平行沖刷給液電沉積鎳層的顯微硬度研究

李家明， 史忠豐， 蔡成翔

（欽州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 欽州 535000）

平行沖刷給液電沉積鎳層的顯微硬度研究

李家明， 史忠豐， 蔡成翔

（欽州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 欽州 535000）

采用平行沖刷給液方式電沉積鎳層，并系統(tǒng)研究了沖液速率、陰極電流密度、電解液溫度和電解液pH值對(duì)鍍層顯微硬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鍍鎳層的顯微硬度隨沖液速率的加快（0.6～2.2m/s）和陰極電流密度的增加（1～11A/dm2）均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，隨電解液溫度的升高（35～50℃）微幅增大，而隨電解液pH值的升高（3.5～5.5）呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

顯微硬度；沖液速率；陰極電流密度；電解液溫度；電解液pH值

0 前言

鎳是電沉積工藝中常用的金屬，已成功用于表面粗糙度樣塊、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和微波紋管等的制造［1］。對(duì)此類功能性零部件而言，硬度是最重要的性能指標(biāo)之一，因其與強(qiáng)度和耐磨性等關(guān)系密切。為此，圍繞優(yōu)化電沉積參與要素以提高鍍鎳層的硬度這一主題，電沉積領(lǐng)域的研究學(xué)者開(kāi)展了深入的探索。Sherik A M 等［2］、Qu N S 等［3］和 王 立 平等［4］從改變電流施加方式的角度，分別采用方波電流、高頻脈沖電流和窄脈寬高峰值電流進(jìn)行電沉積，均制備出高硬度的納米晶鍍鎳層。王秀芝等［5］、譚俊等［6］和劉延輝等［7］從優(yōu)化電沉積空間環(huán)境的角度，分別在超聲場(chǎng)和磁場(chǎng)中開(kāi)展電沉積實(shí)驗(yàn)，得出類似結(jié)論：非常態(tài)環(huán)境中電沉積制備的鍍鎳層的顯微硬度較常規(guī)鍍鎳層的有明顯提高。Ebrahimi F等［8］從優(yōu)選電沉積工藝參數(shù)的角度，系統(tǒng)考察了電解液類型和電解液pH值對(duì)所得納米晶鍍鎳層硬度的影響規(guī)律。

本文圍繞相同主題，采用平行沖刷給液方式電沉積鎳層，并系統(tǒng)研究了沖液速率、陰極電流密度、電解液溫度和電解液pH值對(duì)鍍層顯微硬度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

鍍層制備采用氨基磺酸鹽型基礎(chǔ)鍍鎳液，其組成為：氨基磺酸鎳430mL/L，氯化鎳8g/L，氯化鈉10g/L，硼酸35g/L，稀土（添加劑）0.1g/L。所用試劑均為分析純，用去離子水按規(guī)范流程配制鍍液。陽(yáng)極為電解鎳板，陰極為鋁合金圓片，兩者的面積比約為3∶2，采用水平正對(duì)布置方式，間距保持在20 mm。操作條件為：沖液速率0.6～2.2m/s，陰極電流密度1～11A/dm2，電解液溫度35～50℃，電解液pH值3.5～5.5。電沉積過(guò)程中，電解液以平行方式持續(xù)沖刷陰極表面，以提高陰極面臨近的傳質(zhì)效率。

電沉積結(jié)束后，鍍鎳層經(jīng)規(guī)范流程預(yù)處理。用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡分析其微觀結(jié)構(gòu)。用HVS-1000B型數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)定其顯微硬度，取五次測(cè)定結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖液速率的影響

在陰極電流密度3A/dm2，電解液溫度45℃，電解液pH值4.0的條件下，研究了沖液速率對(duì)沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知：加快沖液速率有助于增大鍍鎳層的顯微硬度。這主要是因?yàn)闆_液速率低時(shí)，傳質(zhì)進(jìn)程慢，而電極反應(yīng)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，故消耗的鎳離子難以獲得及時(shí)足量的補(bǔ)充，造成沉積面附近濃差極化較為嚴(yán)重，致使沉積晶粒粗大且結(jié)構(gòu)疏松，存在明顯的位錯(cuò)、滑移等結(jié)晶缺陷，降低鍍層的顯微硬度。而隨著沖液速率的加快，參與電極反應(yīng)的鎳離子的輸運(yùn)進(jìn)程提速，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)沉積表面的鎳離子數(shù)量增多，在相同陰極電流密度下出現(xiàn)傳質(zhì)受限的可能性和程度均降低，擴(kuò)散層減薄［9］，因而結(jié)晶細(xì)致、組織趨于致密，必然提高顯微硬度。

圖1 沖液速率對(duì)鍍鎳層顯微硬度的影響

2.2 陰極電流密度的影響

在沖液速率2.2m/s，電解液溫度45℃，電解液pH值4.0的條件下，研究了陰極電流密度對(duì)沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：隨著陰極電流密度從1A/dm2增加到11A/dm2，顯微硬度對(duì)應(yīng)從2 789MPa增至4 022 MPa。不同陰極電流密度下所得鍍鎳層的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。結(jié)合圖3分析可知：陰極電流密度增加，陰極過(guò)電位增大［10］，新晶核的生成速率加快且生成幾率提高［11］，而已成晶核的生長(zhǎng)空間因受壓縮導(dǎo)致長(zhǎng)大進(jìn)程減緩，故晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)致密，且結(jié)晶原子彼此間的結(jié)合力增強(qiáng)，從而增加晶界密度，抑制位錯(cuò)滑移，增大顯微硬度；同時(shí)，電極反應(yīng)進(jìn)程加速，金屬離子的沉積速率加快，可能出現(xiàn)少量的氫被夾雜于鍍層中并滲透擴(kuò)散的情況，造成內(nèi)應(yīng)力增大，宏觀上表現(xiàn)為顯微硬度提高。

圖2 陰極電流密度對(duì)鍍鎳層顯微硬度的影響

圖3 不同陰極電流密度下所得鍍鎳層的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 電解液溫度的影響

在沖液速率2.2m/s，陰極電流密度3A/dm2，電解液pH值4.0的條件下，研究了電解液溫度對(duì)沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知：盡管顯微硬度隨電解液溫度的升高（35～50℃）呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但就增幅（約為6.7%）而言，電解液溫度對(duì)鍍鎳層顯微硬度的影響不明顯。分析認(rèn)為，這主要是由正反兩方面效應(yīng)協(xié)同作用所致。具體來(lái)說(shuō)，溫度升高所帶來(lái)的正面效應(yīng)是：一定程度提高陰極極限電流密度，起到間接細(xì)化鍍層晶粒的效果。但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)某些負(fù)面效應(yīng)，如增強(qiáng)離子活性，加快電極反應(yīng)進(jìn)程，致使陰極過(guò)電位降低，單位面積內(nèi)的成核點(diǎn)增多且新晶核的生長(zhǎng)速率加快，易形成粗晶織構(gòu)，弱化鍍層的致密性。綜合而言，隨著電解液溫度的升高，鍍鎳層的顯微硬度微幅提高。然而，為盡可能避免因溫度高造成電解液中水分蒸發(fā)過(guò)快，應(yīng)控制電解液溫度處于適宜范圍。

圖4 電解液溫度對(duì)鍍鎳層顯微硬度的影響

2.4 電解液pH值的影響

在沖液速率2.2m/s，陰極電流密度3A/dm2，電解液溫度45℃的條件下，研究了電解液pH值對(duì)沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知：在沖液速率、陰極電流密度和電解液溫度恒定的條件下，鍍鎳層的顯微硬度在電解液pH值約為5.0時(shí)達(dá)到最大值，為3 350MPa。當(dāng)電解液pH值小于5.0時(shí)，顯微硬度隨pH值的升高而增大。這可能是由于pH值升高，H＋的濃度降低，陰極面周圍OH－的濃度卻增大，導(dǎo)致形成少量的Ni（OH）2或堿式鹽并夾雜于鍍層中，一定程度增大顯微硬度。但當(dāng)電解液pH值大于5.0時(shí)，顯微硬度未明顯改變，基本保持在3 350MPa。

圖5 電解液pH值對(duì)鍍鎳層顯微硬度的影響

3 結(jié)論

（1）在其他工藝條件恒定的條件下，加快沖液速率、增加陰極電流密度均有利于提高沖刷給液電沉積鎳層的顯微硬度，但升高電解液溫度對(duì)沖刷給液電沉積鎳層的顯微硬度影響微弱。

（2）控制電解液pH值介于特定區(qū)間，能夠制得較高顯微硬度的鍍鎳層。

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An Ⅰnvestigation on Microhardness of Nickel Coating Electrodeposited by Parallel Flushing Electrolyte

LⅠ Jia-ming， SHⅠ Zhong-feng， CAⅠ Cheng-xiang
（College of Chemistry and Chemical Engineering，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China）

The nickel coating was electrodeposited with electrolyte supplied in parallel flushing form.The influence law of flushing speed，cathode current density，electrolyte temperature and electrolyte pH value on the microhardness of the nickel coating was investigated.The results show that the microhardness of the nickel coating shows an obvious increasing trend with the increase of both flushing speed（0.6～2.2 m/s）and cathode current density （1～11A/dm2），and slightly increases with the increase of the electrolyte temperature（35～50℃），but presents a trend of increasing first and then stabilizing with the increase of the pH value of the electrolyte（3.5～5.5）.

microhardness；flushing speed；cathode current density；electrolyte temperature；electrolyte pH value

廣西高等學(xué)校重點(diǎn)資助科研項(xiàng)目（201102ZD036）

TQ 153

A

1000-4742（2014）01-0013-03

2012-07-16