|
亮镍镀层组织中的条痕结构
杨婉清
(上海轻工业研究所
200031)
摘
要：在显徽镜下观察亮镍镀层断面时，可见组织中有许多与基体表面平行的条痕，呈层状结构，与化学镀镍层的非晶态组织非常相似。本文从金相学角度，论述亮镍镀层中的条痕，可能是受电镀层内应力影响而形成的，从而把它与化学镀镍层区别开来。
主题词：亮镍镀层；条痕结构；内应力
1
微观形貌观察
从瓦特镀槽中沉积出来的镍层称暗镍层。其结晶方式是树枝晶。由于树枝晶在长大过程中相互碰撞受阻，限制了其生长，使树枝晶的形状模糊，最终呈柱状晶。图1是暗镍镀层的显微组织。
在瓦特镀槽中添加含硫的有机光亮剂后，沉积的镀层称亮镍镀层。其显微组织与暗镍镀层完全不同，出现了许多与基体表面平行的条痕，呈层状结构(图2)。
对上述条痕的形成机理，国内外论述不多，一般认为是在电镀液中定期加入有机添加剂的缘故.Johnson等人检查了在各种电镀条件下，特别在电流中断的影响下，镀层所产生的条痕。Pegream认为，条痕的形成和应力之间有联系。实验证明，无论添加剂的加入或电镀过程电流电压的波动，均会影响镀层内应力的变化。
图1 暗镍镀层 900×
图2 亮镍镀层 900×
当内应力达到一定程度时，将会引起镀层晶粒滑移变形。本文试图从金相学角度，论述亮镍镀层中的条痕可能与镀层中晶粒受应力作用而产生滑移变形有关。
2 分析讨论
2.1
镀层在电镀过程中受内应力作用
国外不少学者用X射线衍射法研究电镀层的结构。业已证实，一些镍镀层显示出择优取向，择优的程度与方向依赖于电镀条件和使用的添加剂。这就是说，这些镍镀层是处于应力作用的状态下。内应力可分微观应力与宏观应力两个范畴，一般很难将两者分别测出，但总的内应力可测。
作者曾用螺旋收缩应力计测得亮镍镀层的内应力可达390MPa，甚至更大些，暗镍镀层的内应力约350MPa，氨基磺酸镍镀层的内应力仅为150MPa。由此可见，亮镍镀层的内应力是非常大的，在应力作用下，有可能使镀层晶粒产生变形。
2.2
亮镍镀层具有应变组织特征
金相学研究表明，金属变形后，各晶粒会沿变形方向延伸和扭曲。当变形量很大时，组织便呈纤维状线条，构成“纤维”便是变形的界限和滑移带，在光学显微镜下所看到的条痕，正是这种滑移变形所造成的痕迹。这是变形组织的特征之一。图3是在电子显微镜下的亮镇镀层中的滑移带。
金属变形又一特征是硬度和强度均比变形前显著提高。暗镍镀层硬度为172HV，而亮镍镀层硬度为300～500HV。
再结晶是变形组织的另一特征。金属变形后，晶格畸变程度增大，使金属的自由能升高，处于不稳定状态。常温下，由于原子扩散能力很弱，这种不稳定状态能维持相当长的时间。加热到较高温度时，原子扩散加剧，变形组织中便出现一些非常细小的新晶粒，并逐渐长大，形成新的无应变晶粒。这过程称作再结晶。当再结晶完成时，变形组织被均匀的等轴晶组织所代替，内应力消除，硬度也显著下降。图4是600℃保温15min空冷后得到的亮镍镀层显微组织，此时组织中的条痕完全消失，呈细等轴晶组织。
图3 亮镍镀层中的滑移带
图4
再结晶处理后的亮镍镀层 1000×
图5 低温再结晶处理后的亮镍镀层
1000×
2.3
亮镍镀层的再结晶处理
一般认为只有加热到再结晶温度以上才能完成再结晶过程。金属的再结晶温度与金属的纯度有关。纯金属的最低再结晶温度与熔点的关系为T再=0.35～0.4T熔，保温时间一般认为30～60min，甚至更短。镍的再结晶温度为530℃～660℃，本文采用了600℃保温15min空冷的处理工艺，得到图4所示的组织，实验结果与文献报导相吻合。
亦有文献指出，“再结晶温度”并不是严格的温度界限，这个术语通常是指在此温度下，再结晶过程进行得很快，在更低的温度下，可延长停留时间来完成。图5是将亮镍镀层加热至280℃，保温1.5h空冷后得到的显微组织。可见同样可以完成再结晶过程，而且所得到的晶粒比高温结晶时来得细小。这与金相学中提高再结晶温度会使晶粒粗化相吻合。
把亮镍层加热至280℃保温15min空冷，所得的组织与处理前相差无几。同样，把含硫高达0.1%～0.2%的高硫亮镍镀层加热至280℃，保温1.5h空冷，所得组织虽有许多细小晶粒，但条痕仍未完伞消失，可见镀层中硫量提高会改变再结晶速率。这与金相学中金属的合金元素含量将会改变金属变形后的再结晶温度相吻合。
2.4
亮镍镀层的再结晶不同于化学镀镍层的晶化
从以次磷酸盐作还原剂的化学镀槽中得到的镍镀层称化学镀镍层，其含磷4%～12%，显微组织与亮镜镀层相似，呈层状结构。然而它是一种无定型非晶态组织。文献指出，在化学镀镍槽中，镍在镀件表面各处同时开始沉积，而且垂直于镀件表面的沉积速度相等，从而使溶液成分形成局部的周期性变化，改变了与镍一起沉积的磷含量。这就是组织中产生条纹的原因。这种非晶态铰层，加热至400℃，保持1h空冷，可获得细小等轴晶组织。这过程称为晶化过程。
化学镀镍层的晶化过程与亮镍镀层的再结晶过程有所不同。晶化时，不但产生新的晶粒，而且在镍确固溶体上，还弥傲析出Ni3P颗粒，其分布密度仍呈带状，这证明沉积层组织中的层状结构是与成分周期性变化有关。
另外，化学铰镍层的晶化过程与亮镍镀层再结晶过程最大差别在于硬度变化截然不同。化学镀镍层晶化处理后，硬度由300～500HV提高到1000HV左右。这是因为镀层除重新结晶外，还在结晶组织中弥散析出较硬的第二相Ni3P所致。亮镍镀层再结晶后则相反，硬度由原来5OOHMV降至115HMV。这则是因为再结晶后，消除了镀层内应力的结果。
3 结语
综上所述，亮镍镀层和化学镀镍层，虽然显徽组织均呈层状结构，加热退火处理后，又都能获得细等轴晶组织。然而导致层状结构的原因却不尽相同。亮镍镀层的层状结构是与镀层受内应力作用引起晶粒变形有关；化学镍镀层层状结构的成因则是镀液中局部成分周期性变化引起镀层中磷含量周期性变化。另外处理后两者的性能变化亦不相同。亮镍镀层再结晶后，镀层内应力消除，形成无应变组织，因此硬度明显下降。而化学镀镍层晶化处理后，由非晶态转变为晶态，并在组织中弥散析出较硬第二相硕粒，因此硬度明显提高。
|
