近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，新材料不斷問世，對材料的處理加工工藝要求也不斷提高，化學(xué)鍍Ni-P合金復(fù)合熱處理便是其中一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶幚砑夹g(shù)。化學(xué)鍍Ni-P合金復(fù)合熱處理是將熱處理工藝與化學(xué)鍍Ni-P合金處理技術(shù)相復(fù)合，以更大程度地挖掘材料潛力，使零件獲得單一工藝所無法達到的優(yōu)良性能。這一發(fā)展方向是我國2010年以前發(fā)展和改進中國的熱處理工藝技術(shù)，縮小與先進國家熱處理水平差距的重要方向之一[1]。
1化學(xué)鍍Ni-P合金及其基本原理
化學(xué)鍍方法是一種操作簡便，對設(shè)備要求不高，且適用于任何復(fù)雜形狀工件的處理技術(shù)，其中研究和應(yīng)用最為廣泛的是化學(xué)鍍Ni-P合金。它具有較高的硬度、耐磨性、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的釬焊性能，鍍層均勻、光潔度高，且鍍層與基體結(jié)合牢固。因此受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，并向許多應(yīng)用領(lǐng)域延伸[2、3]。
化學(xué)鍍Ni-P合金的基本原理目前為大多數(shù)人接受的是原子氫態(tài)理論[4]，分為幾個步驟：
（1）鍍液在加熱時，通過次亞磷酸鹽在水溶液中脫氫，形成亞磷酸根，同時放出初生態(tài)原子氫，即：
（2）初生態(tài)的原子氫吸附催化金屬表面而使之活化，使鍍液中的鎳陽離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳，即：
（3）隨著次亞磷酸根的分解，還原成磷，即：
（4）鎳原子和磷原子共同沉積而形成Ni-P固溶體。
次亞磷酸鹽在催化劑作用下，可生成活性氫原子，它將鎳離子還原為金屬鎳，與此同時，活性氫原子還將次亞磷酸根還原生成單質(zhì)磷，因而所得的鍍層為Ni-P合金固溶體。所沉積的鎳具有自催化作用，使氧化還原反應(yīng)不斷進行，從而使Ni-P層不斷增厚，理論上，鍍層厚度與反應(yīng)時間成正比。
從反應(yīng)可知，伴隨反應(yīng)產(chǎn)生活性氫原子吸附在催化劑表面上并有大量氫氣析出（副反應(yīng)），故在鍍層中夾雜有氫，因此鍍層有較大的內(nèi)應(yīng)力和氫脆，鍍層表現(xiàn)出較大的脆性；另一方面，當(dāng)含磷量較高時，鍍態(tài)組織形成非晶態(tài)[5]，更增加了鍍層的脆性，削弱了鍍層與基體的結(jié)合力。正是由于這些原因，才出現(xiàn)了化學(xué)鍍Ni-P合金和熱處理的復(fù)合處理技術(shù)。
2鍍后熱處理強化原理
2.1化學(xué)鍍Ni-P合金的鍍態(tài)組織及性能
據(jù)資料報道[2，6]，化學(xué)鍍Ni-P合金的鍍態(tài)組織為“菜花狀”或“胞狀”,鍍層厚度均勻。經(jīng)XRD分析，含磷量較高的鍍層，其衍射峰為“山丘”狀彌散的對稱衍射峰，說明鍍態(tài)組織為典型的非晶態(tài)[7]。且其結(jié)構(gòu)具有隨含磷量降低由非晶態(tài)微晶晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢[5]。鍍層內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力[8]。
鍍層抗腐蝕性能較好，對除硝酸、三氯化鐵等少數(shù)幾種介質(zhì)外的大部分腐蝕介質(zhì)，如硫酸、鹽酸、氫氟酸、氫氧化鈉等，其抗腐蝕能力是1Cr18Ni9Ti不銹鋼的數(shù)倍。鍍層具有一定的硬度，為HV520-580，經(jīng)熱處理后可大幅度提高。具有較好的潤滑和減摩性能，與鋼的摩擦系數(shù)（無潤滑條件下）為0.38，自身摩擦系數(shù)為0.05?；瘜W(xué)鍍后工件表面基本上保持原光潔度，鍍件無需再加工，特別適合形狀復(fù)雜的零件。但由于非晶態(tài)合金的脆性，加上前述析氫反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣和由此產(chǎn)生的夾雜，使鍍層內(nèi)應(yīng)力較大，并削弱了基體的結(jié)合力，綜合性能有待提高[3]。
2.2熱處理后組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變
經(jīng)常規(guī)熱處理，鍍層形貌未發(fā)生明顯變化，即使經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，在鍍層表面生成了厚度大約在10μm左右的一層氧化膜[9]。XRD分析表明，熱處理后的鍍層相結(jié)構(gòu)則發(fā)生了根本變化[2]，鍍層已從鍍態(tài)的非晶相轉(zhuǎn)變成晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中主要是晶態(tài)的Ni，還有少量第二相Ni3P存在。十分細小的Ni3P彌散分布在Ni基上。經(jīng)分析晶面間距，實測的晶面間距較標(biāo)準(zhǔn)的偏大，說明第二相Ni3P析出時與母相Ni保持著共格關(guān)系，從而引起點陣畸變。共格畸變的產(chǎn)生阻礙了位錯的運動，從而使得熱處理后的鍍層得到強化。由原先的非晶態(tài)組織轉(zhuǎn)變成晶態(tài)復(fù)合相（Ni+Ni3P），硬度提高至HV920-1050，相應(yīng)耐磨性也大幅度提高，穩(wěn)定磨損階段延長，磨損量降低。
若繼續(xù)提高熱處理溫度，Ni3P相的數(shù)量將會逐漸增加，鎳中磷含量進一步下降，共格畸變更加嚴(yán)重，硬度持續(xù)上升。400℃×1h熱處理可達到1040HV的硬度，此后再提高熱處理溫度，共格關(guān)系破壞，彈性應(yīng)力場松弛，Ni3P相粗化，硬度逐漸下降[7]，晶粒也將變得十分粗大[9]。
2.3熱處理后應(yīng)力狀態(tài)變化
鍍層內(nèi)應(yīng)力的變化與其組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是密切相關(guān)的。較低溫度的熱處理，如200℃×1h，鍍層的XRD衍射峰雖然沒有明顯晶化，但鍍層內(nèi)部吸收的氣體溢出，并且鍍層結(jié)構(gòu)可能有馳豫現(xiàn)象發(fā)生，而鍍層內(nèi)的拉應(yīng)力則一定程度上降低了[9]。溫度升高，鍍層開始晶化，到400℃左右晶化反應(yīng)基本完成，引起鍍層的缺陷增加，Ni3P相的析出導(dǎo)致鍍層體積收縮，拉應(yīng)力增大。到溫度升高至600℃左右時，晶粒發(fā)生長大，鍍層拉應(yīng)力增大。
由于界面結(jié)合力和鍍層內(nèi)應(yīng)力的表征困難，對內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強度的研究大部分還停留在定性和半定量的研究上，這方面的文獻很少[10]。
2.4熱處理對鍍層結(jié)合強度的影響
鍍層與基底間結(jié)合強度的變化主要與兩者間界面處的元素擴散有關(guān)。文獻［11］研究了鋼基Ni－P鍍層與鋼基底的擴散，化學(xué)鍍層與基底在鍍態(tài)主要靠物理結(jié)合，經(jīng)過后續(xù)熱處理，鍍層與基體的擴散不斷加劇，鍍層與基底間形成較強的化學(xué)鍵合，從而大大提高了鋼基與化學(xué)鍍層之間的結(jié)合力。文獻［11］也指出，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬連續(xù)堅固的Ni－Fe擴散層，加強了鍍層與基體的結(jié)合。另外，鍍層和基體間的結(jié)合力還與兩者的晶格點陣類型有關(guān)。若兩者點陣類型相同，晶格常數(shù)接近，在界面處兩相易于形成共格關(guān)系，兩者的結(jié)合就牢固，否則就差[7]。此外，鎳磷合金鍍層與基體的結(jié)合力還要受到鍍層自身塑性的影響。鍍態(tài)下的鎳磷合金鍍層脆性很大，隨基體發(fā)生變形而開裂、起皮、剝落。經(jīng)過熱處理，特別是高于晶化溫度的熱處理，能明顯提高鎳磷合金的塑性，從而改善鍍層與基體的結(jié)合力。
2.5熱處理對鍍層耐腐蝕性能的影響
化學(xué)鍍Ni－P合金是一種有效提高材料耐腐蝕性的方法[7]。眾多文獻顯示[12-13]，鍍層中含磷量較高且呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，耐蝕性最好。同時，鍍層表明形貌對耐蝕性的影響也不可忽視。表面無缺陷，大小均勻、表面光滑的胞狀組織比大小不均勻、表明粗糙、凸凹明顯的胞狀組織耐蝕性好[6]。
進一步的研究表明，對于高磷鍍層，提高熱處理溫度，延長熱處理保溫時間[9]對鍍層耐蝕性具有相當(dāng)大的影響。隨熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，高磷鍍層的耐蝕性先下降，在500℃熱處理時耐蝕性最差，然后耐蝕性逐漸增強，在750℃熱處理時耐蝕性最好。其原因主要有三個方面。鍍層經(jīng)500℃熱處理，鍍層組織由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)晶界、相界等晶體缺陷；由于析出Ni3P，引起鍍層體積收縮而導(dǎo)致晶界增多，而且Ni3P相在500℃左右均勻彌散分布，使得鍍層基體相中磷含量降低，使鍍層電位負移且容易形成原電池，加劇腐蝕[14]；同時，Ni3P的析出使合金鍍層晶格尺寸發(fā)生了變化，造成應(yīng)力集中。以上因素造成鍍層在500℃熱處理后的耐蝕性稍有降低。而在750℃高溫?zé)崽幚頃r，成為晶態(tài)組織的鍍層經(jīng)高溫加熱、保溫，鍍層經(jīng)歷聚集長大，晶界總面積減小，減小了腐蝕發(fā)生的可能性；其次鍍層在空氣中高溫退火時表明形成了一層致密的、較厚的氧化膜，阻止了腐蝕的進行；第三，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬的連續(xù)堅固的Ni－Fe擴散層[11]，加強了鍍層與基體的結(jié)合，使鍍層抗蝕性上升。
3化學(xué)鍍復(fù)合熱處理在模具表面處理上的應(yīng)用
模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，不僅是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，而且在很大程度上決定著這個國家產(chǎn)品質(zhì)量、效益及新產(chǎn)品開發(fā)能力。我國模具的低水平問題早已是公認的事實。我國目前的模具開發(fā)制造水平比國際先進水平至少相差10年[15]。而如前述，化學(xué)鍍Ni-P合金有良好的耐磨、耐腐蝕和潤滑性能，經(jīng)熱處理后有較高的硬度（400℃保溫1h可達1100HV），鍍層與基體具有良好的結(jié)合力(工藝合理可達1200Mpa)，且鍍層均勻，對于盲孔、溝槽、螺紋等均可獲得均勻的鍍層[16]。而這些優(yōu)點對于形狀復(fù)雜的模具成型部件，是非常適用的，所以這些年來，化學(xué)鍍在模具上的應(yīng)用也日益廣泛。
3.1化學(xué)鍍Ni-P合金在塑料模具上的應(yīng)用
化學(xué)鍍Ni－P合金在塑料模具上的應(yīng)用最早也最為廣泛[16-19]。目前已經(jīng)在注塑模具、擠塑模、拉伸模等[16]模具上廣泛應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。
高進等對塑料成型模具表面進行了化學(xué)鍍Ni-P實驗[20]，還與采用其他表面處理工藝的試樣進行了比較，結(jié)果表明化學(xué)鍍Ni－P合金鍍層除了有良好的表面硬度和耐磨性以外，鍍層還具有較好的強韌性且與基體結(jié)合良好。
高紅霞等在45鋼塑料模具表面進行了Ni-P-SiC-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍工藝，實驗，得到自潤滑性和耐磨性優(yōu)良的復(fù)合鍍層。
傅建等在45鋼調(diào)質(zhì)態(tài)基體進行化學(xué)鍍試驗，取得了良好的效果[21]。Ni-P合金化學(xué)鍍對模具工作面強化方法成功地應(yīng)用于成都某塑料廠分廠。根據(jù)用戶反饋的消息，Ni-P化學(xué)鍍對于提高模具使用壽命和工作面的光亮度很有幫助，而且還節(jié)省了費用。
那明君等采用化學(xué)鍍制模工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制模工藝[17]，不僅使材料費降低10％～50％，縮短了制模周期，減少了加工費用，而且經(jīng)哈爾濱工藝標(biāo)牌廠生產(chǎn)表明，該技術(shù)有推廣應(yīng)用價值。
3.2化學(xué)鍍Ni-P合金在壓鑄模具上的應(yīng)用
壓鑄模具由于在高溫使用，并且有熔融狀態(tài)的金屬液體腐蝕、沖刷，所以工作條件苛刻，對模具表面的要求也更高。所以有些表面技術(shù)如：電鍍可以應(yīng)用于其他模具，但對壓鑄模就不太適用了。
據(jù)報道[2]，1995年東風(fēng)汽車集團化油器廠的銅合金壓鑄模具（3Cr2W8V），工作溫度為1000℃左右，采用化學(xué)鍍復(fù)合熱處理工藝強化后，平均使用壽命提高50％以上。
3.3化學(xué)鍍Ni-P合金在沖壓模具上的應(yīng)用
陳鈺秋等采用化學(xué)鍍Ni－P-SiO2合金復(fù)合熱處理技術(shù)在冷作模具鋼GD鋼表面進行了實驗[22]，結(jié)果表明，鍍層經(jīng)處理后，硬度明顯提高，為進一步工業(yè)應(yīng)用提供了參考價值。
3.4化學(xué)鍍Ni-P合金在鑄造模具上的應(yīng)用
鑄造模具因為使用溫度高，所以應(yīng)用其上的表面技術(shù)也要經(jīng)受較為苛刻的工作條件。
據(jù)報道[23]，黃石東貝集團鑄造公司的鋁合金鑄造模具，經(jīng)過表面化學(xué)鍍Ni-P合金復(fù)合熱處理后，提高了表明硬度、耐磨性能，縮短了50％的加工周期。該模具主要用于生產(chǎn)汽車制動器卡鉗體的生產(chǎn)，產(chǎn)品外觀平整光滑，精度達到要求，預(yù)期該模具可以完成超過10000臺套的產(chǎn)品鑄造。
1993年東風(fēng)汽車公司鑄造一廠的水輪葉泵鑄造模具[2]，采用化學(xué)鍍Ni-P合金復(fù)合熱處理后，鍍層與基體結(jié)合牢固，耐蝕和耐磨性能優(yōu)異，大幅提高了模具的使用壽命。該模具使用2年后仍在正常工作。
3.5化學(xué)鍍技術(shù)在快速原型模具上的應(yīng)用
快速原型技術(shù)制造模具是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，其極高的材料利用率、較低的制造成本和較短的制造周期使得這種技術(shù)成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要組成部分。
劉傳慧等將復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)應(yīng)用于熔融沉積產(chǎn)生的快速原型ABS零件芯模上[24]，得到Ni-P/PTFE復(fù)合鍍層，使得該零件芯模更加耐磨、耐腐蝕，而且表明具有不粘性和導(dǎo)電性，使該芯模進行硅膠注塑時脫模容易，經(jīng)久耐用，也使得電鑄成型有了實施的條件。
吳福生等人研制出適合于精密模具開發(fā)的電鑄化學(xué)鍍鎳工藝[25]，可以在以成型機制作的快速原型芯模上制備導(dǎo)電層。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了用于精密模具制造的電鑄成型機。
金洙吉等人經(jīng)過大量實驗，探索出一種在LOM紙質(zhì)原型上進行化學(xué)鍍銅的工藝[26]，可在LOM紙質(zhì)原型一層均勻的導(dǎo)電層，為后續(xù)的電鑄做好準(zhǔn)備，從而把LOM工藝快速制造原型、電鑄工藝精確復(fù)制原型和電弧噴涂紫銅快速背襯的特點結(jié)合在一起，快速制造出了EDM電極。經(jīng)實驗證明，該方法的電極性能良好、尺寸精度較高、完全能滿足電火花加工的需要，為電火花加工電極及模具的快速經(jīng)濟制造提供了新的途徑。
4結(jié)語
化學(xué)鍍Ni-P合金技術(shù)可在被處理零件表面形成厚度均勻的鍍層，鍍層內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力類型。經(jīng)過熱處理之后，鍍層由非晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，鍍層與基體結(jié)合力增強，耐腐蝕性與熱處理溫度密切相關(guān)，在高溫750℃處理后的鍍層耐蝕性最好。
化學(xué)鍍Ni-P合金復(fù)合熱處理技術(shù)在模具表面處理上的應(yīng)用日益廣泛，尤其在塑料模具上的應(yīng)用日漸成熟，在鑄造模具和壓鑄模具上也有一定程度的應(yīng)用，在冷沖壓模具上的應(yīng)用較少，在快速原型制造模具上的應(yīng)用主要限于制備導(dǎo)電層，其他方面的應(yīng)用仍在研究中。
