一种铝合金化学镀镍磷合金层的热处理方法

摘要

本发明公开了一种铝合金化学镀镍磷合金层的热处理方法。本发明首先将铝合金零件置于恒温干燥箱，加热至200℃，恒温30min，然后取出，在空气中冷却；其次在硼酸酒精溶液中加入全氟辛酸钠作为活性剂，搅拌后形成热处理保护剂，将烘干后的铝合金零件放入保护剂，浸泡5-10min，浸泡温度为20℃-40℃；最后将浸泡热处理保护剂后的铝合金零件放入温度为380℃-450℃的马弗炉，恒温40-60min热处理，然后取出，空气冷却。本发明通过保护剂预处理，可以在保证非晶态化学镀镍磷镀层在非真空热处理后，Hv≥850，并保证镀层颜色不发生变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金化学镀镍磷合金层的热处理方法。

背景技术

铝合金具有机械强度高、密度小、导热导电性好、韧性好、易加工等特点， 因而在工业中是应用最广泛的一类有色金属结构材料，尤其在在航空航天、汽 车、机械制造、船舶及化学工业中大量应用。铝合金表面覆盖一层致密的氧化 膜，它可将铝合金与周围环境隔离开来，避免被氧化。但是这层氧化膜易受到 强酸和强碱的腐蚀，同时铝合金易产生晶间腐蚀，表面硬度低，不耐磨。

随着工业技术的不断发展，应用领域的不断扩大，服役条件的复杂化，对 铝合金制备的零件，如高端汽车制动阀芯、重装设备接插件、机柜导轨等提出 了越来越搞的表面硬度和耐磨性要求。因此要对铝合金表面进行耐磨性和提高 硬度处理。目前使用较多的的工艺有：电镀硬铬、微弧氧化、化学镀镍磷合金、 化学镀镍镍硼合金。铝合金表面电镀铬（15μm）虽然具有高硬度（850-1100Hv）， 但由于具有很大的环境污染性，六价铬离子是强致癌物，国家已经不提倡，也 不具有可持续发展性。在铝合金表面进行微弧氧化，可以得到硬度为450Hv和 1600Hv的内/外双层膜，但微弧氧化只适合形状简单的零部件，且耗能大。化学 镀镍具有以下优点：无需通电、较为环保；镀层厚度及其均匀，处理部件不受 形状限制，不变形，特别是适用于形状复杂，深盲孔及精度要求高的细小及大 型部件的表面处理；具有优良的抗耐蚀性能，在许多酸、碱、盐、氨和海水中 具有良好的耐蚀性，其耐蚀性要比不锈钢优越的多；处理后的部件，表面光洁 度高，表面光亮，不需要重新的机械加工和抛光，可直接装机使用；镀层与基 体的结合力高，不易剥落，其结合力比电镀硬铬和离子镀要高。所以化学镀镍 是提高铝合金表面耐磨性和硬度的首选方法。目前，常用的主要有化学镍磷和 化学镍硼两种工艺。其中化学镍磷根据磷含量的不同又可分为低磷（含磷2-5% 质量百分比）、中磷（含磷6-9%质量百分比）、高磷（含磷10-14%质量百分比）。 三种成分镀态下镀层均为非晶态的Ni-P合金，镀态硬度分别为650-800Hv、 500-650Hv、350-500Hv，要满足高耐磨、高硬度的使用条件（Hv≥850）还要进 行热处理，但是低磷和中磷化学镍磷镀层的硬度在热处理之后不升反降，只有 高磷化学镍磷镀层在300℃以上进行热处理是可以使硬度提高，各种实验结果表 明，最佳热处理工艺是400℃热处理1h，得到的镀层硬度可以达到900-1100Hv。 （以上提到的各种镍磷镀层厚度均为15μm，镀层硬度采用HX1000显微硬度计测 试，测试条件为：50g，15s。）这是非晶态Ni-P层在350℃开始晶化，析出弥散 Ni₃P相，使镀层硬度大大提高，并在400℃/1h达到最佳，因为随着温度升高或 者时间延长，晶态Ni₃P相不断长大，反而会使镀层硬度降低。化学镍硼得到的 合金镀层（15μm）在镀态状态下可以达到750-850Hv，基本可以满足耐磨性，但 是由于硼胺烷还原剂比较昂贵，平均成本为化学镀镍磷的2-3倍，而且工艺并不 成熟稳定，所以目前尚未大规模工业化应用。

通过综合比较，化学镀高磷镍磷合金并进行400℃/1h热处理是获得高硬度、 高耐磨铝合金零配件的理想工艺。但零件如果在非真空下进行400℃/1h热处理， 会镀层使表面氧化变色（实验数据表面温度超过305℃，镀层就会变色），这对 于很多使用环境是不允许的，如果在真空环境下进行热处理，那么由于真空热 处理炉的高成本、小空间又大大限制了这种工艺的使用和发展。因此，如何在 非真空环境热处理中保证镀层不发生变色氧化并使镀层硬度提高到Hv≥850有很 大的研究空间和研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金化学镀镍磷合金层的热处理方法，在非真 空热处理的条件下提高铝合金表面化学镍磷层的硬度和耐磨性。

一种铝合金化学镀镍磷合金后的热处理方法，其步骤如下：

1）铝合金表面进行化学镀镍磷合金。

2）将镀有10-14wt%镍磷合金镀层的铝合金零件置于恒温干燥箱，加热至 200℃，恒温30min，然后取出，空气冷却。

3）在硼酸酒精溶液中加入全氟辛酸钠作为活性剂，搅拌后形成热处理保护 剂，将烘干后的铝合金零件放入保护剂，浸泡5-10min，浸泡温度为20℃-40℃；

4）将浸泡热处理保护剂后的铝合金零件放入温度为380℃-450℃的马弗炉， 恒温40-60min热处理，然后取出，空气冷却。

根据本发明，所述硼酸酒精溶液，硼酸含量为4wt%。

根据本发明，所述硼酸酒精溶液中加入的全氟辛酸钠为1-5g/L。

本发明的热处理方法，可以在保证化学镀镍磷（含磷10-14%质量百分比） 非晶态镀层在非真空热处理后，Hv≥850，并保证镀层颜色不发生变化，与真空 热处理相比，可以节约成本，并突破真空炉空间较小的局限，扩大了高磷化学 镀镍磷合金在铝合金零件表面的应用，也扩大了铝合金在高性能要求工业领域 的应用。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明，但非对本发明的限制。

实施例1：

将180个6061铝合金棒材加工成的汽车阀芯进行酸性化学镍磷镀覆，化学 镀镍磷镀覆工艺参数为pH值4.5、镍离子含量5.6g/L、温度90℃、时间100min。

将60个施镀后的铝合金零件置于恒温干燥箱，加热至200℃，恒温30min， 然后取出，空气冷却；在溶有4wt%硼酸的酒精中加入1g/L的全氟辛酸钠作为 活性剂，搅拌后形成热处理保护剂，将烘干后的铝合金零件放入保护剂，浸泡 5min，浸泡温度为20℃，将浸泡热处理保护剂后的铝合金零件放入温度为380 ℃的马弗炉，恒温40min热处理，然后取出，空气冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入R03真空炉（真空度 10^-2Pa）380℃恒温40min热处理，随炉冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入温度为380℃的马弗炉， 恒温40min热处理，然后取出，空气冷却。

采用XRF2000X射线镀层测厚仪测量镀层厚度，采用HV1000显微硬度计 测量镀层硬度（测试条件为：50g，15s，测量3个点位取平均值），采用Inspect F50场发射扫描电子显微镜所配备的EDS能谱分析镀层磷含量。

测试结果如表1所示：

实施例2：

将180个6061铝合金棒材加工成的汽车阀芯进行酸性化学镍磷镀覆，化学 镀镍磷镀覆工艺参数为pH值4.8、镍离子含量5.8g/L、温度90℃、时间100min。

将60个施镀后的铝合金零件置于恒温干燥箱，加热至200℃，恒温30min， 然后取出，空气冷却；在溶有4wt%硼酸的酒精中加入3g/L的全氟辛酸钠作为 活性剂，搅拌后形成热处理保护剂，将烘干后的铝合金零件放入保护剂，浸泡 10min，浸泡温度为40℃，将浸泡热处理保护剂后的铝合金零件放入温度为450 ℃的马弗炉，恒温50min热处理，然后取出，空气冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入R03真空炉（真空度 10^-2Pa）450℃恒温50min热处理，随炉冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入温度为450℃的马弗炉， 恒温50min热处理，然后取出，空气冷却。

采用XRF2000X射线镀层测厚仪测量镀层厚度，采用HV1000显微硬度计 测量镀层硬度（测试条件为：50g，15s，测量3个点位取平均值），采用Inspect F50场发射扫描电子显微镜所配备的EDS能谱分析镀层磷含量。

测试结果如表2所示：

实施例3：

将180个6061铝合金棒材加工成的汽车阀芯进行酸性化学镍磷镀覆，化学 镀镍磷镀覆工艺参数为pH值4.7、镍离子含量5.8g/L、温度90℃、时间100min。

将60个施镀后的铝合金零件置于恒温干燥箱，加热至200℃，恒温30min， 然后取出，空气冷却；在溶有4wt%硼酸的酒精中加入5g/L的全氟辛酸钠作为 活性剂，搅拌后形成热处理保护剂，将烘干后的铝合金零件放入保护剂，浸泡 8min，浸泡温度为30℃，将浸泡热处理保护剂后的铝合金零件放入温度为400 ℃的马弗炉，恒温60min热处理，然后取出，空气冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入R03真空炉（真空度 10^-2Pa）400℃恒温60min热处理，随炉冷却。

作为对比，将60个施镀后的铝合金零件直接放入温度为400℃的马弗炉， 恒温60min热处理，然后取出，空气冷却。

采用XRF2000X射线镀层测厚仪测量镀层厚度，采用HV1000显微硬度计 测量镀层硬度（测试条件为：50g，15s，测量3个点位取平均值），采用Inspect F50场发射扫描电子显微镜所配备的EDS能谱分析镀层磷含量。

测试结果如表3所示：