第10章电镀层性能及测定(1)

1、第一节第一节 概述概述 第二节第二节 镀层厚度的测定镀层厚度的测定 第三节第三节 孔隙率的测定孔隙率的测定 第四节第四节 镀层机械性能的测定镀层机械性能的测定 第五节第五节 镀层耐蚀性能测定镀层耐蚀性能测定 (1)外观检查； (2)镀层厚度和孔隙率； (3)机械性能； (4)耐腐蚀性能； (5)金相结构； (6)其他特殊性能 电镀层性能测定的项目主要有电镀层性能测定的项目主要有： 第一节第一节 外观检查外观检查 扫描电子显微镜是对纳米材料的表面形貌以及尺寸进 行表征的重要实验手段，它突破了光学显微镜由于可见光 波长造成的分辨率限制，放大的倍率大大提高，能够为涂 层的研究提供非常直接的证据，而且

2、扫描电子显微镜的景 深比大，扫描出的图象富有立体感，提供的表面信息全面。 扫描电子显微镜的工作原理：扫描电子显微镜的工作原理： 电子束从电子枪中发射出来，通过一个加速电场的作 用后在电磁透镜的作用下汇聚成一个直径5 nm的电子束， 然后在扫描线圈作用下在样品表面做光栅状扫描，被加速 的高能电子打在样品表面和样品作用后被检测器捕获，然 后检测器信号被送到显像管，在屏幕上显示出来。 1.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 1.2 X射线衍射分析射线衍射分析 多晶样品中晶粒的取向是随机的，但是当某个晶面满 足Bragg方程的时候，就会发生衍射，晶面上发生最强衍 射的条件如下所示： 2dsin=n 因此

3、会有很多的不同取向的晶粒满足衍射的条件，这 些衍射点通过照相或者计算机采集数据以后就可以得到 该物种的x射线衍射谱线，然后根据图谱中的衍射强度和 数值可以判断样品的物相和相对含量。 图10.1 纳米级镍镀层的XRD谱线图 第二节第二节 镀层厚度的测定镀层厚度的测定 2.1 概述概述 镀层(包括电镀、化学镀层、磷化层、铝阳极氧化膜等) 的厚度，往往会影响到产品的使用性能(如耐腐蚀性、装饰 性、导电性)和使用寿命，以及成本等多项功能。常见的分 类如下： (1)无损法和破坏法 (2)化学法和物理法 2.2 无损法无损法 (1)磁性法；可测量磁性基体上，非磁性覆盖层的厚度；磁性或 非磁性基体上，镀镍层

4、的厚度，误差小于10%。 (2)涡流法；测量非磁性金属上非导电层的厚度。 (3)射线反向散射法； (4)x射线光谱测定法； (5)光切显微镜法； 2.3 破坏法破坏法 (1)阳极溶解法； 阳极溶解测量方法，是一种使用方便、准确度高、适用广泛 的测厚方法。本方法是电化学原理在电沉积领域中的一种具体应 用，它的工作原理是，配备必要的装置，以电沉积零件做阳极置 于适当的溶液中，对精确限定面积的涂层进行恒电流溶解。 (2)金相显微镜法，精确度较高，常作为其他测量方法的仲裁。 (3)涡流法；(4)液流法；(5)轮廓仪法；(6)多光束干涉仪法 3.1 测量方法测量方法 将吸有一定化学试剂的滤纸贴在经过清洁

5、处理试样的受 测表面上，孔隙处滤纸上的试剂和底层金属作用生成有色斑 点。必要时可用滴管向贴好的滤纸补加试液。使滤纸在测定 时间内保持湿润。到时间后，取下印有孔隙斑点的滤纸。用 蒸馏水冲洗，放到清洁玻璃板上，干燥后计其孔隙数。试液 为：铁氰化钾10g/L；氯化钠20g/L。 3.2 孔隙率计算孔隙率计算 分别计算在测定涂层面积内蓝色斑点数目，再将所得数 相加。然后确定一个平方厘米内孔的数目： 孔隙率=n/s(个/cm2)。 式中n-孔隙斑点数(个) s-受检涂层面积(cm2) 第三节第三节 镀层孔隙率的测定镀层孔隙率的测定 4.1耐磨性能测试耐磨性能测试 耐磨性是材料抵抗磨损的性能，这是一个系统

6、性质。迄 今为止，还没有意义明确的统一的耐磨性指标。通常是用 磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。 测量电镀层的耐磨性有很多方法。但是最直接最简单最有 效的方法是采用磨损试验机直接测量。 硬度测试的基本原理是：在一 定时间间隔里，施加一定比例的负 荷，把一定形状的硬质压头压入所 测材料表面，然后，测量压痕的深 度或大小。如图所示，显微硬度是 指采用1Kgf(9.8N)或小于l Kgf(9.81 N)负荷进行的硬度试验。 4.2 表面显微硬度测试表面显微硬度测试 图10.2 显微硬度测试原理 第四节第四节 镀层机械性能测定镀层机械性能测定 4.3 内应力测试内应力测试 宏观内应力的

7、测量主要采用力学方面；微观应力采用 X射线分析法。 目前采用的力学方法有弯曲阴极法、刚性平带法、螺 旋收缩仪法、应力仪法、长度变化法等。 （1）弯曲阴极法）弯曲阴极法 弯曲阴极法是一种经典测量方法，阴极为一条长而窄 的金属箔，测量时与阳极平行放置，背向阳极一面绝缘， 电镀时一端固定。镀层应力是通过电镀后阴极的变形，再 根据胡克定律计算即可，即应力=E ，E为已知的弹性模 具，是电镀后产生的应变。 应变可用阴极产生的挠度、 自由端位移或阴极的曲率半径来表示。 （3）X射线法射线法 X射线法既能测量镀层的宏观应力，又能测量镀层的微 观应力。根据X射线的形成的衍射图，测量有无应力两种状 态下晶面间距

8、的差别或点阵的畸变量来求得应力值。此时可 测量出宏观内应力。通过衍射线的展宽，可以测出微观应力。 （2）螺旋收缩仪法）螺旋收缩仪法 螺旋收缩仪就是将试样做成螺旋形，以增加阴极长度， 从而提高测量精度。 螺旋式镀层应力测试仪是我国根据螺旋收缩法原理制 造的。它是利用特种钢材和专门工艺制成专用螺旋管。螺 旋管一端固定，另一自由端与带刻度机构的活动轴相连。 当对螺旋管进行单面电镀时，由于镀层的应力，使螺旋轴 产生扭曲，其扭曲力矩借助自由端通过放大机构，是指针 旋转，根据偏转角度即可计算镀层的内应力值。 （a） （b） 图103 键层应力的测量方法 （a）弯曲阴极法 （b）螺旋收缩仪法 4.4 氢脆的

9、测试氢脆的测试 关于氢脆的研究测试方法主要包括两方面：氢的含量和 存在状态测定；渗氢后塑性变化的测定。前者包括各种物 理和化学的测氢方法，后者主要从力学性能和金属物理方 面着手。 （1）氢含量的测定）氢含量的测定 金属内实际含氢量的测定，常作为氢脆研究的基本方法。 测试的方法有： 1）劳伦斯测氢仪法 适用于高强度钢镀镉过程的监控。 2）中子射线光谱法 不仅能测定氢的含量，还能测出氢 原子在四面体或八面体点阵间隙中的位置及氢原子在间隙 中的振幅，该方法作为一种研究方法正在发展完善中。 3）电化学暂态分析法 可以测定氢的扩散速度、流量、 扩散系数、吸附原子的覆盖率及渗入历程等动力学参数。 （2）力

10、学测试方法）力学测试方法 在力学测试方法中，目前常用的是缺口持久试验法。这种方 法是用带缺口的抗拉试样，可在持久拉伸机械机或蠕变试验机上 进行延迟破坏试验。如果材料在大于发生氢脆延迟破坏的时间里 还没有断裂，就认为氢脆性合格。 缺口持久试验法获得的结果重现性较好，但对试样的加工要 求高，持续时间很长，不合适氢脆的生产控制，美国海军研究发 展中心发展了一种应力环试验法。这种方法主要用于生产上的监 控，比较简单，成本低，速度快。缺口C形应力环可以作为这种 方法的代表，此法所用的试样形状和尺寸如图10-4所示。 试样外径为2英寸(约50.8毫米)，壁厚为1/8英寸(约3.2毫米) 的管材，试样宽度为

11、1.25英寸(约32毫米)，加工成60角的缺口。 试样由沿直径穿过的螺栓加载，并用螺帽调节，试样承受的载荷 用应力计测量，载荷通常采用破坏载荷的75，测试时间为200 小时，200小时后，C形环不破裂为氢脆性合格。 图10-4 C行缺口应力环试样 第五节第五节 镀层耐蚀性能测定镀层耐蚀性能测定 镀层耐蚀性测定方法有户外曝晒腐蚀试验和人工加速 腐蚀试验。户外曝晒试验对鉴定户外使用的镀层性能和电 镀工艺特别有用，其试验结果通常可作为制定厚度标准的 依据。人工加速腐蚀试验主要是为了快速鉴定电镀层的质 量。 人工加速腐蚀试验方法有：中性盐雾试验；乙酸盐雾 试验；腐蚀膏腐蚀实验等。 5.1 自然环境户外

12、曝晒腐蚀实验自然环境户外曝晒腐蚀实验 把各种金属覆盖层、转化膜和其它无机覆盖层静止在 户外曝晒场内的试样架上，进行自然大气条件下的腐蚀试 验，定期观察及测定。 5.2 人工加速腐蚀实验人工加速腐蚀实验 金属镀层的人工加速腐蚀试验，主要是为了快速鉴定 金属镀层的质量，如孔隙率、厚度是否达到要求，镀层有 否缺陷等。同时也用来比较不同镀层抗大气腐蚀的性能。 人工加速腐蚀实验种类很多：常用的有中性盐雾试验(NSS) 和乙酸盐雾试验(ASS)。 图10.3 盐雾腐蚀一周后的宏观形貌分析图（a.普通镍镀层,b.纳米级镍镀层) ab 绝大多数腐蚀过程的本质是电化学性质的， 因此在腐蚀机理研究、腐蚀试工业腐蚀监控中， 广泛地利用金属/电解质溶液界面(双电层)的电 性质，所以化学测量技术己成为重要的腐蚀研 究方法。常用的电化学方法有Tafel直线外推法、 三点法、线性极化法、方波法、交流阻抗法等 阳极极化曲线的测定阳极极化曲线的测定 试样的制备：从镀层试片上切下一块10mm15mm大小的试 样，在其背面焊接上一根导线，然后用AB胶封住非工作面，留 下面积约为10mm 10mm大小的工作面。用脱脂棉球沾取无水 乙醇轻轻的擦洗工作面除去油污，吹干待用。测量时采用三电极 体系，工作电极为待测纳米晶体镍镀层，参比电极为 Ag/AgCl电 极