模拟焊接条件对镍磷非晶态合金结构和性能的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.s2.016 第18卷增刊 北京科技大学学报 Vol.18 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 模拟焊接条件对镍磷非晶态 合金结构和性能的影响 俞宏英孙冬柏杨德钧 北京科技大学表面科学与商蚀工程系，北京100083 摘要通过不同的热处理条件模拟焊接过程的温度和时间，对化学镀N一P非晶态合金的结 构、性能进行了研究.结果表明：当热处理时间在60s以内时，Ni一P合金不会发生晶化(1000 ℃，60s除外)，仍然保持非晶态，但是镀层硬度明显得到了提高，在较短时间的热处理条件下， 镀层硬度在700℃处取得最大值. 关键词化学镀镍，结构，焊接 化学镀N一P合金由于其高的耐蚀耐磨性能以及无需外电流，能对几何形状复杂的结 构件获得均匀沉积层的工艺特点，在电子、计算机、航空航天，汽车，机械等工业部门得到了 广泛的应用山 目前在实际应用中，在镍磷合金化学镀覆加工前，工件一般均完成了所必需的金属加 工工序，镀后也不进行其它加工（除热处理）处理.作为结构零部件一般采用螺栓连接，键连 接、铆接等金属连接方法，极少采用焊接，造成焊接工艺限制使用的原因在于：焊接过程极 高的温度和复杂的温度场变化，对于N一P合金层结构性能会产生什么样的影响，迄今无 人开展这方面的研究工作，也未见有关研究工作的报导. 我国原油生产过程中所面临的突出腐蚀问题是集输管线在高矿化度水、H,S、CO,、细粉 砂的腐蚀、冲蚀联合作用下的早期损坏报废.Nⅱ一P合金镀层是适合于该工况条件的一种较 好的保护措施.但能否使用Ni一P合金化学镀技术关键取决于镀后的集输管线能否焊接 为此，本文通过模拟焊接条件，对在不同温度及不同保温时间处理后的N一P合金的组织 结构、硬度及硬度分布进行了分析研究 1实验条件 热处理试样采用尺寸为50mm×50mm×3mm的45钢，经除油、除锈、活化等前处理 工序，进人化学镀镍槽中施镀.施镀条件采用AEN540镍磷合金化学镀工艺规范.镀后用 冷水洗，热水洗，然后吹干.镀层厚度为25m,磷含量约为10%. 根据焊接过程的温度、时间确定镀后试样的热处理条件，具体参数选择如表1所示 1996-01-22收稿 第一作者女35岁工程师 *冶金部腐蚀一磨蚀与表面技术开放研究实验室资助

第 卷 增 刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 模拟 焊接条件对镍磷非 晶态 合金结构和 性 能的影 响 ’ 俞宏 英 孙冬柏 杨德钧 北 京 科 技 大 学 表 面科学 与腐蚀工 程 系 ， 北 京 摘 要 通 过 不 同的 热处 理 条件模 拟 焊 接过 程 的温 度和 时间 ， 对化学 镀 一 非 晶态合 金 的结 构 、 性 能进行 了研究 结果 表 明 当热处理 时 间在 以 内时 ， 一 合 金 不 会发 生 晶 化 ℃ ， 除外 ， 仍然 保持 非 晶态 ， 但是 镀层 硬度 明显得 到 了提 高 在 较短 时间的热处 理 条件下 ， 镀层硬度 在 ℃ 处取得 最大值 关键词 化学镀镍 ， 结 构 ， 焊接 化 学镀 一 合 金 由于 其 高 的 耐蚀 耐磨 性 能 以 及 无需 外 电流 ， 能 对几何形 状复 杂 的结 构 件 获 得 均 匀 沉 积 层 的工 艺 特 点 ， 在 电子 、 计算 机 、 航 空 航 天 、 汽 车 、 机 械 等 工 业部 门得 到 了 广 泛 的应 用 目前 在 实 际应 用 中 ， 在 镍 磷 合 金 化 学 镀 覆 加 工 前 ， 工 件 一 般 均 完 成 了所必 需 的金 属加 工 工 序 ， 镀后 也 不 进 行 其 它加 工 除热 处理 处理 作 为结 构零 部件 一 般采用 螺 栓连接 、 键连 接 、 铆接 等金 属 连 接方 法 ， 极 少 采 用 焊 接 造 成 焊 接 工 艺 限制 使用 的原 因 在 于 焊接过 程极 高 的温 度 和 复 杂 的温度 场 变 化 ， 对于 一 合金 层 结 构性 能 会产 生 什 么样 的影 响 ， 迄 今无 人 开展 这 方 面 的研究 工 作 ， 也未 见 有 关研 究 工 作 的报 导 我 国 原 油 生 产 过 程 中所 面 临 的 突 出腐 蚀 问题 是 集 输 管 线 在 高 矿 化度 水 、 、 、 细 粉 砂 的腐 蚀 、 冲 蚀 联 合 作 用 下 的早 期 损 坏 报废 一 合 金镀 层 是 适合 于 该工 况条 件 的一 种 较 好 的 保 护 措 施 但 能 否 使 用 一 合 金 化 学 镀 技 术 关 键 取 决 于 镀 后 的集 输 管 线 能 否 焊 接 为 此 ， 本 文通 过模 拟 焊 接 条 件 ， 对 在 不 同温度 及 不 同保 温 时 间处理 后 的 一 合 金 的组 织 结构 、 硬度 及 硬度 分 布 进 行 了分 析研 究 实验条件 热处理 试样 采 用 尺 寸 为 的 “ 钢 ， 经 除油 、 除锈 、 活化 等前处 理 工 序 ， 进 人 化 学 镀 镍 槽 中施 镀 施 镀 条 件 采 用 镍 磷 合金 化 学 镀 工 艺规 范 镀 后 用 冷水洗 ， 热水洗 ， 然后 吹干 镀 层 厚度 为 巧 ， 磷 含量 约 为 根 据 焊接 过程 的温 度 、 时 间确 定 镀 后 试 样 的热处理 条件 ， 具 体参数 选 择如 表 所示 一 一 收 稿 第 一 作 者 女 岁 工 程 师 冶金 部腐蚀一磨蚀 与表 面技 术 开放 研究 实验室 资助 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．s2．016

·74· 北京科技大学学报 1996年 表1热处理参数选择 TIC 400 600 700 800 1000 10203060180102060 103060102060 102060 经不同温度、时间热处理后的试样，用X射线衍射分析进行了镀层相结构分析.X射线 衍射仪为：D/max-TA,采用钴靶辐射，石墨单色器滤波，管压40kV,管流100mA,狭缝宽度 DS/SS均为1。，接受狭缝RS为0.15mm,采用闪烁计数管计数.用显微硬度计对镀层的 硬度进行了测试，显微硬度计为HX-1型显微硬度计. 为了进一步考核实际焊接过程对Ni-P合金层的影响，选用了6cm×6cm的16Mn油 井钢管作为实际样品，按上述条件进行表面化学镀镍处理，用手工电弧焊进行两个样品的 对焊，然后，对镀层硬度距熔合线距离的变化情况进行了剥试. 2实验结果 图1是400℃不同时间热处理后的Ni一P合金 X射线衍射图谱.由图可见，即使长达3min400℃热 处理后的试样，镀层仍呈现漫散射峰，表明镀层仍 具有非晶态结构.除了1000℃，60s处理的镀层结 3min 构发生明显的晶化外，其余温度和时间热处理后的 20s 镀层的组织结构仍与图】所示情况一样，保持非晶 10s 态结构.如表2所示. 30405060 不同温度、时间热处理后样品的硬度分别如图 70 28/K°) 2,图3所示.显然，在400℃热处理，随时间的延 图1400℃各时间热处理试样的衍射图 长，硬度上升，60s时表面硬度达到Hv1097,这与 400℃，1h热处理结果相一致).而在700℃热处理，则短时间热处理可使镀层表面硬度达 到较高值，时间延长，硬度反而下降，这与同样温度下长时间热处理结果相符合.比较不同 温度短时间(10s)热处理对硬度的影响可见，在700℃镀层表面硬度达到最大值，而较长 时间(60s),则随温度上升，硬度下降 图4是镀覆有Ni-P合金的 表2不同温度，时间热处理后的组织结构 16Mn钢管焊接样品上镀层硬度随 热处理温度/℃ 热处理时间s 组织结构 距熔合线距离的变化情况.在距熔 镀态 1020180 非晶 合线4mm处，镀层表面硬度达到 400 1020 60 非晶 最大值.在距30mm处，镀层表面 600 10 20 60 非品 硬度已与镀层镀态硬度一致.表 800 102060 非晶 明：相对于镀层来说，焊接热影响 1000 20 非晶 区约等于30mm. 1000 60 晶态，NiP,iP,NisP2

北 京 科 技 大 学 学 报 年 表 热处理参数选择 ℃ 经不 同温度 、 时间热处理 后 的试样 ， 用 射线衍射分析进行 了镀层相 结构分析 射线 衍射 仪为 一 ， 采 用 钻 靶 辐 射 ， 石 墨 单 色器 滤波 ， 管压 ， 管流 ， 狭 缝 宽度 均 为 。 ， 接 受 狭 缝 为 巧 ， 采 用 闪烁计 数 管计 数 用 显微 硬 度 计 对镀 层 的 硬度 进行 了测 试 ， 显微 硬 度计为 一 型 显微硬度计 为 了进 一 步考 核 实 际焊接过程 对 一 合 金层 的影 响 ， 选用 了 的 油 井 钢 管 作 为 实 际样 品 ， 按 上 述 条 件 进 行 表 面化 学镀镍处理 ， 用 手 工 电弧 焊 进 行 两个样 品 的 对焊 ， 然后 ， 对镀层 硬 度距熔合线距 离的变化情 况 进 行 了测 试 实验结果 图 是 ℃ 不 同时 间热处理 后 的 一 合金 射 线衍 射 图谱 由图可 见 ， 即使 长达 ℃ 热 处理 后 的试 样 ， 镀 层 仍呈 现 漫 散射峰 ， 表 明镀 层仍 具 有 非 晶 态 结 构 除 了 ℃ ， 处理 的镀 层 结 构发 生 明显 的晶化外 ， 其余温 度 和 时 间热处理 后 的 镀层 的组 织 结 构仍 与 图 所 示 情 况 一样 ， 保持 非 晶 态结构 如 表 所示 不 同温 度 、 时 间 热 处 理 后 样 品 的硬 度 分 别 如 图 ， 图 所 示 显 然 ， 在 ℃ 热处 理 ， 随 时 间 的 延 长 ， 硬 度 上 升 ， 时 表 面 硬 度 达 到 ， 这 与 侧 攀 口 “ 图 ℃ 各时 间热处理试样的衍射图 ℃ ， 热处理 结 果 相 一致 而 在 ℃ 热处理 ， 则 短 时 间热处理 可 使镀层 表 面硬度 达 到 较 高值 ， 时 间延 长 ， 硬 度 反 而 下 降 ， 这 与 同样 温度 下 长 时 间热处理 结 果相 符 合 比较不 同 温 度 短 时 间 热处理 对 硬 度 的影 响 可 见 ， 在 ℃ 镀 层 表 面 硬 度 达 到 最 大 值 ， 而 较 长 时 间 ， 则 随温度 上 升 ， 硬度 下 降 图 是 镀 覆 有 一 合 金 的 表 不 同温度 ， 时间热处理后 的组织 结构 热处理温度 ℃ 热处理 时间 组织结构 非 晶 非 晶 非 晶 非 晶 非晶 晶态 ， ， 一， 钢 管 焊 接 样 品 上 镀 层 硬 度 随 距 熔 合 线 距 离 的 变 化 情 况 在 距 熔 合 线 们 幻 处 ， 镀 层 表 面 硬 度 达 到 最大 值 在距 处 ， 镀层 表 面 硬 度 已 与 镀 层 镀 态 硬 度 一 致 表 明 相 对于镀层来 说 ， 焊 接 热影 响 区 约等 于 刃。 上 姗毗

Vol.18 俞宏英等：模拟焊接条件对镍磷非晶态合金结构和性能的影响 ·75· 1100 1200 1100 1000 400℃ 1000 60s 三900 900 10s 800 800 700 700℃ 600 700 50 5101520253035404550556065 30040050060070080090010001100 t/s TIC 围2不同温度下硬度随热处理时间的变化 图3不同时间硬度随热处理温度的变化 3分析讨论 磷的质量分数大于8%的化学镀Ni 一P合金是π-Ni和磷的过饱和固溶体，呈 1000 非晶态，处于热力学上的亚稳态状态.而 900 晶化过程是一个动力学过程，需要有一定的 800 能量驱动.在热处理条件下一定的热处理温 主700 度和时间的组合，将对Ni-P合金提供一定 600 的能量，只有在一定的能量条件下，晶化 500 动力学过程才有可能被驱动，完成非晶向 400 晶态的转变.图1、表1的结果证实，即使 300 05101520253035 在高达1000℃的热处理温度，当热处理时 Wmm 间较短时，N-P合金仍不会发生晶化， 田4钢管焊接样品镀层硬度随距熔合线距离的变化 只有在较长一点热处理时间的条件下才会发生非晶向晶态的转变.这与通常情况下，一些要 求热处理温度低于350℃的工件，在远低于400℃的温度下，延长热处理时间完成晶化过 程是一致的.这充分说明：Ni一P合金的晶化动力学过程是需要一定能量驱动的，即使在 高温条件下，只要保持较短的热处理时间，就能在大幅度提高镀层硬度的同时，仍能保持镀 层的非晶态结构.这一特点对于Nⅱ一P合金的耐蚀性是有利的，因为非晶态结构的耐蚀性 要优于晶态结构的耐蚀性， 在通常热处理情况下，长时间热处理（如处理1h),镀层硬度达到最高值（约为Hv1000 ~1100)的温度是400℃左右，并且随热处理温度上升硬度反而下降.当热处理时间为60s 时，获得了与长时间热处理同样的硬度变化结果（如图3所示）.这说明：从硬度随温度的变 化来看，当热处理时间大于或等于60s时，与通常长时间热处理具有同样的效果.但是在更 短时间的热处理(10s)所获得的硬度随温度的变化规律却异于上述情况，硬度达到最高 值的温度点在700℃左右.根据文献[3]计算结果：焊缝热影响区内温度随距离熔合线距离 的变化如图5所示.在距熔合线4mm处温度达到706℃左右，对比图4所示硬度随距离的 变化及图2可见：短时间模拟焊接热处理条件与实际情况基本符合，根据这一结果，结合 焊接过程分析计算1，可推测在距熔合线12mm之内的范围内，焊接过程中，镀层保持在

俞宏英等 模 拟 焊接条件 对镍磷 非 晶态合金结构和性能 的影 响 ℃ 国 ， 产入下 一 、 ℃ 一一 … 图 不 同温度下硬度 随热处理时 间的变化 ℃ 不 同时间硬度随热处理温度的变化 目“︸ ﹃ 即为 分析讨论 磷 的 质量 分 数 大 于 的 化 学 镀 一 合 金 是 一 和 磷 的 过 饱 和 固 溶 体 ， 呈 非 晶 态 ， 处 于 热 力 学 上 的 亚 稳 态 状 态 而 晶化 过 程 是 一 个 动力 学 过 程 ， 需 要 有 一 定 的 能 量 驱 动 在 热处理 条 件 下 一 定 的 热 处理 温 度 和 时 间 的组合 ， 将 对 一 合金 提供 一 定 的 能 量 ， 只 有 在 一 定 的 能 量 条 件 下 ， 晶 化 动 力 学 过 程 才有 可 能被 驱 动 ， 完 成 非 晶 向 晶 态 的 转变 图 、 表 的 结 果 证 实 ， 即使 在 高 达 ℃ 的 热 处 理 温 度 ， 当热 处理 时 间 较 短 时 ， 一 合 金 仍 不 会 发 生 晶 化 ， 》 工 曰 曰 ‘ ‘ 曰 ‘ 一一 到〔 口工。 田 钢管焊接样品镀层硬度随距熔合线距离的变化 只 有 在 较 长 一点 热处理 时 间的条件下 才 会发生非 晶 向晶态 的转变 这 与通 常情 况下 ， 一些要 求 热 处理 温 度 低 于 ℃ 的工 件 ， 在 远 低 于 ℃ 的温 度 下 ， 延 长热处理 时 间完成 晶 化 过 程 是 一 致 的 这 充 分说 明 一 合金 的 晶化 动力 学 过 程 是 需 要 一 定 能量 驱 动 的 ， 即使在 高温 条 件 下 ， 只 要 保 持 较 短 的热处理 时 间 ， 就 能在 大 幅度 提 高镀 层 硬 度 的 同时 ， 仍 能 保 持 镀 层 的非 晶 态 结 构 这 一特 点对于 一 合金 的 耐蚀性 是 有 利 的 ， 因 为非 晶态结构 的耐蚀 性 要 优于 晶态结构 的耐蚀性 在 通 常 热处理 情 况 下 ， 长 时 间热处理 如处理 ， 镀层 硬 度 达到 最 高值 约 为 一 的温 度是 ℃ 左 右 ， 并 且 随热处理 温度 上 升硬度 反 而 下 降 当热处理 时 间为 时 ， 获得 了 与 长 时 间 热处理 同样 的硬 度 变 化 结 果 如 图 所 示 这 说 明 从硬 度 随温 度 的变 化来看 ， 当热处理 时 间大 于 或 等于 时 ， 与通 常 长 时 间热处理具 有 同样 的效果 但是 在 更 短 时 间 的 热 处理 所 获 得 的 硬 度 随 温 度 的 变 化 规 律 却 异 于 上 述 情 况 ， 硬 度 达 到 最 高 值 的 温度 点 在 ℃ 左 右 根 据 文 献 计算 结果 焊 缝 热影 响 区 内温 度 随距 离熔合 线距 离 的变 化 如 图 所示 在距 熔合 线 处 温 度 达 到 ℃ 左 右 ， 对 比 图 所 示 硬 度 随距 离 的 变 化及 图 可 见 短 时 间模 拟 焊 接 热 处 理 条 件 与 实 际情 况 基 本符 合 根 据 这 一 结果 ， 结合 焊 接 过 程 分 析 计 算 ， 可 推 测 在 距 熔 合 线 之 内的 范 围 内 ， 焊 接 过 程 中 ， 镀 层 保 持在

·76· 北京科技大学学报 1996年 400℃以上的时间小于11.7s,结合X射线分 1200 析结果，可以认为：在这样一个短时间内，近 1000 焊缝区镀层不会发生非晶向晶态的转变.因 此，可以预计其耐蚀性不会有太大的变化，这 800 知 一特点将有助于在保持较高的耐蚀性前提下， 3600 进行结构的焊接. 400 200 4结论 0 5101520253035 wmm 通过采用热处理方式模拟焊接过程的温度 图5焊接热影响区内温度随距离熔合线 和时间对Ni一P合金的组织结构、性能进行了 距离的变化 研究.证实当热处理时间在60s以内时，含磷量10%的N一P非晶态合金不会发生非晶→ 晶态的结构变化(1000℃，60s除外).当热处理时间为60s时，镀层硬度随温度的变化与常 规长时间热处理的变化相一致，而短时间热处理所得到的结果却异于常规情况，温度为 700℃时硬度值最大. 参考文献 1杨德钧，孙冬柏.全国第一届化学镀会议论文集，1992 2翟金坤，黄子助.化学镀镍.北京：北京航空航天大学出版社，1990 3邹莱莲.焊接理论及工艺基础。北京：北京航空航天大学出版社，1992 Effect of Simulated Welding Condition on the Structure and Properties of Ni -P Amorphous Alloy Yu Hongying Sun Dongbai Yang Dejun Department of Surface Science and Corrosion Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The structure and properties of electroless Ni-P amorphous alloy under the simulated welding condition by changing the temperature and time of heat treatment were investigated.It has been shown that the crystallization of Ni-P alloy would not accur when time of heat treatment is shorter than 60 seconds.(beside 1000 C,60s), but the hardness of the alloy increases obviously.Under the condition of heat treatment with shorter time,the handness of the alloy reaches the maximum when the temperature of heat treatment is 700 C. KEY WORDS electroless nickel,structure,weld

北 京 科 技 大 学 学 报 年 ℃ 以 上 的 时 间小 于 结 合 射 线分 析结果 ， 可 以 认 为 在 这样 一 个 短 时 间 内 ， 近 焊 缝 区 镀 层 不 会 发 生 非 晶 向 晶 态 的 转 变 因 此 ， 可 以 预计其 耐蚀性 不 会有 太大 的变 化 ， 这 一 特 点 将 有 助 于 在 保 持 较 高 的 耐 蚀 性 前 提 下 ， 进行结构 的焊 接 划 飞卜 结论 通 过采 用 热处理 方 式模 拟 焊接 过 程 的温 度 和 时 间对 一 合金 的组 织 结 构 、 性 能 进 行 了 研 究 证实 当热处理 时 间在 以 内时 ， 含磷 量 ‘ ‘ 一曰一 ‘ ‘ ‘ 一 ‘ 习 图 焊接热影 晌区 内温度随距离熔合线 距 离的变化 的 一 非 晶态合金 不 会发 生 非 晶 晶态 的结构 变 化 ℃ ， 除外 当热处理 时 间为 时 ， 镀层 硬 度 随温 度 的变化 与常 规 长 时 间热 处 理 的 变 化 相 一 致 ， 而 短 时 间 热处 理 所 得 到 的结 果 却 异 于 常规情 况 ， 温 度 为 ℃ 时硬度 值最 大 参 考 文 献 杨德 钧 ， 孙冬柏 全 国第 一届 化学镀 会议论文集 ， 翟 金坤 ， 黄子勋 化学 镀镍 北京 北京航空 航天大学 出版社 ， 邹莱莲 焊接理论及工 艺基础 北京 北 京航空航天大学 出版社 ， 一 舒 沙 泊 ， ， 谊 ， 一 斗 一 ℃ ， ， ， 而