镀层材料接合性能影响因素分析*

张小兵，刘伟成

(湖南工程学院 工程训练中心，湖南 湘潭 411101)

镀层材料接合性能影响因素分析*

张小兵，刘伟成

(湖南工程学院 工程训练中心，湖南 湘潭 411101)

镀层材料由于其优良的性能，已经广泛应用于各个领域，其中镀层接合强度是衡量镀层质量的一个重要指标，直接影响到镀层材料的使用性能。根据镀层制备的工艺，分析及归纳了镀前处理、镀中的工艺及镀后处理3个阶段对镀层接合强度的影响，并提出了一些改善镀层接合强度的方法。

镀层材料；结合强度；影响因素

镀层技术已成为材料表面性能改善的一个重要途径[1-2]。在实际工程应用中，镀层可能会发生剥落、开裂等失效破坏现象，不仅影响外观，而且还会恶化镀层的防护性和抗蚀等性能。影响镀层失效的原因可能有2个方面：一方面镀层本身力学强度和韧性等参数达不到要求；另一方面，界面接合强度不强，产生界面脱落、裂纹等失效。界面接合性能越好，意味着在相同的载荷情况下，镀层抵抗破坏的能力越强，从而延长了产品的使用寿命[3]。

伴随着镀层材料广泛应用在工业及民用、军用领域，研究者对表征镀层的一些重要指标进行了研究和探讨[4-6]。良好的镀层接合强度是保证镀层材料各种使用性能如力学性能和物理性能等实现的前提。目前，界面接合强度已成为评价镀层性能和质量的重要指标[7-8]。在研制及使用新的镀层材料初始阶段，如何保证镀层接合强度已成为从事镀层研究力学家及材料学家的首要工作。研究镀层与基体紧密结合在一起，并保证表面镀层的力学性能和功能作用，是未来表面改性技术的发展方向之一。

1 镀层结合强度影响因素及改善方法

1.1 镀前处理

基体表面质量成为影响镀层界面强度的一个敏感因素，镀前通常要对基体的表面进行预处理。目前，通常采用的预处理工艺包括表面净化处理、粗化处理、活化处理和敏化处理等。净化处理目的是去除基体表面的油污和氧化物等污物。粗化处理是通过提高基体表面粗糙度，增加镀层与基体的接触面积，从而有利于界面处产生各种物理和化学作用来提高接合强度[9]。在粗化处理时要注意基体表面粗糙度不能过大，粗糙表面的纹路本身就是裂纹源，会造成应力集中。喷砂粗化成为主要的表面粗化处理，其他常用的粗化处理方法还有车螺纹、滚花、电拉毛和化学腐蚀法等。

表面净化和粗化处理都会对基体造成腐蚀，其表面往往留有一层用水很难洗掉的残渣类物质，它们会降低镀层金属与基体金属的接合强度。活化处理主要是去掉这层残渣，同时生成一层金属底层或转化膜，以避免基体在镀前重新氧化。活化时间必须充分，否则会造成镀层接合不牢[10]。早期的酸洗和活化处理通常会对环境造成污染，比如镁合金镀镍采用铬酸酸洗和氢氟酸活化，铬酸和氢氟酸有剧烈刺激性气味，会对人体及环境产生较大影响。Lei等[11]在对镁合金镀镍前期进行了无铬钼酸盐前处理，形成了一层较薄的Mg3(PO4)2和MgMoO4组成的保护膜，有效地改善了镀镍层的接合性能，而且环保。郑臻等[12]研发了一种一步酸洗活化的前处理方法，金相显微镜观察发现，此方法在镁基体与镀层间生成的中间膜层非常薄，可有效改善镀层与基体间的接合力，提高镀层耐蚀性能。

基体与镀层的表面能也会对接合强度产生影响。在镀前，应对表面能少的基体材料进行镀前处理。比如在对塑料镀金属时，由于塑料的表面能较少，金属镀层很难很好地覆盖在塑料上。鉴于此，镀前需要对塑料表面进行离子辐照或化学活化处理，以提高表面能，改善结合强度。

1.2 镀液与工艺

1)镀液的性质，包括成分含量以及附加盐、PH值、添加剂(比如润湿剂、表面活性剂和加速剂等)的含量等。在镀液中加入一些其他元素有利于改变镀层的性能，比如稀土元素的介入能够提高镀液的稳定性，改善表面质量，提高接合性能等，但稀土元素的浓度不宜过高，否则不但会降低沉积速率，还会使镀层变得不均匀[13]。李春福等[14]在Ni-Fe-P合金镀工艺中，通过在镀液中加入微量MgSO4颗粒，明显提高了镀液的稳定性，镀层针孔率减少，制备出了接合性能更好的致密合金镀层。由于复合镀层相比单一成分的镀层具有更优良的性能，更能满足社会的需求，复合镀工艺的研究已成为表面改性研究的热点问题之一[15-17]。

2)工艺及其参数，主要包括施镀时间、温度及移动和搅拌强度、方式等一些工艺的使用。在电镀过程中，大多数镀液的阴极反应都伴随着氢气的析出。析出的氢原子一部分保留在基体或镀层中，导致基体及镀层的韧性降低、变脆，造成“氢脆”。穆海玲等[18]通过试验研究了电流密度对镀层接合强度的影响，表明在大电流冲击下析氢反应难以进行，提高了镀层的致密性和均匀性，改善了镀层的接合性能，但大电流冲击时间不宜过长，否则会造成镀层“烧焦”现象。于永民等[19]认为，电镀中采用脉冲电源或双脉冲电镀电源相对于直流电流电源晶粒较为细小，有利于改善镀层的接合性能。施镀时间主要影响镀层厚度，施镀时间越长镀层越厚，镀层厚度与残余应力有着显著关系。熊银生等[20]认为镀层表面残余应力随镀层厚度的增加而减小，但镀层太厚，镀层孔隙减少，氢气不易析出，容易产生起泡、脱皮失效，特别是当镀层厚度>20 μm时，情况更严重。总体来说，随着镀层厚度的增加，镀层的接合强度降低[21]。

近年来，研究者发现一些新技术和新工艺的采用能够明显地提高镀层接合强度。在镀层制备过程中加入超声波，其提供的能量能够提高化学反应速度，且有机械效应和热效应，已得到广泛应用[22-23]。清华大学马俊等[24]在ZrO2镀层的制备过程中发现，通过加入超声激励，明显提高了接合强度，加入50 kHz超声之后，拉伸接合强度提高了22.4%。F. Touyeras等[25]发现，化学镀铜于非导体材料表面，加入超声波激励，镀层残余应力下降比较明显，接合力增加25%～ 30%。为了获得表面平整、光滑和隙率小的Ni-P-SiC镀层，王勇等[26]采用功率为200 W的超声波并结合300 r/min机械搅拌，有效地提高了接合强度。除此以外，磁场在电镀中也得到了广泛的应用。在电镀过程中，由于磁场加入，产生的洛仑兹力及磁化力不仅能够对镀液起到搅拌效果，使溶液更加均匀，而且还能够增强物质的传输，改善镀层的形貌，提高结合性能[27]。磁场可分为垂直与平行磁场，牟世辉等[28]认为采用平行磁场镀层更细致均匀，结合性能更好。

1.3 镀后处理

镀后镀层存在的残余应力使镀层内产生较大弹性能，当弹性能达到一定值时，镀层可能自动开裂、剥落，导致镀层失效。胡爱萍等[29]采用划痕试验法测试了TiN镀层的接合强度，建立了残余应力与接合强度的定性关系，发现在其他条件相同的前提下，镀层残余应力越大，其接合强度越低。为了减小内应力，镀后通常要进行热处理，其特别应用在金属基体上沉积金属或合金薄膜。除此以外，热处理工艺还有2个重要的作用：一方面可以促进原子间的相互扩散，形成很厚的一层中间扩散层，以有利于镀层与基体之间由原来的机械咬合转化为金属键的接合，从而提高接合强度，实际上热处理后形成的扩散厚度与镀层接合强度关系并不大，热处理主要目的在于形成金属键[30]；另一方面可以除去镀中产生的氢气，避免“氢脆”。

近年来，大量的研究者围绕热处理的相关工艺参数进行了研究，当选定某一温度时，长时间热处理可以充分地对镀层和基体除氢，但加热不宜过快，否则可能由于基体与镀层材料热膨胀系数的差异产生微裂纹。Markocsan等[31]研究发现，在热处理过程中镀层界面处会形成一层薄的热生长氧化物层，镀层接合强度随温度的升高而升高。王丽丽等[32]认为，镀层接合强度与加热温度并不存在一定的规律，通过对镍-磷合金镀层进行热处理试验发现，当温度<250 ℃或者>300 ℃时，接合强度随热处理温度的升高而升高；但温度处于250～300 ℃时，随热处理温度的升高，镀层接合强度下降。C. T. Dervos等[33]对镀层材料采用真空热处理方法，相对于普通热处理，不仅获得了更好的接合强度，而且热处理时间明显缩短。

1.4 其他影响因素

赵乃义等[34]通过试验研究发现，具有一定曲率基体的试样上的镀层，其内部形成的纵向裂纹尺寸与数目远大于平板试样，且在曲率试样上还存在一定数量的横向裂纹的萌生，从而直观地判定具有曲率试样表面镀层的界面接合强度低于平板试样。郝爱民等[35]认为基体中化学成分对接合强度产生了较大影响，在热镀锌工艺中，铁-锌反应随钢基体碳含量增加而加剧，镀层变厚，从而导致镀锌层接合性能变差，基体中硅含量不宜超过0.04%，否则造成镀锌板表面形成一层氧化膜，黏附性能变差。

2 结语

随着镀层材料的广泛应用，研究人员从制备、性能及检测技术方面展开了广泛的研究，成功地解决了一些关键问题。通常镀层材料要经过多道工序才能得到所需的零部件形状，镀层与基体将产生多次塑性变形，由于镀层与基体材料性能及零部件各部位加工变形量和变形方式等差异，可能造成镀层材料的局部失效。鉴于此，研究者不仅要发现镀层制备过程中影响镀层接合强度的因素，寻求不同的方法来改善镀层的接合力，而且还需要关注镀层在加工中的接合强度的提高，通过改变镀层加工中所涉及的工艺参数，从而提高镀层的使用性能，摸索出相适用的工艺使接合强度得到新的提高。

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*湖南科技厅应用基础研究计划项目(2013FJ3092)

责任编辑郑练

AnalysisofInfluencingFactorsofBondingStrength

ZHANG Xiaobing,LIU Weicheng

(Engineering Training Center, Hunan Institute of Engineer, Xiangtan 411101, China)

As its excellent performance, coating material has been widely applied to various fields. Bonding strength is an important criterion of the coating quality, which has direct effects on the utility of coating material. According to the process of coating preparation, pre-plating process, plating process and the treatment after plating on the bonding strength of the coating were summarized, and some methods improving bonding strength were put forward.

coating material, bonding strength, influence factors

TH 128

：A

张小兵(1978-)，男，讲师，博士，主要从事材料等方面的研究。

2014-10-09