近年來，隨著科學技術的突飛猛進，新材料不斷問世，對材料的處理加工工藝要求也不斷提高，化學鍍Ni-P合金復合熱處理便是其中一種極具發展潛力的處理技術。化學鍍Ni-P合金復合熱處理是將熱處理工藝與化學鍍Ni-P合金處理技術相復合，以更大程度地挖掘材料潛力，使零件獲得單一工藝所無法達到的優良性能。這一發展方向是我國2010年以前發展和改進中國的熱處理工藝技術，縮小與先進國家熱處理水平差距的重要方向之一[1]。
1化學鍍Ni-P合金及其基本原理
化學鍍方法是一種操作簡便，對設備要求不高，且適用于任何復雜形狀工件的處理技術，其中研究和應用最為廣泛的是化學鍍Ni-P合金。它具有較高的硬度、耐磨性、優異的耐腐蝕性和良好的釬焊性能，鍍層均勻、光潔度高，且鍍層與基體結合牢固。因此受到國內外廣泛的關注，并向許多應用領域延伸[2、3]。
化學鍍Ni-P合金的基本原理目前為大多數人接受的是原子氫態理論[4]，分為幾個步驟：
（1）鍍液在加熱時，通過次亞磷酸鹽在水溶液中脫氫，形成亞磷酸根，同時放出初生態原子氫，即：
（2）初生態的原子氫吸附催化金屬表面而使之活化，使鍍液中的鎳陽離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳，即：
（3）隨著次亞磷酸根的分解，還原成磷，即：
（4）鎳原子和磷原子共同沉積而形成Ni-P固溶體。
次亞磷酸鹽在催化劑作用下，可生成活性氫原子，它將鎳離子還原為金屬鎳，與此同時，活性氫原子還將次亞磷酸根還原生成單質磷，因而所得的鍍層為Ni-P合金固溶體。所沉積的鎳具有自催化作用，使氧化還原反應不斷進行，從而使Ni-P層不斷增厚，理論上，鍍層厚度與反應時間成正比。
從反應可知，伴隨反應產生活性氫原子吸附在催化劑表面上并有大量氫氣析出（副反應），故在鍍層中夾雜有氫，因此鍍層有較大的內應力和氫脆，鍍層表現出較大的脆性；另一方面，當含磷量較高時，鍍態組織形成非晶態[5]，更增加了鍍層的脆性，削弱了鍍層與基體的結合力。正是由于這些原因，才出現了化學鍍Ni-P合金和熱處理的復合處理技術。
2鍍后熱處理強化原理
2.1化學鍍Ni-P合金的鍍態組織及性能
據資料報道[2，6]，化學鍍Ni-P合金的鍍態組織為“菜花狀”或“胞狀”,鍍層厚度均勻。經XRD分析，含磷量較高的鍍層，其衍射峰為“山丘”狀彌散的對稱衍射峰，說明鍍態組織為典型的非晶態[7]。且其結構具有隨含磷量降低由非晶態微晶晶態轉變的趨勢[5]。鍍層內應力為拉應力[8]。
鍍層抗腐蝕性能較好，對除硝酸、三氯化鐵等少數幾種介質外的大部分腐蝕介質，如硫酸、鹽酸、氫氟酸、氫氧化鈉等，其抗腐蝕能力是1Cr18Ni9Ti不銹鋼的數倍。鍍層具有一定的硬度，為HV520-580，經熱處理后可大幅度提高。具有較好的潤滑和減摩性能，與鋼的摩擦系數（無潤滑條件下）為0.38，自身摩擦系數為0.05。化學鍍后工件表面基本上保持原光潔度，鍍件無需再加工，特別適合形狀復雜的零件。但由于非晶態合金的脆性，加上前述析氫反應所產生的氫氣和由此產生的夾雜，使鍍層內應力較大，并削弱了基體的結合力，綜合性能有待提高[3]。
2.2熱處理后組織結構的轉變
經常規熱處理，鍍層形貌未發生明顯變化，即使經過高溫熱處理后，在鍍層表面生成了厚度大約在10μm左右的一層氧化膜[9]。XRD分析表明，熱處理后的鍍層相結構則發生了根本變化[2]，鍍層已從鍍態的非晶相轉變成晶態的結構，其中主要是晶態的Ni，還有少量第二相Ni3P存在。十分細小的Ni3P彌散分布在Ni基上。經分析晶面間距，實測的晶面間距較標準的偏大，說明第二相Ni3P析出時與母相Ni保持著共格關系，從而引起點陣畸變。共格畸變的產生阻礙了位錯的運動，從而使得熱處理后的鍍層得到強化。由原先的非晶態組織轉變成晶態復合相（Ni+Ni3P），硬度提高至HV920-1050，相應耐磨性也大幅度提高，穩定磨損階段延長，磨損量降低。
若繼續提高熱處理溫度，Ni3P相的數量將會逐漸增加，鎳中磷含量進一步下降，共格畸變更加嚴重，硬度持續上升。400℃×1h熱處理可達到1040HV的硬度，此后再提高熱處理溫度，共格關系破壞，彈性應力場松弛，Ni3P相粗化，硬度逐漸下降[7]，晶粒也將變得十分粗大[9]。
2.3熱處理后應力狀態變化
鍍層內應力的變化與其組織結構的轉變是密切相關的。較低溫度的熱處理，如200℃×1h，鍍層的XRD衍射峰雖然沒有明顯晶化，但鍍層內部吸收的氣體溢出，并且鍍層結構可能有馳豫現象發生，而鍍層內的拉應力則一定程度上降低了[9]。溫度升高，鍍層開始晶化，到400℃左右晶化反應基本完成，引起鍍層的缺陷增加，Ni3P相的析出導致鍍層體積收縮，拉應力增大。到溫度升高至600℃左右時，晶粒發生長大，鍍層拉應力增大。
由于界面結合力和鍍層內應力的表征困難，對內應力和結合強度的研究大部分還停留在定性和半定量的研究上，這方面的文獻很少[10]。
2.4熱處理對鍍層結合強度的影響
鍍層與基底間結合強度的變化主要與兩者間界面處的元素擴散有關。文獻［11］研究了鋼基Ni－P鍍層與鋼基底的擴散，化學鍍層與基底在鍍態主要靠物理結合，經過后續熱處理，鍍層與基體的擴散不斷加劇，鍍層與基底間形成較強的化學鍵合，從而大大提高了鋼基與化學鍍層之間的結合力。文獻［11］也指出，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬連續堅固的Ni－Fe擴散層，加強了鍍層與基體的結合。另外，鍍層和基體間的結合力還與兩者的晶格點陣類型有關。若兩者點陣類型相同，晶格常數接近，在界面處兩相易于形成共格關系，兩者的結合就牢固，否則就差[7]。此外，鎳磷合金鍍層與基體的結合力還要受到鍍層自身塑性的影響。鍍態下的鎳磷合金鍍層脆性很大，隨基體發生變形而開裂、起皮、剝落。經過熱處理，特別是高于晶化溫度的熱處理，能明顯提高鎳磷合金的塑性，從而改善鍍層與基體的結合力。
2.5熱處理對鍍層耐腐蝕性能的影響
化學鍍Ni－P合金是一種有效提高材料耐腐蝕性的方法[7]。眾多文獻顯示[12-13]，鍍層中含磷量較高且呈非晶態結構時，耐蝕性最好。同時，鍍層表明形貌對耐蝕性的影響也不可忽視。表面無缺陷，大小均勻、表面光滑的胞狀組織比大小不均勻、表明粗糙、凸凹明顯的胞狀組織耐蝕性好[6]。
進一步的研究表明，對于高磷鍍層，提高熱處理溫度，延長熱處理保溫時間[9]對鍍層耐蝕性具有相當大的影響。隨熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，高磷鍍層的耐蝕性先下降，在500℃熱處理時耐蝕性最差，然后耐蝕性逐漸增強，在750℃熱處理時耐蝕性最好。其原因主要有三個方面。鍍層經500℃熱處理，鍍層組織由非晶態向晶態轉變，出現晶界、相界等晶體缺陷；由于析出Ni3P，引起鍍層體積收縮而導致晶界增多，而且Ni3P相在500℃左右均勻彌散分布，使得鍍層基體相中磷含量降低，使鍍層電位負移且容易形成原電池，加劇腐蝕[14]；同時，Ni3P的析出使合金鍍層晶格尺寸發生了變化，造成應力集中。以上因素造成鍍層在500℃熱處理后的耐蝕性稍有降低。而在750℃高溫熱處理時，成為晶態組織的鍍層經高溫加熱、保溫，鍍層經歷聚集長大，晶界總面積減小，減小了腐蝕發生的可能性；其次鍍層在空氣中高溫退火時表明形成了一層致密的、較厚的氧化膜，阻止了腐蝕的進行；第三，高溫長時間熱處理，使鍍層與鋼基體之間形成了較寬的連續堅固的Ni－Fe擴散層[11]，加強了鍍層與基體的結合，使鍍層抗蝕性上升。
3化學鍍復合熱處理在模具表面處理上的應用
模具生產技術水平的高低，不僅是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，而且在很大程度上決定著這個國家產品質量、效益及新產品開發能力。我國模具的低水平問題早已是公認的事實。我國目前的模具開發制造水平比國際先進水平至少相差10年[15]。而如前述，化學鍍Ni-P合金有良好的耐磨、耐腐蝕和潤滑性能，經熱處理后有較高的硬度（400℃保溫1h可達1100HV），鍍層與基體具有良好的結合力(工藝合理可達1200Mpa)，且鍍層均勻，對于盲孔、溝槽、螺紋等均可獲得均勻的鍍層[16]。而這些優點對于形狀復雜的模具成型部件，是非常適用的，所以這些年來，化學鍍在模具上的應用也日益廣泛。
3.1化學鍍Ni-P合金在塑料模具上的應用
化學鍍Ni－P合金在塑料模具上的應用最早也最為廣泛[16-19]。目前已經在注塑模具、擠塑模、拉伸模等[16]模具上廣泛應用，取得了良好的應用效果。
高進等對塑料成型模具表面進行了化學鍍Ni-P實驗[20]，還與采用其他表面處理工藝的試樣進行了比較，結果表明化學鍍Ni－P合金鍍層除了有良好的表面硬度和耐磨性以外，鍍層還具有較好的強韌性且與基體結合良好。
高紅霞等在45鋼塑料模具表面進行了Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍工藝，實驗，得到自潤滑性和耐磨性優良的復合鍍層。
傅建等在45鋼調質態基體進行化學鍍試驗，取得了良好的效果[21]。Ni-P合金化學鍍對模具工作面強化方法成功地應用于成都某塑料廠分廠。根據用戶反饋的消息，Ni-P化學鍍對于提高模具使用壽命和工作面的光亮度很有幫助，而且還節省了費用。
那明君等采用化學鍍制模工藝來代替傳統的制模工藝[17]，不僅使材料費降低10％～50％，縮短了制模周期，減少了加工費用，而且經哈爾濱工藝標牌廠生產表明，該技術有推廣應用價值。
3.2化學鍍Ni-P合金在壓鑄模具上的應用
壓鑄模具由于在高溫使用，并且有熔融狀態的金屬液體腐蝕、沖刷，所以工作條件苛刻，對模具表面的要求也更高。所以有些表面技術如：電鍍可以應用于其他模具，但對壓鑄模就不太適用了。
據報道[2]，1995年東風汽車集團化油器廠的銅合金壓鑄模具（3Cr2W8V），工作溫度為1000℃左右，采用化學鍍復合熱處理工藝強化后，平均使用壽命提高50％以上。
3.3化學鍍Ni-P合金在沖壓模具上的應用
陳鈺秋等采用化學鍍Ni－P-SiO2合金復合熱處理技術在冷作模具鋼GD鋼表面進行了實驗[22]，結果表明，鍍層經處理后，硬度明顯提高，為進一步工業應用提供了參考價值。
3.4化學鍍Ni-P合金在鑄造模具上的應用
鑄造模具因為使用溫度高，所以應用其上的表面技術也要經受較為苛刻的工作條件。
據報道[23]，黃石東貝集團鑄造公司的鋁合金鑄造模具，經過表面化學鍍Ni-P合金復合熱處理后，提高了表明硬度、耐磨性能，縮短了50％的加工周期。該模具主要用于生產汽車制動器卡鉗體的生產，產品外觀平整光滑，精度達到要求，預期該模具可以完成超過10000臺套的產品鑄造。
1993年東風汽車公司鑄造一廠的水輪葉泵鑄造模具[2]，采用化學鍍Ni-P合金復合熱處理后，鍍層與基體結合牢固，耐蝕和耐磨性能優異，大幅提高了模具的使用壽命。該模具使用2年后仍在正常工作。
3.5化學鍍技術在快速原型模具上的應用
快速原型技術制造模具是近年來發展起來的新技術，其極高的材料利用率、較低的制造成本和較短的制造周期使得這種技術成為21世紀制造業的重要組成部分。
劉傳慧等將復合化學鍍技術應用于熔融沉積產生的快速原型ABS零件芯模上[24]，得到Ni-P/PTFE復合鍍層，使得該零件芯模更加耐磨、耐腐蝕，而且表明具有不粘性和導電性，使該芯模進行硅膠注塑時脫模容易，經久耐用，也使得電鑄成型有了實施的條件。
吳福生等人研制出適合于精密模具開發的電鑄化學鍍鎳工藝[25]，可以在以成型機制作的快速原型芯模上制備導電層。并在此基礎上開發了用于精密模具制造的電鑄成型機。
金洙吉等人經過大量實驗，探索出一種在LOM紙質原型上進行化學鍍銅的工藝[26]，可在LOM紙質原型一層均勻的導電層，為后續的電鑄做好準備，從而把LOM工藝快速制造原型、電鑄工藝精確復制原型和電弧噴涂紫銅快速背襯的特點結合在一起，快速制造出了EDM電極。經實驗證明，該方法的電極性能良好、尺寸精度較高、完全能滿足電火花加工的需要，為電火花加工電極及模具的快速經濟制造提供了新的途徑。
4結語
化學鍍Ni-P合金技術可在被處理零件表面形成厚度均勻的鍍層，鍍層內應力為拉應力類型。經過熱處理之后，鍍層由非晶體轉變為晶體，鍍層與基體結合力增強，耐腐蝕性與熱處理溫度密切相關，在高溫750℃處理后的鍍層耐蝕性最好。
化學鍍Ni-P合金復合熱處理技術在模具表面處理上的應用日益廣泛，尤其在塑料模具上的應用日漸成熟，在鑄造模具和壓鑄模具上也有一定程度的應用，在冷沖壓模具上的應用較少，在快速原型制造模具上的應用主要限于制備導電層，其他方面的應用仍在研究中。