非晶态粒子中P含量较高，表层非晶中Ni原子高度地分散在晶态的基体表面，使表面 构造的不均匀性增加，随着化学镀的进行，Ni原子进一步聚集生长^[9]。Ni-P镀层在X和Y剖面的粗糙度分析结果如图5(c)所示。X剖面轮廓算术平均偏差R_a为0.27 μm，轮廓平均高度R_q为0.38 μm，轮廓总高度R_t为4.44 μm。Y剖面轮廓算术平均偏差R_a为0.22 mm，轮廓的平均高度R_q为0.31 μm，轮廓的总高度R_t为2.42 μm。结果表明，化学镀对Ni-P镀层表面粗糙度影响很小，其影响范围在500 nm以内。

2.5  残余应力

采用X射线衍射法在X-350A型应力分析仪上对基体和Ni-P镀层表面进行残余应力测试。定峰方法为交相关函数法。X光管电压25 kV，电流5 mA，2q 扫描步距0.10°，计数时间0.25 s，对于铝合金基体和 Ni-P镀层分别用Cr靶K_α和Co靶K_α辐射。残余应力测试结果如表1所列。

Ni-P镀层残余应力一般由镀层晶格参数失配所引起的外延应力、具有动能的金属原子在成核聚集的过程中形成的本征应力、热应力和由相变产生的相变应力所组成^[13]，上述4种应力的共同作用形成了镀层的残余应力。测试结果表明，Ni-P镀层残余应力为拉应力。这是因为在Ni原子和P原子的形核长大过程中，镀层和基体之间形成温度梯度，使镀层和基体的膨胀和收缩不一致，从而使Ni-P镀层颗粒之间形成拉应力。非晶态Ni-P合金镀层呈脆性特征，削弱了其与  基体的结合结强度。因此，工艺上可以通过热处理实现非晶态向晶态的转变，从而提高镀层的综合力学性能。

图5  非晶态Ni-P镀层表面粗糙度

Fig. 5  Surface roughness of Ni-P coating in amorphous state: (a) 3D analysis; (b) 2D analysis; (c) Roughness in X profile;       (d) Roughness in Y profile

表1  Ni-P镀层的XRD测试结果

Table 1  Measured results of Ni-P coating with XRD

3  结论

1) 用化学镀在5052铝合金表面沉积的Ni-P镀层为非晶合金，由10~50 μm的Ni和P原子团簇组成，厚度约为20 μm。

2) 化学镀对Ni-P镀层表面粗糙度影响范围在500 nm以内，镀后粗糙度R_a为384.49 nm，对其使用基本上没有影响。

3) 化学镀Ni-P非晶合金镀层的残余应力为拉应力，其值为(521±168.0) MPa。

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(编辑 陈卫萍)

基金项目：江苏省高校自然科学基础研究项目(08KJB430002)；常州市应用基础研究计划项目(CJ20110019)

收稿日期：2011-04-08；修订日期：2011-07-12

通信作者：孔德军，副教授，博士；电话：0519-83290205；E-mail: kong-dejun@163.com