第10章電鍍層性能及測定(1)

第十章

電鍍層性能及測定第一節(jié)概述第二節(jié)鍍層厚度的測定第三節(jié)孔隙率的測定第四節(jié)鍍層機(jī)械性能的測定第五節(jié)鍍層耐蝕性能測定(1)外觀檢查；(2)鍍層厚度和孔隙率；(3)機(jī)械性能；(4)耐腐蝕性能；(5)金相結(jié)構(gòu)；(6)其他特殊性能電鍍層性能測定的項(xiàng)目主要有：第一節(jié)外觀檢查掃描電子顯微鏡是對(duì)納米材料的表面形貌以及尺寸進(jìn)行表征的重要實(shí)驗(yàn)手段，它突破了光學(xué)顯微鏡由于可見光波長造成的分辨率限制，放大的倍率大大提高，能夠?yàn)橥繉拥难芯刻峁┓浅Ｖ苯拥淖C據(jù)，而且掃描電子顯微鏡的景深比大，掃描出的圖象富有立體感，提供的表面信息全面。掃描電子顯微鏡的工作原理：電子束從電子槍中發(fā)射出來，通過一個(gè)加速電場的作用后在電磁透鏡的作用下匯聚成一個(gè)直徑5nm的電子束，然后在掃描線圈作用下在樣品表面做光柵狀掃描，被加速的高能電子打在樣品表面和樣品作用后被檢測器捕獲，然后檢測器信號(hào)被送到顯像管，在屏幕上顯示出來。1.1掃描電子顯微鏡1.2X射線衍射分析多晶樣品中晶粒的取向是隨機(jī)的，但是當(dāng)某個(gè)晶面滿足Bragg方程的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生衍射，晶面上發(fā)生最強(qiáng)衍射的條件如下所示：2dsinθ=nλ因此會(huì)有很多的不同取向的晶粒滿足衍射的條件，這些衍射點(diǎn)通過照相或者計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)以后就可以得到該物種的x射線衍射譜線，然后根據(jù)圖譜中的衍射強(qiáng)度和數(shù)值可以判斷樣品的物相和相對(duì)含量。圖10.1納米級(jí)鎳鍍層的XRD譜線圖第二節(jié)鍍層厚度的測定2.1概述鍍層(包括電鍍、化學(xué)鍍層、磷化層、鋁陽極氧化膜等)的厚度，往往會(huì)影響到產(chǎn)品的使用性能(如耐腐蝕性、裝飾性、導(dǎo)電性)和使用壽命，以及成本等多項(xiàng)功能。常見的分類如下：(1)無損法和破壞法(2)化學(xué)法和物理法2.2無損法(1)磁性法；可測量磁性基體上，非磁性覆蓋層的厚度；磁性或非磁性基體上，鍍鎳層的厚度，誤差小于10%。(2)渦流法；測量非磁性金屬上非導(dǎo)電層的厚度。(3)β射線反向散射法；(4)x射線光譜測定法；(5)光切顯微鏡法；2.3破壞法(1)陽極溶解法；

陽極溶解測量方法，是一種使用方便、準(zhǔn)確度高、適用廣泛的測厚方法。本方法是電化學(xué)原理在電沉積領(lǐng)域中的一種具體應(yīng)用，它的工作原理是，配備必要的裝置，以電沉積零件做陽極置于適當(dāng)?shù)娜芤褐?，?duì)精確限定面積的涂層進(jìn)行恒電流溶解。(2)金相顯微鏡法，精確度較高，常作為其他測量方法的仲裁。(3)渦流法；(4)液流法；(5)輪廓儀法；(6)多光束干涉儀法3.1測量方法將吸有一定化學(xué)試劑的濾紙貼在經(jīng)過清潔處理試樣的受測表面上，孔隙處濾紙上的試劑和底層金屬作用生成有色斑點(diǎn)。必要時(shí)可用滴管向貼好的濾紙補(bǔ)加試液。使濾紙?jiān)跍y定時(shí)間內(nèi)保持濕潤。到時(shí)間后，取下印有孔隙斑點(diǎn)的濾紙。用蒸餾水沖洗，放到清潔玻璃板上，干燥后計(jì)其孔隙數(shù)。試液為：鐵氰化鉀10g/L；氯化鈉20g/L。3.2孔隙率計(jì)算分別計(jì)算在測定涂層面積內(nèi)藍(lán)色斑點(diǎn)數(shù)目，再將所得數(shù)相加。然后確定一個(gè)平方厘米內(nèi)孔的數(shù)目：孔隙率=n/s(個(gè)/cm2)。

式中n-孔隙斑點(diǎn)數(shù)(個(gè))s-受檢涂層面積(cm2)第三節(jié)鍍層孔隙率的測定4.1耐磨性能測試耐磨性是材料抵抗磨損的性能，這是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)。迄今為止，還沒有意義明確的統(tǒng)一的耐磨性指標(biāo)。通常是用磨損量來表示材料的耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高。測量電鍍層的耐磨性有很多方法。但是最直接最簡單最有效的方法是采用磨損試驗(yàn)機(jī)直接測量。

硬度測試的基本原理是：在一定時(shí)間間隔里，施加一定比例的負(fù)荷，把一定形狀的硬質(zhì)壓頭壓入所測材料表面，然后，測量壓痕的深度或大小。如圖所示，顯微硬度是指采用1Kgf(9.8N)或小于lKgf(9.81N)負(fù)荷進(jìn)行的硬度試驗(yàn)。4.2表面顯微硬度測試圖10.2顯微硬度測試原理第四節(jié)鍍層機(jī)械性能測定4.3內(nèi)應(yīng)力測試

宏觀內(nèi)應(yīng)力的測量主要采用力學(xué)方面；微觀應(yīng)力采用X射線分析法。目前采用的力學(xué)方法有彎曲陰極法、剛性平帶法、螺旋收縮儀法、應(yīng)力儀法、長度變化法等。

（1）彎曲陰極法彎曲陰極法是一種經(jīng)典測量方法，陰極為一條長而窄的金屬箔，測量時(shí)與陽極平行放置，背向陽極一面絕緣，電鍍時(shí)一端固定。鍍層應(yīng)力是通過電鍍后陰極的變形，再根據(jù)胡克定律計(jì)算即可，即應(yīng)力σ=Eε，E為已知的彈性模具，ε是電鍍后產(chǎn)生的應(yīng)變。應(yīng)變可用陰極產(chǎn)生的撓度、自由端位移或陰極的曲率半徑來表示。（3）X射線法

X射線法既能測量鍍層的宏觀應(yīng)力，又能測量鍍層的微觀應(yīng)力。根據(jù)X射線的形成的衍射圖，測量有無應(yīng)力兩種狀態(tài)下晶面間距的差別或點(diǎn)陣的畸變量來求得應(yīng)力值。此時(shí)可測量出宏觀內(nèi)應(yīng)力。通過衍射線的展寬，可以測出微觀應(yīng)力。（2）螺旋收縮儀法

螺旋收縮儀就是將試樣做成螺旋形，以增加陰極長度，從而提高測量精度。螺旋式鍍層應(yīng)力測試儀是我國根據(jù)螺旋收縮法原理制造的。它是利用特種鋼材和專門工藝制成專用螺旋管。螺旋管一端固定，另一自由端與帶刻度機(jī)構(gòu)的活動(dòng)軸相連。當(dāng)對(duì)螺旋管進(jìn)行單面電鍍時(shí)，由于鍍層的應(yīng)力，使螺旋軸產(chǎn)生扭曲，其扭曲力矩借助自由端通過放大機(jī)構(gòu)，是指針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度即可計(jì)算鍍層的內(nèi)應(yīng)力值。（a）（b）

圖10—3鍵層應(yīng)力的測量方法（a）彎曲陰極法（b）螺旋收縮儀法4.4氫脆的測試

關(guān)于氫脆的研究測試方法主要包括兩方面：氫的含量和存在狀態(tài)測定；滲氫后塑性變化的測定。前者包括各種物理和化學(xué)的測氫方法，后者主要從力學(xué)性能和金屬物理方面著手。（1）氫含量的測定金屬內(nèi)實(shí)際含氫量的測定，常作為氫脆研究的基本方法。測試的方法有：1）勞倫斯測氫儀法適用于高強(qiáng)度鋼鍍鎘過程的監(jiān)控。2）中子射線光譜法不僅能測定氫的含量，還能測出氫原子在四面體或八面體點(diǎn)陣間隙中的位置及氫原子在間隙中的振幅，該方法作為一種研究方法正在發(fā)展完善中。3）電化學(xué)暫態(tài)分析法可以測定氫的擴(kuò)散速度、流量、擴(kuò)散系數(shù)、吸附原子的覆蓋率及滲入歷程等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。（2）力學(xué)測試方法在力學(xué)測試方法中，目前常用的是缺口持久試驗(yàn)法。這種方法是用帶缺口的抗拉試樣，可在持久拉伸機(jī)械機(jī)或蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行延遲破壞試驗(yàn)。如果材料在大于發(fā)生氫脆延遲破壞的時(shí)間里還沒有斷裂，就認(rèn)為氫脆性合格。缺口持久試驗(yàn)法獲得的結(jié)果重現(xiàn)性較好，但對(duì)試樣的加工要求高，持續(xù)時(shí)間很長，不合適氫脆的生產(chǎn)控制，美國海軍研究發(fā)展中心發(fā)展了一種應(yīng)力環(huán)試驗(yàn)法。這種方法主要用于生產(chǎn)上的監(jiān)控，比較簡單，成本低，速度快。缺口C形應(yīng)力環(huán)可以作為這種方法的代表，此法所用的試樣形狀和尺寸如圖10-4所示。試樣外徑為2英寸(約50.8毫米)，壁厚為1/8英寸(約3.2毫米)的管材，試樣寬度為1.25英寸(約32毫米)，加工成60°角的缺口。試樣由沿直徑穿過的螺栓加載，并用螺帽調(diào)節(jié)，試樣承受的載荷用應(yīng)力計(jì)測量，載荷通常采用破壞載荷的75％，測試時(shí)間為200小時(shí)，200小時(shí)后，C形環(huán)不破裂為氫脆性合格。

圖10-4C行缺口應(yīng)力環(huán)試樣第五節(jié)鍍層耐蝕性能測定鍍層耐蝕性測定方法有戶外曝曬腐蝕試驗(yàn)和人工加速腐蝕試驗(yàn)。戶外曝曬試驗(yàn)對(duì)鑒定戶外使用的鍍層性能和電鍍工藝特別有用，其試驗(yàn)結(jié)果通常可作為制定厚度標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。人工加速腐蝕試驗(yàn)主要是為了快速鑒定電鍍層的質(zhì)量。人工加速腐蝕試驗(yàn)方法有：中性鹽霧試驗(yàn)；乙酸鹽霧試驗(yàn)；腐蝕膏腐蝕實(shí)驗(yàn)等。5.1自然環(huán)境戶外曝曬腐蝕實(shí)驗(yàn)把各種金屬覆蓋層、轉(zhuǎn)化膜和其它無機(jī)覆蓋層靜止在戶外曝曬場內(nèi)的試樣架上，進(jìn)行自然大氣條件下的腐蝕試驗(yàn)，定期觀察及測定。5.2人工加速腐蝕實(shí)驗(yàn)金屬鍍層的人工加速腐蝕試驗(yàn)，主要是為了快速鑒定金屬鍍層的質(zhì)量，如孔隙率、厚度是否達(dá)到要求，鍍層有否缺陷等。同時(shí)也用來比較不同鍍層抗大氣腐蝕的性能。人工加速腐蝕實(shí)驗(yàn)種類很多：常用的有中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)和乙酸鹽霧試驗(yàn)(ASS)。圖10.3鹽霧腐蝕一周后的宏觀形貌分析圖（a.普通鎳鍍層,b.納米級(jí)鎳鍍層)ab絕大多數(shù)腐蝕過程的本質(zhì)是電化學(xué)性質(zhì)的，因此在腐蝕機(jī)理研究、腐蝕試工業(yè)腐蝕監(jiān)控中，廣泛地利用金屬/電解質(zhì)溶液界面(雙電層)的電性質(zhì)，所以化學(xué)測量技術(shù)己成為重要的腐蝕研究方法。常用的電化學(xué)方法有Tafel直線外推法、三點(diǎn)法、線性極化法、方波法、交流阻抗法等陽極極化曲線的測定試樣的制備：從鍍層試片上切下一塊10mm×15mm大小的試樣，在其背面焊接上一根導(dǎo)線，然后用AB膠封住非工作面，留下面積約為10mm×10mm大小的工作面。用脫脂棉球沾取無水乙醇輕輕的擦洗工作面除去油污，吹干待用。測量時(shí)采用三電極體系，工作電極為待測納米晶體鎳鍍層，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為