金属基体上的金属覆盖层 电沉积和化学沉积层检测

金属基体金属覆盖层（电沉积/化学沉积）检测项目详解

金属基体上施加金属覆盖层（电沉积或化学沉积）是广泛应用于提升产品耐腐蚀性、耐磨性、导电性、钎焊性、装饰性等功能的关键工艺。为确保这些涂覆层满足预期的性能要求，对其进行系统、严格的检测至关重要。检测的核心在于评估覆盖层的质量属性，主要包括以下关键项目：

一、 厚度检测

• 目的： 涂层厚度是其防护性能和功能性的基础指标。过薄可能无法提供有效保护，过厚则可能导致成本增加、内应力过大、结合力下降或影响装配。
• 主要方法：
  • 磁性法： 适用于基体为磁性金属（如钢、铁），覆盖层为非磁性金属（如铬、铜、锌、锡、镍等）的情况。利用磁通量变化测量。
  • 涡流法： 适用于基体为导电金属（非铁或非磁性），覆盖层为导电金属的情况（如铝基体上镀铜）。利用涡流效应测量。
  • 金相显微镜法： 最准确、直观的方法。截取试样，经镶嵌、研磨、抛光、腐蚀后，利用显微镜直接观察并测量覆盖层的断面厚度。适用于所有金属组合，是仲裁方法。
  • 库仑法（溶解法）： 通过电解溶解覆盖层直至露出基体，根据溶解消耗的电量或时间计算厚度。适用于可阳极溶解的覆盖层（如锌、镉、锡、铜、镍等）。
  • X射线荧光光谱法： 无损检测。利用X射线激发覆盖层原子产生特征X射线，通过强度计算厚度。适用于多种金属组合，尤其适合微小区域或复杂形状工件。
  • β射线背散射法： 利用β射线照射涂层后被背散射的强度变化测量厚度。适用于薄镀层测量（尤其贵金属）。

二、 结合力（附着力）检测

• 目的： 评估覆盖层与基体金属之间结合的牢固程度。结合力差会导致涂层起皮、剥落，完全失去防护或功能作用。
• 常用方法：
  • 弯曲试验： 将试样反复弯曲或弯折至一定角度，观察覆盖层是否开裂或剥落。适用于薄板或线材。
  • 锉刀试验： 用锋利锉刀以一定角度锉削覆盖层边缘（基体需固定牢固），观察覆盖层是否被掀起或剥落。适用于硬镀层（如铬、镍）。
  • 划格/划痕试验：
    • 划格法： 用锋利刀具在覆盖层表面划出网格（如6x6或10x10），间距通常为1mm或2mm。用胶带粘贴在划格区域并快速撕下，观察涂层是否从格子中剥落。适用于较薄的覆盖层。
    • 划痕法： 用硬度计金刚石压头或特定划针在覆盖层表面以恒定或递增载荷划动，通过检测声发射、摩擦力突变或显微镜观察，确定覆盖层开始剥落时的临界载荷。
  • 热震试验： 将试样加热到一定温度（通常高于使用温度，低于金属熔点），然后迅速淬入冷水或室温空气中。利用金属与覆盖层热膨胀系数差异产生的应力检查是否开裂或剥落。适用于能承受温度冲击的工件。
  • 冲击试验： 用落球或落锤冲击覆盖层表面，观察冲击凹坑处及周边的覆盖层是否开裂或剥落。评估覆盖层在动态载荷下的结合状态。

三、 孔隙率检测

• 目的： 检测覆盖层中存在的贯穿到底材的针孔、裂纹等缺陷。孔隙是腐蚀介质渗透并腐蚀基体的主要通道。
• 常用方法：
  • 贴滤纸法（湿润法）：
    • 铁氰化钾法（用于钢基体上的铜、镍、锡、银等）： 滤纸浸透特定试剂（如铁氰化钾+氯化钠溶液）贴于覆盖层表面，孔隙处试剂与基体铁反应生成蓝色斑点。
    • 亚铁氰化钾法（用于铜基体上的镍、铬、锡等）： 原理类似，孔隙处试剂与铜基体反应生成红棕色斑点。
    • 二甲基乙二肟法（用于铜或镍基体上的金、银等）： 孔隙处试剂与基体镍反应生成红色斑点。
  • 浸渍法： 将试样浸入特定腐蚀液中（如酸性盐雾、铜盐溶液），利用基体腐蚀产物显色或电化学作用（如镀铬层下的铜层在酸性溶液中形成粉色腐蚀点）。
  • 通电法（电图像法）： 试样作为阴极放入电解槽，覆盖层为阳极。在特定电解液和电压下，孔隙处基体溶解并在测试纸上留下对应位置的斑点图像。
  • 气体渗透法： 在一定压差下，测量气体通过覆盖层（主要经孔隙）的速率来评估孔隙率。
  • 显微镜检查（金相或SEM）： 观察覆盖层断面或表面形貌，直接识别孔隙缺陷。

四、 耐腐蚀性能检测

• 目的： 模拟或加速评估覆盖层在实际服役环境下抵抗腐蚀介质侵蚀的能力。
• 主要方法:
  • 中性盐雾试验： 最常用的加速腐蚀试验。将试样置于密闭盐雾箱中，持续或间歇喷洒pH值接近中性的氯化钠溶液雾，模拟海洋或含盐大气环境。定期检查并记录腐蚀出现的时间和形态（如白锈、红锈、起泡）。
  • 醋酸盐雾试验： 在盐溶液中加入醋酸，使pH降至约3.5，形成酸性环境。对于装饰性铬镀层（镍铬体系）尤其重要，能更灵敏地反映阴极性镀层的孔隙缺陷。
  • 铜加速醋酸盐雾试验： 在醋酸盐雾基础上加入氯化铜，进一步加速腐蚀。主要用于快速评估装饰性铬镀层或阳极性镀层（如锌、镉）的孔隙率和耐蚀性。
  • 循环腐蚀试验： 更接近实际环境。交替进行盐雾、干燥、湿热、冷凝等不同气候条件，评估覆盖层在干湿交替条件下的防护能力。
  • 二氧化硫试验： 在含有二氧化硫气体和一定湿度的环境中进行，模拟工业污染大气环境。
  • 湿热试验： 将试样置于高温高湿（如40°C ±2°C, 相对湿度93% ±3%）的环境中，评估覆盖层在潮湿环境下的耐蚀性及有机涂层下的起泡倾向。
  • 腐蚀膏试验： 将腐蚀性膏剂均匀涂覆在覆盖层表面，干燥后在潮湿箱中放置一定时间。评估装饰性铬镀层耐蚀性常用此法。
  • 电解腐蚀试验： 主要用于评估阴极性装饰铬镀层（镍铬体系）在孔隙处镍层的耐蚀性。试样做阳极，在特定电解液中通电，模拟腐蚀过程。

五、 外观质量检测

• 目的： 评估覆盖层表面的宏观状态是否符合要求，直接影响产品的美观度和初步判断是否存在严重缺陷。
• 检查内容:
  • 颜色与光泽： 是否符合预定要求（如光亮、哑光、特定色调）。
  • 均匀性： 颜色、光泽是否均匀一致。
  • 表面缺陷：
    • 烧焦（电沉积过程中电流过大局部过热导致粗糙发黑）。
    • 麻点/针孔（小凹坑）。
    • 起泡/鼓泡（覆盖层与基体分离隆起）。
    • 粗糙/毛刺。
    • 条纹/流痕。
    • 起皮/剥落。
    • 树枝状结晶（枝晶）。
    • 污渍/水印。
    • 未覆盖/露底。
  • 检查方法： 通常在规定的光照条件下（如自然光、特定色温及照度的灯光），由视力正常的人员目视检查（必要时使用放大镜）。

六、 显微硬度检测

• 目的： 测量覆盖层自身的抵抗局部塑性变形（压入）的能力。硬度影响耐磨性、抗划伤性、涂层韧性及内应力状态。
• 常用方法：
  • 维氏显微硬度： 最常用。使用低载荷（通常1g至1kgf）的金刚石角锥压头。适合测量薄镀层（>1μm通常）的截面或表面（表面需平整光滑）。
  • 努氏显微硬度： 使用菱形棱锥压头，压痕浅长，对薄层或脆性层更有利。
  • 纳米压痕： 使用极低载荷（mN级），可测量纳米尺度区域的硬度及弹性模量。
• 关键点： 载荷选择需保证压痕深度不超过覆盖层厚度的10%-25%，避免基体影响测量结果。通常测量涂层截面。

七、 成分与结构分析

• 目的： 确认覆盖层的元素组成、合金比例、相结构、晶粒尺寸等，直接影响其物理化学性能。
• 常用方法：
  • X射线荧光光谱分析： 无损或微损。快速测定覆盖层的主要元素组成及大致含量（定量需标样）。
  • 电子探针显微分析/能谱分析： 结合扫描电镜，可对微小区域进行点、线、面扫描，精确分析元素分布。
  • X射线衍射分析： 确定覆盖层的晶体结构、晶相组成、择优取向（织构）、晶粒尺寸和微观应力。
  • 辉光放电光谱分析： 可进行覆盖层从表面到基体的成分深度剖面分析。
  • 电感耦合等离子体光谱/质谱分析： 高精度测定溶液（如溶解镀液或涂层）中的元素含量。

八、 内应力检测

• 目的： 评估覆盖层内部存在的残余应力（通常是拉应力或压应力）。过大的应力会导致涂层开裂、翘曲、剥落或加速腐蚀。
• 常用方法：
  • 弯曲阴极法： 最常用。将一面绝缘的薄金属片（阴极）电镀，镀层内应力使其弯曲变形，通过测量变形量（如激光位移传感器）计算应力值。
  • 螺旋收缩法： 在螺旋状金属带上电镀，镀层应力使螺旋收缩或张开，测量角度变化计算应力。
  • X射线衍射法： 测量涂层晶格应变，计算残余应力（通常为表面应力）。

九、 其他功能性检测

• 根据覆盖层的特定用途，可能还需进行额外测试：
  • 耐磨性： 如Taber磨耗试验、往复摩擦试验等，评估抵抗机械磨损的能力。
  • 钎焊性/焊接性： 评估覆盖层表面在钎焊或焊接过程中的润湿铺展能力。
  • 导电性/电阻率： 测量覆盖层的电导性能。
  • 可焊性： 特别是锡镀层，评估其在电子焊接中的表现。
  • 氢脆敏感性： 对于高强度钢基体电镀（尤其是镀铬、镀镉等析氢严重的工艺），需检测镀后氢脆倾向（如延迟破坏试验、慢应变速率拉伸试验）。
  • 表面接触电阻： 对于电接触材料（如金、银）非常重要。

总结：

对金属基体上的电沉积或化学沉积金属覆盖层进行全面检测，是确保其满足设计性能和使用寿命要求的核心环节。检测项目需根据镀层类型、基体材料、应用场景及具体要求进行科学选择和组合。从基础的厚度、结合力、孔隙率和外观检查，到更深入的耐蚀性、硬度、成分结构、应力分析，乃至特定的功能性测试，形成一个多维度、相互验证的质量评价体系。通过严格执行这些检测项目，可以有效控制镀覆工艺质量，预防早期失效，保障最终产品的可靠性和耐久性。