影響電鑄鎳-鈷合金晶粒尺寸的因素

楊東方, 裴和中, 張國亮, 張 俊

(昆明理工大學機電工程學院,云南昆明 650093）

影響電鑄鎳-鈷合金晶粒尺寸的因素

楊東方, 裴和中, 張國亮, 張 俊

(昆明理工大學機電工程學院,云南昆明 650093）

介紹了影響電鑄鎳-鈷合金晶粒細化的幾個因素,如:陰極電流密度、脈沖電源、鍍液溫度、外加電磁場、鈷離子的質量濃度和添加劑等,并介紹了國內外相關方面所取得的成果。

陰極電流密度;脈沖電源;鍍液溫度;外加電磁場;鈷離子的質量濃度;添加劑

0 前言

電鑄因具有高復制精度、高重復精度、工藝簡單和周期短等優點,在精密模具、航空航天、兵器及微機械等制造領域得到了廣泛的應用。鎳-鈷合金由于高硬度、高耐磨性、高耐蝕性、良好的導熱性以及電催化性等受到國內外關注[1-4]。而鍍層金屬的晶粒大小是影響其物理化學性能的重要因素之一(如:晶粒越細小,硬度和強度越高）。由電沉積原理可知:沉積層的晶粒大小與結晶時晶體的形核率和晶粒的生長速率有關[5-6]。研究表明:陰極電流密度、脈沖電源、鍍液溫度、外加電磁場、鈷離子的質量濃度和添加劑等都會對鍍層金屬晶粒大小產生影響。

1 陰極電流密度

屠振密等[7]報道在電鑄鎳-鈷合金過程中提高電沉積的陰極電流密度時,過電勢提高,成核速率增加,鍍層晶粒細化。從而可知:生成納米晶的重要電化學因素,就是有效地提高電沉積時的陰極電流密度及過電勢。相關文獻[6-10]報道:當陰極電流密度低時,晶核有充分生長的時間,而不形成新核;當電解液的濃度大,溫度高時,能生成大的晶狀沉積物。當陰極電流密度較高時,促進核的生成,成核率往往勝于晶體生長,從而生成了微晶,因此得到的一般是十分細小的晶粒或粉末。當陰極電流密度很高時,晶體多半趨向于朝著金屬離子十分密集的那邊生長,結果晶體長成樹狀或團粒狀,同時也會導致氫氣的析出,結果在極板上生成斑點。隨著陰極電流密度的增加,沉積層中鈷的質量分數下降,Co-Ni沉積層的結晶變得粗大。

Qin Li-yuan等[11]在直流電鍍鎳過程中,通過控制陰極電流密度來控制晶粒大小,從而形成梯度合金 。譚奇顯等[10]在電鑄鎳-鈷合金過程中,通過改變陰極電流密度改變沉積層中鈷的質量分數從而達到控制晶粒粗細,改善機械性能,降低成本。

2 脈沖電源

Toth-Kadar E等[12]發現脈沖電沉積對鎳鍍層晶粒細化有顯著影響。采用脈沖電沉積時,當給一個脈沖電流后,陰極溶液界面處消耗的沉積離子可在脈沖間隔內得到補充,因而可采用較高的峰值電流密度,得到的晶粒尺寸比直流電沉積的小。此外,采用脈沖電流時,由于脈沖間隔的存在,使晶體的生長受到阻礙,減少了外延生長,生長的趨勢也發生改變,從而不易形成粗大的晶體。

宮曉靜等[13-14]發現在脈沖電鍍鎳-鈷合金過程中,脈沖頻率增大可抑制晶粒的生長速率,成核速率增大,導致晶核細小,形核數目增多,從而使得鍍層的孔隙率減小,表面致密性增加,有利于提高鍍層的顯微硬度。

Chung C K等[15]發現在脈沖電沉積鎳-鈷合金過程中,降低陰極電流密度和提高脈沖頻率可使鍍層晶粒有效細化,提高鍍層表面強度,降低鍍層表面粗糙度。

Tury B等[16]在反向脈沖電沉積鎳-鈷合金過程中,在降低陰極電流密度的同時,通過控制方波電流的關斷時間來控制鍍層晶粒的大小,以達到提高機械性能的目的。

3 鍍液溫度

姚素薇等[17]通過實驗得出在電鑄鎳-鈷合金過程中,鍍液溫度對鍍層成分影響不大,對電流效率的影響也很小;但鍍液溫度對微觀組織存在較大影響。張國安等[18-19]發現鍍液溫度對鎳-鈷合金沉積速率的影響明顯。溫度低時,鈷離子、鎳離子的活動能力較弱,在陰極表面還原能力較小,沉積速率慢,甚至有時不能沉積出膜層。隨著溫度的升高,兩者的活動能力增加,沉積速率加快。但溫度過高,鍍液有自發分解的趨勢,且鍍層發暗,與基體的結合力差。王伊卿等[20]發現在電鑄鎳-鈷合金鍍液中,鎳離子與鈷離子的質量濃度相差懸殊的情況下,溫度升高對增加鎳離子和鈷離子擴散作用的程度是不同的,更有利于受擴散步驟控制的鈷離子優先析出。所以溫度升高,電鑄層中鈷的質量分數增大,晶粒細化,鍍層光滑。周向陽等[14]發現電鑄鎳-鈷合金時,隨鍍液溫度升高,鍍層中鈷的質量分數增加,晶粒由粗變細。當陰極電流密度維持在2 A/dm2,且溫度低于40 ℃時,鍍層的光亮度差;當溫度高于50°C時,能耗大,且鍍層致密度差,所以溫度最好控制在40～50°C。

4 外加電磁場

據文獻[21-24]報導:電磁場能量密度高,對材料施加作用的方式是非接觸式的,可傳遞熱能和動能給鍍液,而不對鍍液造成污染。另外,被磁化鍍液性能有所改觀,表現為溶解度增大,透明度更好,電沉積速率加快。洛侖茲力加大對離子的擾動作用加強,使電化學反應速率加快。加工表面粗糙度隨磁感應強度的增加,改善的趨向也越好。王森林等[21]在硫酸鹽體系中電沉積鎳-鈷合金時,通過外加平行于電極表面的磁場可以略微提高沉積速率和電流效率,且所得鍍層表面均勻,晶粒細小。鎳-鈷合金鍍層呈hcp(100）和hcp(110）晶面擇優取向。外加平行于電極表面的磁場可以促進hcp(110）晶面擇優生長和抑制hcp(002）晶面擇優生長。

Sulitanu[25]在垂直于基體表面,與鈷離子運動方向相同和相反的外加磁場作用下分別電沉積鈷。發現在兩個不同方向的磁場作用下,電沉積鈷獲得的晶型是不同的。前者制得的鈷鍍層為面心立方(fcc）結構;而后者所得鍍層為六方鈷(1 000）晶面擇優取向。

5 鈷離子的質量濃度

侯峰巖等[26]在硫酸型鎳-鈷鹽和硫酸型鎳鹽鍍液中進行實驗,發現前者晶粒更加細化,且當硫酸型鎳-鈷鹽鍍液中,鈷離子的質量濃度超過30 g/L時,鍍層細化更好。其鍍層具有密排六方結構,是以鈷為溶劑,鎳溶解在鈷中的單相固溶體,高溫抗氧化能力和耐磨性均得到提高。Wang L P等[27]發現在普通的直流鎳-鈷鍍層中,當鍍層中鈷的質量分數逐漸增大到49%時,鎳-鈷合金鍍層晶粒逐漸細化,表面光滑。李東云等[28]發現鍍液中糖精的質量濃度為3～4 g/L時,隨著鈷離子的質量濃度升高,鎳-鈷合金晶粒細化,鍍層顯微硬度升高;但是鈷離子的質量濃度增加到一定程度后,鍍層顯微硬度反而下降 。而當糖精的質量濃度達到5 g/L時,鍍層的顯微硬度隨著鈷離子的質量濃度的升高而下降。

6 添加劑

遲玉中等[29-30]發現糖精對鍍層中鈷的質量分數存在一定影響。隨著糖精的質量濃度的增大,鍍層中鈷的質量分數增加;當糖精的質量濃度增加到2.5 g/L時,鍍層中鈷的質量分數達到極值;此后隨著糖精的質量濃度的增加,鍍層中鈷的質量分數反而下降。十二烷基硫酸鈉是一種陰離子型表面活性劑,能特性吸附在陰極表面,從而降低電極與溶液間的界面張力,使溶液能很好地潤濕電極表面,使氫氣泡在電極上的濕潤角減小,在尺寸很小時就離開電極表面。隨著十二烷基硫酸鈉的質量濃度增大,鍍層中鈷的質量分數先增加后下降。當其質量濃度為2.0 g/L時,結晶細化、均勻,鍍層的外觀質量最好。在電鑄鎳-鈷合金的過程中,添加少量的有機物(如:糖精、明膠等）可使沉積物晶態由粗變細,同時使金屬表面光滑。

林文修等[19]發現在電鍍鎳-鈷合金中,1,4-丁炔二醇是較好的光亮劑。當其質量濃度控制在0.50～0.75 g/L時,鍍層細密光滑。

馮拉俊等[31]指出要根據不同的電鍍條件選取相應的添加劑。相對而言,20℃時,對甲苯磺酞胺對鍍鎳的沉積速率、電流效率和分散能力的增強作用較好;苯亞磺酸鈉對沉積速率和電流效率的增強作用最差;香豆素對分散能力的增強作用最差。50℃時,對甲苯磺酞胺對沉積速率和電流效率的增強作用較好;苯亞磺酸鈉對分散能力的增強作用較好;1,4-丁炔二醇對分散能力的增強作用最差。周小琴等[32]發現在20℃和60℃時 ,對甲苯磺酰胺對沉積速率和電流效率的增強作用最好;20℃時,對甲苯磺酰胺對提高分散能力的效果最好;60℃時,烯丙基磺酸鈉對提高分散能力的效果較好;20℃時,對甲苯磺酰胺對提高光亮度的綜合效果最好;60℃時,糖精對提高光亮度的作用最好。

El-Sherik等[33]發現在電鍍液中加入糖精后有效地阻止了晶粒的島狀生長,細化了晶粒,改善了鍍層的表面粗糙度。

潘秉鎖等[34-35]發現稀土陽離子有促進鍍層結晶細化、結構緊密的作用,有利于提高鍍層的耐蝕性。

孫淑萍等[36]在電鍍光亮鎳溶液中,加入質量濃度為0.9～1.0 g/L的 CeCl3·7H2O后,鎳鍍層表面的晶粒得到了細化,提高了鍍層硬度和耐磨性;隨著溶液中Ce3+的質量濃度的增加,鎳鍍層的耐蝕性逐漸增強。

7 結語

電鑄鎳-鈷合金目前雖已經應用到生產加工中,但其理論研究明顯滯后。工業上主要考慮的影響因素是陰極電流密度、添加劑和鈷離子的質量濃度的作用。隨著工業發展,對電鑄件的要求也將越來越高,我們必將采用更多的手段來提高鎳-鈷合金各方面的性能。

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Factors Affecting the G rain Size of Electroformed Nickel-Cobalt Alloy

YANGDong-fang, PEI He-zhong, ZHANG Guo-liang, ZHANGJun
(Faculty of Mechanical and Electrical Enginerring,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China）

The factors affecting the grain size of electroformed nickel-cobalt alloy,such as cathode current,density,pulse power,electrolyte temperature,impressed electro-magnetic field,mass concentration of Co2+,additives,etc.,are described,and the corresponding achievements at home and abroad are also presented.

cathode current density;pulse power supply;electrolyte temperature;impressed electro-magnetic field;mass concentration of Co2+;additive

TQ 153

A

1000-4742(2010）02-0005-04

2009-08-18