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    氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳工藝及鍍層性能研究

    發布日期:2017年12月17日

    摘 要: 目的在氧化鋁陶瓷表面化學鍍金屬鎳鍍層, 研究施鍍時間對氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的表面形貌、組織結構、顯微硬度、表面粗糙度和鍍鎳層結合力的影響。方法 所用鍍液組成及工藝參數為:NiSO4·6H2O25g/L, NaH2PO2·H2O 22g/L, Na3C6H5O7·2H2O 64g/L, (NH4) SO4 62g/L, pH=5.06.0, 水浴加熱至90℃, 施鍍時間14h。采用NovaNanoSEM50型場發射掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面微觀形貌, 采用TH765型自動顯微硬度儀測試鍍層硬度, 采用OLS4000型三維形貌測量儀測量鍍層表面粗糙度, 采用壓入法和熱震試驗評價鍍層的結合性能。結果 施鍍時間為14h時, 1h鍍層表面金屬光澤性好, 呈銀白色, 4h鍍層表面更為細膩, 但表面光澤性較差。隨著施鍍時間的增長, 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層表面越光滑, 顯微硬度越大。不同施鍍時間下的化學鍍層均沒有出現起泡、片狀剝落或者與氧化鋁基體分離等現象。結論 施鍍時間為14h時, 在溫度和pH不變的情況下, 隨著施鍍時間增加, 化學鍍鎳層厚度變化不大, 但是鍍層顆粒更細小, 顯微硬度明顯提高, 表面粗糙度降低, 鍍層結合力良好。

    陶瓷具有高硬度、高耐蝕性、高介電性等諸多優點。隨著材料科學和工藝的發展, 陶瓷材料已從傳統的硅酸鹽材料, 發展成為除了要求力學性能外, 還要求聲、光、熱、電等方面性能的現代陶瓷材料[1-3], 其用途也越來越廣。陶瓷應用時, 往往要進行部分或全部的表面金屬化處理, 以使陶瓷更容易電鍍加工、生產, 增加其可焊性, 增強其與金屬間的結合力, 并且使其表面具有金屬光澤[4-7]。

    陶瓷化學鍍是實現陶瓷材料表面金屬化的一種重要手段, 鍍后能進一步擴大其用途, 使其在電子電路、裝飾材料等方面得到應用。化學鍍不需要外加電源, 操作方便, 工藝簡單, 鍍層均勻, 孔隙率低, 外觀良好, 能在塑料、陶瓷等多種非金屬基體上沉積, 包覆性優良 (不用外加電源, 凡鍍液能浸到的部位, 即使是復雜零件的微小孔、盲孔都可以獲得均勻鍍層) , 附著力、抗腐蝕性、耐磨性好, 功能性優異, 以上優點使其得到了迅速發展和廣泛應用[8-11]。

    目前, 陶瓷表面金屬化主要應用于電子元件制造、電磁屏蔽和室內裝飾等領域。國內已有不少關于陶瓷表面金屬化的報道。崔永麗等[12]為提高陶瓷金屬化層的焊接性能, 提出了一種陶瓷二次金屬化鍍鎳工藝, 介紹了鍍鎳液的配方、工藝條件及具體工藝流程, 探討了鍍鎳層常見缺陷的原因并提出了解決方法。張德庫[13]研究了硫酸鎳濃度、次亞磷酸鈉濃度、施鍍溫度、施鍍時間等對鍍層沉積速率的影響, 對鍍層進行了金相分析, 從而得到了化學鍍鎳的優化工藝。但有關施鍍時間對陶瓷表面化學鍍鎳層性能影響的報道較少。

    本文采用化學鍍的方法在氧化鋁陶瓷表面制備金屬鎳鍍層。研究了不同施鍍時間對氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的表面形貌、組織結構、顯微硬度、表面粗糙度以及鍍鎳層結合力的影響。

    1 實驗

    1.1 實驗材料

    選取Al2O3陶瓷片作為基材試樣, 試樣原始形貌見圖1, 尺寸為25.0mm×25.0mm×2.0mm。采用XRD衍射儀對試樣進行相分析, 樣品為純度99%的α-Al2O3陶瓷, 衍射圖譜見圖2。

    圖1 未經任何處理的原始試樣

    圖2 試樣的XRD圖譜

    1.2 化學鍍液制備

    化學鍍液主要包括鎳鹽、還原劑和絡合劑三種成分, 陶瓷表面化學鍍鎳配方及工藝條件見表1。

    表1 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳配方及工藝條件

    1.3 陶瓷表面化學鍍鎳工藝流程

    化學鍍之前, 要對氧化鋁陶瓷表面進行預處理。工藝流程為:除油→超聲波清洗→脫水烘干→粗化→超聲波清洗→脫水烘干→敏化→活化→水洗→化學鍍鎳。上述水洗工序均采用去離子水, 超聲波清洗均采用無水乙醇, 目的是徹底清除含在陶瓷微孔中的除油液。脫水烘干是為了將陶瓷含浸的水徹底脫掉, 一般在200~400℃下進行烘干。采用氫氟酸進行化學粗化, 使用氟化物處理液是為了溶解陶瓷中的二氧化硅, 從而使表面具有一定的粗糙度。陶瓷的敏化與活化, 分別采用氯化亞錫溶液、氯化鈀溶液作為敏化液和活化液。完成以上表面預處理后, 陶瓷進入鍍槽開始化學鍍鎳[14-17]。

    1.4 測試與表征

    采用美國FEI公司生產的Nova Nano SEM50型場發射高分辨掃描電子顯微鏡 (FE-SEM) 觀察鍍層的表面微觀形貌, 采用日本奧林巴斯公司生產的OLS4000型三維形貌測量儀測試鍍層表面粗糙度。采用TH765型自動顯微硬度儀測試鍍層硬度, 載荷100g, 保持10 s, 每種鍍層測4個位置, 計算平均值。

    采用WGL-230B型電熱鼓風干燥箱進行熱震實驗, 測試鍍層的結合性能, 溫度設定為 (250±10) ℃, 保溫30min, 然后迅速將試樣放入室溫的水中驟冷, 反復進行25次。采用北京時代四合科技有限公司生產的THR-150D型洛氏硬度計, 進行壓入法鍍層結合力測試:120°圓錐金剛石壓頭, 施加壓力60kg, 保持30s, 出現明顯壓痕。采用Nova Nano SEM50型場發射掃描電子顯微鏡 (FE-SEM) 觀察壓痕微觀形貌及裂痕。采用蘭州微納儀器科技有限公司生產的MFT-4000型多功能材料表面性能試驗儀, 測量不同鍍層破壞的臨界載荷, 加載速度60N/m, 劃痕長度10mm。

    2 結果與討論

    2.1 化學鍍鎳層的表面形貌

    圖3為不同施鍍時間下氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳的SEM圖。從圖3a可知, 施鍍1h時, 鍍層表面

    圖3 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的微觀形貌

    較平整, 鍍層結合致密, 覆層顆粒較為粗大, 鍍層表面無孔洞。隨著施鍍時間的延長, 鍍層表面平整度無明顯變化, 但在高倍電鏡下可觀察到覆層顆粒變得多而細小, 呈葡萄狀排布, 致密無間隙。對比不同施鍍時間下氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳的組織形貌, 發現施鍍1h鍍層的表面金屬光澤性好, 呈銀白色, 施鍍4 h鍍層的表面更為細膩, 但表面光澤性較差。

    2.2 化學鍍鎳層的表面粗糙度

    圖4為施鍍時間對氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層表面粗糙度的影響。由圖可知, 隨著施鍍時間的增長, 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層表面粗糙度越小。施鍍2h時, 表面粗糙度開始有明顯改善;施鍍3 h時, 表面粗糙度變化不大;施鍍4 h時, 表面最光滑, Ra為0.668μm, 且較其他施鍍時間, 表面粗糙度改善幅度最為明顯。這是因為隨著施鍍時間的增長, 鍍層顆粒逐漸變細小, 晶粒排布更致密, 從而使得氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的表面粗糙度變小, 表面變光滑。

    圖4 施鍍時間與表面粗糙度的關系

    2.3 化學鍍鎳層的顯微硬度

    圖5為氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層顯微硬度與施鍍時間的關系。由圖可知, 隨著施鍍時間增長, 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的顯微硬度逐漸增大。施鍍4h時, 硬度最大。這與施鍍時間對鍍層微觀組織的影響有密切關系, 沉積層的顯微硬度主要受晶粒尺寸、內應力以及可動位錯密度的影響, 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層亦如此, 其顯微硬度H與晶粒尺寸d之間的關系可用Hall-Petch公式H=H0+k/d描述。其中, H0和k是大于零的常數。顯然, H與1/d呈線性關系, 即鍍層的顯微硬度隨晶粒尺寸的減小而提高[17]。

    圖5 不同施鍍時間下所得氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層顯微硬度

    2.4 化學鍍鎳層的結合力

    采用壓入法和熱震試驗評價鍍層的結合力。圖6為熱震實驗后, 不同施鍍時間下氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的表面形貌。可以看出, 經熱震實驗后, 不同施鍍時間下所制備的化學鍍層均沒有出現起泡、片狀剝落或者與氧化鋁基體分離等現象, 即鍍層結合力良好, 無明顯宏觀變化。

    圖7為采用壓入法后所形成壓痕及周圍裂紋的微觀形貌, 裂紋在圖中用箭頭標出, 并用數字進行了編號, 便于記錄裂紋數量。圖7b、d、f、h分別為圖7 a、c、e、g中白色方框區域的放大照片。由圖可以看出, 施鍍1h時, 壓痕周圍有明顯片狀剝落, 裂紋較少且較為粗大;施鍍2h時, 壓痕較為平整, 無明顯剝落痕跡, 裂紋較少且較為粗大;施鍍3、4h時, 裂紋明顯增多且細長, 有向外延伸的趨勢。施鍍時間為1h和2h時, 裂紋較少, 說明鍍層結合力更好。

    圖6 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層熱震實驗后表面形貌

    圖7 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層壓痕及裂紋的微觀形貌

    上述兩種方法可定性檢測鍍鎳層與基體的結合強度, 對于不同施鍍時間對結合強度的影響并不能用數值來反應出結果, 為此采用劃痕法來測量不同施鍍時間下, 氧化鋁陶瓷表面鍍鎳層結合力大小。

    圖8為氧化鋁陶瓷化學鍍鎳層表面劃痕的宏觀形貌, 圖9為氧化鋁陶瓷化學鍍鎳層的劃痕實驗曲線和劃痕的微觀形貌。從圖9a中可以看到, 載荷約11.5N處出現了顯著聲發射信號, 而且摩擦力和摩擦系數也在此處發生了明顯變化, 此時對應的劃痕距離約1.3mm。觀察該處的形貌 (圖9b) 可以看到鍍層已發生破壞, 暴露出了陶瓷基體, 說明該處信號對應鍍層與基體結合失效。一般用臨界載荷的大小來表征鍍層的結合強度, 劃痕法測得的不同施鍍時間樣品的臨界載荷見圖10。由圖可以看出, 隨著施鍍時間的增長, 臨界載荷越來越小, 且施鍍3h和施鍍4h時的差別不大, 與壓入法測得的結果一致。這是因為隨著施鍍時間的增長, 氧化鋁陶瓷表面鍍鎳層的硬度增大, 鍍鎳層脆性增大。

    圖8 氧化鋁陶瓷化學鍍鎳層表面劃痕的宏觀形貌

    圖9 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層劃痕形貌與劃痕實驗曲線

    圖10 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層臨界載荷與施鍍時間的關系

    3 結論

    采用化學鍍制備氧化鋁陶瓷表面鍍鎳層, 鍍層組織致密, 表面平整, 無孔洞。施鍍時間為1~4h時, 隨著施鍍時間增長, 表面越來越光滑, 但金屬光澤性逐漸降低。施鍍時間對氧化鋁陶瓷表面鍍鎳層的顯微硬度有影響, 施鍍時間越長, 鍍層維氏硬度越大, 但施鍍3h后, 鍍層硬度變化不明顯, 隨施鍍時間延長, 鍍層結合強度下降。施鍍時間為2h時, 氧化鋁陶瓷表面化學鍍鎳層的結合強度、表面粗糙度和光澤度較優, 工藝參數為:Ni SO4·6H2O 25g/L, Na H2PO2·H2O22g/L, Na3C6H5O7·2H2O 64g/L, (NH4) SO462g/L, p H=5.0~6.0, 水浴加熱至90℃。

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