鎳的周期換向脈沖電沉積實驗研究

趙恩蘭 許 維

（徐州工程學院，江蘇 徐州221111）

0 引言

20世紀60年代開始，國內外學者對脈沖電沉積技術進行了大量的研究［1］。近年來，脈沖電沉積技術發展迅速，其技術特點決定了其能夠解決直流電沉積不能解決的一些難題，提高鍍層的質量和性能［2－3］。換向型脈沖電沉積技術近年來被廣大學者所關注，其多應用在表面要求較高的場合，如精密儀器、電子元件等。

在換向型脈沖電沉積技術中，正反向的脈沖工作時間會影響鍍層規則與致密程度，正反向的電流密度直接影響鍍層性能的優劣以及鍍層的結構和成分。因此，沉積時的正反向電流密度和工作脈沖時間是電沉積過程中必須優化的工藝參數。本文建立了電化學沉積裝置，對正反向電流密度和工作脈沖時間對鍍層的影響進行研究。

1 實驗系統與材料

圖1所示為電化學沉積裝置，不銹鋼板為陰極10，鎳板為陽極9，兩極之間相隔4cm左右，相對懸掛在鐵架臺8上并浸入鍍液2中，鍍液用燒杯4等器皿盛放。然后將電化學工作站6上的電線與陰陽極連接，綠線接陰極10，紅線接陽極9，白色為參比電極，也可接在陽極9上。然后，打開磁力攪拌加熱裝置7，設定水域1的溫度與磁力轉子3的轉速，采用計算機5上電化學工作站的專用軟件調節各個電沉積參數。電鍍時采用計時電位法，電鍍時間為30min。

圖1 電化學沉積裝置

2 周期換向脈沖電沉積實驗

2.1 反向脈沖工作時間對鎳形貌的影響

首先，我們研究反向脈沖工作時間對鍍層鎳表面形貌的影響。鍍鎳溶液配方為去離子水（300mL）、H3BO3（12.09g）、NiSO4（88.12g）、NiCl2（18.06g）、十二烷基硫酸鈉（0.01g）。電鍍參數為高電位限制（2A）、低電位限制（－2A）、陰極電流密度（25mA／cm2）、陽極電流密度（2.5mA／cm2）、正向脈沖時間（0.5s）。在本實驗中只改變反向脈沖時間，分別為0.005s、0.03s、0.05s、0.1s。將鍍液燒杯放至 DF－1集熱式磁力加熱攪拌器，溫度保持在50℃，通過電化學工作站CHI660D調節反向脈沖時間依次電鍍4個樣品，實驗結果如圖2所示。

圖2 不同反向脈沖時間下鍍層鎳的微觀形貌

在該實驗中，反向單次脈沖時間反映的是正向脈沖電流密度和時間不變，反向脈沖電流密度不變，反向脈沖的時間變化對鎳表面形貌的影響。正向脈沖電鍍時，陰極不銹鋼基體上在不斷地鍍鎳，陽極鎳板不斷生成鎳離子；反向脈沖電鍍時，陰極上又把生成的鎳變成鎳離子，由于正向脈沖電流密度和時間遠遠大于反向脈沖電流密度和時間，陰極鎳的形成速度大于去除速度，改變的就是去除速度這一參數對實驗的影響。從圖2（a）中可以看出，隨著反向脈沖時間的減小，鍍層的表面逐漸細致光滑，鍍層相對比較平整。這是因為，隨著反向脈沖時間的減小，峰值電流密度逐漸增高，過電位也就逐漸增大，晶核的形核速度就會大于其生長速度。因此，晶粒的尺寸就會越小，沉積層也就越細致光滑，孔隙率也較低。該實驗說明反向脈沖時間為0.005s時，表面形貌最好，最均勻，鍍層質量越好。

2.2 正反電流比對鎳表面形貌的影響

下面研究正反電流比對鍍層鎳表面形貌的影響。鍍鎳溶液配 方 為 去 離 子 水 （300mL）、H3BO3（11.89g）、NiSO4（88.93g）、NiCl2（17.15g）、十二烷基硫酸鈉（0.01g）。電鍍參數為高電位限制（2A）、低電位限制（－2A）、正向脈沖時間（0.5s）、反向脈沖時間（0.05s）、陰極電流密度（25mA／cm2）。在本實驗中只改變陽極電流密度（即陰陽極電流密度比），分別為2.5mA／cm2、3.1mA／cm2、4.2mA／cm2、12.5mA／cm2。將鍍液溫度保持在50℃，調節正反電流比依次電鍍4個樣品，實驗結果如圖3所示。

圖3 不同陽極電流密度下鍍層鎳的微觀形貌

正反電流比反映的是正向脈沖電流密度和時間不變，反向脈沖時間不變，反向脈沖電流密度的改變對鎳表面形貌的影響。正向脈沖電鍍時，陰極不銹鋼基體上在不斷地鍍鎳，陽極鎳板不斷生成鎳離子，反向脈沖電鍍時，陰極上又把生成的鎳變成鎳離子，由于正向脈沖電流密度和時間遠遠大于反向脈沖電流密度和時間，陰極鎳的形成速度大于去除速度，改變的是反向脈沖電流密度這一參數對實驗的影響。從圖3中可以看出，隨著陽極電流密度的增加材料鍍層的粗糙度增加明顯。由電鍍原理可知，電流密度增大時，過電勢增加，結晶形成的速度顯著增加，鍍層結晶粗糙。因為正反電流比大，成核率高，晶核剛形成還來不及生長，又有一批新晶核形成，所以鍍層結晶細化，粗糙度較小，鍍層變得更加細密、表面更加光滑。

3 結語

在本文中，通過改變反向脈沖工作時間、正反電流比2個參數，得到了2個系列的實驗結果，對比分析后發現，隨著反向脈沖工作時間的減小和正反電流比的增大，鍍層表面的粗糙度減小、晶粒細，表面質量高。

［1］蔣宇僑.當前電鍍熱點［J］.電鍍與精飾，2003（5）

［2］陳范才.現代電鍍技術［M］.北京：中國紡織出版社，2009

［3］向國樸.脈沖電鍍的理論與應用［M］.天津：天津科學技術出版社，1989