易偉紅， 楊 萍

(中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇無(wú)錫 214063)

引 言

鋁/硅之間有良好的潤(rùn)濕性，在制備過(guò)程中沒(méi)有中間相化合物產(chǎn)生，所以Al-Si復(fù)合材料較好地繼承了增強(qiáng)體和基體的優(yōu)良特性，具有熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性好，相對(duì)密度低，易加工成型等特性，能對(duì)芯片起良好的支撐和保護(hù)作用，目前已適用于航空航天領(lǐng)域?qū)﹄娮臃庋b材料要求密度小的場(chǎng)合。

化學(xué)鍍Ni-P合金在工業(yè)、民用、國(guó)防等各領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和性能的要求也日益提高?；瘜W(xué)鍍Ni-P合金層具有抗蝕性、耐磨性和可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，可賦予鋁基合金各種新的功能，如磁性能、潤(rùn)滑性能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、電子和民用工業(yè)等領(lǐng)域［1］。目前，對(duì)Al-Si復(fù)合材料表面化學(xué)鍍Ni-P合金層的研究不多見(jiàn)［2-3］，尹明勇等［4-5］對(duì)SiCp/Al材料鍍鎳工藝做過(guò)改進(jìn)，但在實(shí)際工藝應(yīng)用中仍存在許多困難，本工作在普通鋁合金化學(xué)鍍鎳的基礎(chǔ)上改進(jìn)前處理工藝［6-9］，利用掃描電子顯微鏡、熱震試驗(yàn)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)等考察Al-Si復(fù)合材料Ni-P合金鍍層組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合力、耐蝕性和可焊性，以期在該復(fù)合材料表面獲取優(yōu)良的Ni-P合金鍍層。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)鍍鎳

采用催化活化法在Al-Si復(fù)合材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-P合金，試樣為20mm×25mm×1mm的Al-40%Si復(fù)合材料，成分為 40.8%Si，0.63%Mg，0.005%Cu，0.004%Mn，0.01%Ti，0.001%Cr，其余為Al。

化學(xué)鍍鎳工藝流程為:裝掛→堿洗除油→HF酸活化→微酸蝕→催化活化→堿性預(yù)鍍鎳→酸性化學(xué)鍍鎳→鈍化封閉→烘干。

催化活化采用質(zhì)量濃度為30～80mg/L的PdCl2活化液，用HCl調(diào)節(jié)pH至3.5。Al-Si復(fù)合材料試樣在PdCl2活化液中活化，使試樣表面附有較高催化活性的物質(zhì)，清洗去除表面附著不牢的物質(zhì)后施鍍，5min后采用200倍電子顯微鏡觀察試樣表面，根據(jù)表面鍍層的覆蓋程度評(píng)價(jià)活性情況，完全覆蓋為100%，完全鍍不上為0［10-11］。

堿性預(yù)鍍鎳工藝為30g/L NiSO4·7H2O，24g/L NaH2PO2，10g/L 檸檬酸三鈉，10g/L NH4Cl，鍍液pH 為 8.5，θ為45℃。

酸性化學(xué)鍍鎳工藝為 30g/L NiSO4·7H2O，12g/L NaH2PO2，10mL/L H3BO3，12g/L 乳酸，1 ～4mg/L穩(wěn)定劑，鍍液 pH 為 4.5～5.0，θ為(75±2)℃，t為2h。

1.2 性能測(cè)試分析

利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面和截面形貌，以自帶的能譜分析儀分析鍍層成分。采用熱震試驗(yàn)和銼刀試驗(yàn)檢驗(yàn)鍍層的結(jié)合力;參照GJB《軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法 鹽霧試驗(yàn)》對(duì)鍍層進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，考察其耐蝕性;采用布流面積法考察鍍層釬焊性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Ni-P合金鍍層表面形貌及成分分析

圖1為不同Si含量的Al-Si復(fù)合材料表面Ni-P合金鍍層表面的SEM照片。由圖1可以看出，鍍層表面致密均勻，無(wú)局部漏鍍、起泡及分層等缺陷，呈典型的胞狀形態(tài)特征，胞狀結(jié)構(gòu)間結(jié)合緊湊，界限清晰，不存在明顯的表面缺陷，在組織上保證了鍍層具有良好的耐蝕性能。這主要是因?yàn)榧冩嚲哂忻嫘牧⒎?f.c.c.)晶體結(jié)構(gòu)［12］，本實(shí)驗(yàn)中采用NaH2PO2作為還原劑，使類金屬P進(jìn)入鍍層中，鎳原子按面心結(jié)構(gòu)排列受阻，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鍍層中磷含量增加，使鍍層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罱Y(jié)構(gòu)。隨著Al-Si復(fù)合材料中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鍍層表面仍表現(xiàn)為胞狀，但其尺寸卻明顯粗化，胞狀顆粒間排布更加疏松，鍍層表面胞狀顆粒逐漸變大。

圖1 不同w(Si)復(fù)合材料Ni-P合金鍍層SEM照片

圖2為Ni-P合金鍍層的截面SEM照片，從圖2中可以看出，鍍層δ為15～17μm，厚度均勻性好，鍍層結(jié)構(gòu)緊密，無(wú)疏松的小孔、裂紋出現(xiàn)，鍍層斷面厚薄均勻，這可能是因?yàn)樵谑╁冞^(guò)程中有大量氫氣產(chǎn)生，導(dǎo)致鍍層表面附近鍍液的pH周期性變化，影響磷沉積速率發(fā)生周期性變化，因此鍍層出現(xiàn)均勻疊層生長(zhǎng)［13-14］。同時(shí)，在一個(gè)層上的孔隙會(huì)被另一個(gè)片層阻擋，能盡量減少未覆蓋的孔隙，而磷的存在使鍍層孔隙變少，總的孔隙率得到降低，形成點(diǎn)蝕的幾率隨之降低。

圖2 Al-Si復(fù)合材料Ni-P合金鍍層截面圖

圖3為采用能譜儀(EDS)測(cè)得Ni-P合金鍍層中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.0% ～11.5%，屬高磷鍍層，因而具有良好的耐蝕性和耐磨性。

圖3 Ni-P合金鍍層EDS譜圖

2.2 Ni-P合金鍍層結(jié)合力

根據(jù)GB/T13913，利用熱震試驗(yàn)和銼刀試驗(yàn)評(píng)價(jià)Ni-P合金鍍層的結(jié)合力，樣品在(220±10)℃下保溫1h后放入水中驟冷，鍍層無(wú)任何起皮、局部脫落等不良現(xiàn)象;利用銼刀沿45°挫去非主要表面，露出基體與鍍層的界面，鍍層未出現(xiàn)起皮。因此，Ni-P合金在Al-Si復(fù)合材料表面具有良好的沉積性，鍍層與基體材料具有較好的結(jié)合強(qiáng)度，可以滿足使用要求。

2.3 Ni-P合金鍍層鹽霧腐蝕性能

參照GJB《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 鹽霧試驗(yàn)》對(duì)化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層進(jìn)行耐鹽霧腐蝕性能檢測(cè)。試驗(yàn)溶液為5%NaCl溶液，pH 為6.5～7.2，試驗(yàn) θ為(35±1)℃，鹽 霧 沉 降 率 為 1.25～2.50mL/(dm2·h)。腐蝕試驗(yàn) 96h 后，化學(xué)鍍 Ni-P合金鍍層仍然具有較好的保護(hù)能力，抗鹽霧腐蝕性能較好。

2.4 Ni-P合金鍍層釬焊性能

參照GB/T16745將焊料加熱到255℃，將試樣在熔融的焊料中潤(rùn)濕3～5s，待冷卻后取下，采用10倍放大鏡檢查焊料覆蓋層，并計(jì)算焊料流布面積。

圖4給出Ni-P合金鍍層釬焊性檢驗(yàn)照片，Ni-P合金鍍層表面焊料的流布面積為90% ～95%，由于流布面積愈大，鍍層的釬焊性能愈好，即表明該法可獲取釬焊性能良好的Ni-P合金鍍層;用銳利的刀片挑、刮焊料覆蓋層，焊料與鍍層結(jié)合力良好，即該Ni-P合金鍍層可滿足Al-Si復(fù)合材料釬焊性能的要求。

圖4 化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層釬焊性檢驗(yàn)照片

2.5 催化活化工藝參數(shù)控制

由于鍍層性能的試驗(yàn)結(jié)果是基于對(duì)Al-Si復(fù)合材料進(jìn)行催化活化后進(jìn)行的化學(xué)鍍Ni-P合金獲取鍍層，活化過(guò)程工藝參數(shù)的控制尤為重要。

2.5.1 活化時(shí)間對(duì)鍍層覆蓋率的影響

活化時(shí)間不同，基體表面活化液的吸附情況也不同，活化時(shí)間短，基體材料對(duì)活化液吸附不足，不能保證化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層完整性，鍍覆效果不好。圖5為鍍層覆蓋率與活化時(shí)間的關(guān)系曲線，由圖5可知，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層覆蓋率隨著活化時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)活化 t為2.5min時(shí)鍍層覆蓋率最大，活化2.5min以后，鍍層覆蓋率幾乎保持不變，延長(zhǎng)活化時(shí)間意義不大。

圖5 鍍層覆蓋率與活化時(shí)間關(guān)系

2.5.2 活化溫度對(duì)鍍層覆蓋率的影響

控制活化溫度的目的是使活化反應(yīng)具有較高的反應(yīng)活性，從而在Al-Si復(fù)合材料表面形成有效的催化活性單元，這些單元主要是含量適當(dāng)?shù)慕饘兮Z。由圖6可知，當(dāng)活化θ為15℃時(shí)，化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層覆蓋率為92%，隨著溫度升高，鍍層覆蓋率隨之增加，當(dāng)活化θ達(dá)25℃時(shí)覆蓋率最佳。

圖6 鍍層覆蓋率與活化溫度關(guān)系

3 結(jié)論

1)通過(guò)催化活化法在Al-Si復(fù)合材料表面可獲取性能優(yōu)良的Ni-P合金鍍層，鍍層呈胞狀結(jié)構(gòu)，厚度均勻，鍍層結(jié)合力良好，耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)良，焊料流布面積90% ～95%，可滿足Al-Si復(fù)合材料釬焊性能要求。

2)復(fù)合材料催化活化預(yù)處理的最佳活化t為2.5min，最佳活化 θ為25℃。

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