交變磁場下脈沖電沉積鎳-鈷納米合金鍍層

黃志偉， 王 琳， 李云東， 盧匯洋

（1.黃河水利職業技術學院，河南 開封475004；2.蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠233030；3.河南農業大學 機電工程學院，河南 鄭州450002）

0 前言

用電鍍法制備的金剛石工具在使用過程中，鍍層胎體材料對金剛石微粒起支撐和結合作用，它決定著金剛石微粒能否充分發揮切削作用。鍍層性能應滿足高硬度、高耐磨性和高韌性的要求。近年來，隨著金剛石工具在超硬材料加工領域應用范圍的擴大，對鍍層性能也提出了更高的要求。普通鍍層已經滿足不了特殊領域的使用需求，造成鍍層對金剛石微粒的把持力不足。在磨削過程中，容易造成金剛石松動脫落，降低了金剛石工具的使用壽命［1-4］。因此，改進鍍層胎體材料的性能成了當務之急，同時提高鍍層性能也一直是電鍍科研的核心課題。

筆者在脈沖電鍍鎳-鈷納米合金鍍層的過程中引入垂直于離子沉積方向的外加交變磁場，并對所得鍍層的微觀形貌、性能進行了觀察與測試，為制備出性能優異的電鍍制品及其金剛石工具提供一種新途徑。

1 實驗

1.1 實驗材料及儀器

鍍槽用PVC 焊條焊接塑料板材制成。陽極采用純度為99.9%的鎳板，陰極采用30＃鋼板。

其他設備：SMD-120 型數控雙脈沖電鍍電源，交流電磁鐵，HVST-1000Z 型顯微硬度計，QUANT200型掃描電子顯微鏡，DX-2800 型X 射線衍射儀，AZ8685型pH值測試儀，BWD-3K320B型溫度指示控制儀。

1.2 電鍍工藝規范

采用Watt型鍍液，通過脈沖電沉積獲得鎳-鈷納米合金鍍層，并利用外加交變磁場提高鍍層質量。具體規范為：NiSO4·7H2O 290～310g／L，NiCl2·6H2O 40～50g／L，CoSO4·6H2O 2～14g／L，糖精3～5g／L，H3BO335～45g／L，十二烷基硫酸鈉0.05g／L，pH值3.0±0.1，電流導通時間Ton=2 ms，電流斷開時間Toff=30ms，電極間距6～8cm，溫度（60±1）℃，峰值電流密度Jp=110A／dm2，平均電流密度Jm=6A／dm2。所有試劑均為分析純，用蒸餾水配制。

1.3 磁場裝置

實驗所用的交變磁場來自自制的電磁線圈，匝數5 300，銅線直徑0.1mm，共10層。實驗中磁場強度的相對大小用線圈兩端的電壓來表示。磁力線分布與金屬離子的沉積方向垂直，有利于影響離子的沉積狀態，實現晶粒生長的抑制。

1.4 試樣制備流程

1.5 測試方法

采用HVST-1000Z型顯微硬度計測定鍍層的顯微硬度，載荷為250g，加載12s。取6個較分散的點進行測定，求出平均值作為測試結果。采用掃描電鏡和X 射線衍射儀分析鍍層的表面形貌和微觀結構。

2 結果與討論

2.1 外加交變磁場對鍍層微觀形貌的影響

圖1為有、無外加交變磁場影響下所得鍍層的微觀形貌。圖1（a）中晶胞直徑大都在5μm 左右；而圖1（b）中雖然大的晶胞直徑較大（超過10μm），但其中進一步細化的晶胞直徑大都在1μm 左右。 圖2為不同外加交變磁場電壓下所得鍍層的微觀形貌。圖2（b）所示鍍層較圖2（a）所示鍍層平整，且其晶界內部有進一步細化的趨勢，但不是很明顯。圖2（c）所示鍍層的晶界較為明顯，其晶界內部進一步細化的趨勢又較圖2（b）所示鍍層的明顯。圖2（d）所示鍍層又較為平整，其晶界不明顯，表明其單位面積晶胞數量減少，晶粒有粗化趨勢。

圖1 有、無外加交變磁場影響下所得鍍層的微觀形貌

這種變化與外加交變磁場對離子沉積狀態的影響有關。制備鎳-鈷納米合金鍍層的過程中引入磁場后，洛倫茲力在鍍液中產生的磁流體力學改變了離子的沉積速率［5］，這種磁流體力學效應的宏觀效果就是鍍液被攪拌。在外加磁場作用下，鍍液中的陽離子在電場力與磁場力的雙重作用下，運動軌跡發生了變化。在離子沉積的過程中，受電場力的大小和方向不變，但受磁場力的大小和方向均發生變化，離子改變了正常的沉積狀態，做近似曲線運動，如圖3所示。當外加磁場強度增加到一定程度時，離子的沉積速率變大，離子沉積時對鍍層生長層的沖刷作用使陰極晶粒的形核率大于生長率，致使晶粒得到細化，如圖3（c）所示。

2.2 外加交變磁場對鍍層顯微硬度的影響

圖4為不同外加交變磁場電壓下所得鍍層的顯微硬度。由圖4可知：隨著外加交變磁場電壓的增加，鎳-鈷納米合金鍍層的顯微硬度增大；當外加交變磁場電壓增加到150V 時，鎳-鈷納米合金鍍層的顯微硬度達到最大值；之后，隨著外加交變磁場電壓的繼續增加，鍍層的顯微硬度下降；當外加交變磁場電壓增加到200V 時，鎳-鈷納米合金鍍層的顯微硬度比無磁場時的還要低。

圖3 在磁場作用下離子的沉積狀態分析

圖4 不同外加交變磁場電壓下所得鍍層的顯微硬度

由于金屬離子的沉積受電場力和磁場力的雙重作用，在磁場強度不大的時候，減少了金屬離子在洛倫茲力下對沉積層的沖刷作用，所以此時沉積狀態相對于無磁場時的變化不大。當磁場強度增大時，由于金屬離子在受到洛倫茲力作用時已經有了很大的初速度，那么周期變化的磁場力對其運動狀態的改變就不是很明顯了，離子沖刷沉積層表面，抑制晶粒的生長，達到了細化晶粒的作用，此時鍍層的顯微硬度明顯增大。當磁場強度繼續增大時，沉積離子對沉積層的沖刷加劇，抑制了晶核的生長與形核，同時由于金屬離子此時難以沉積，造成陰極電流密度增大，電極極化現象嚴重，最終導致鍍層粗化，顯微硬度明顯下降。

選取無外加交變磁場影響下制備的鍍層與外加交變磁場電壓為150V 時制備的鍍層作為樣品，做XRD 分析，結果如圖5所示。由圖5可知：引入外加交變磁場后，鍍層的晶粒結構沒有發生變化，都為面心立方結構；衍射峰明顯寬化，晶粒尺寸減小，約為原來的60%。

圖5 鎳-鈷納米合金鍍層的XRD 譜圖

3 結論

（1）在脈沖電沉積鎳-鈷納米合金鍍層的過程中引入垂直于離子沉積方向的外加交變磁場，可以細化鍍層晶粒，使鍍層表面平整、致密，鍍層的顯微硬度先增大后減小。當外加交變磁場電壓為150V時，鍍層的顯微硬度達到最大值，為6 320 MPa。

（2）引入外加交變磁場后，鍍層的晶粒結構沒有發生變化，都為面心立方結構；衍射峰明顯寬化，晶粒尺寸減小，約為原來的60%。

［1］郭鶴桐，張三元.復合鍍層［M］.天津：天津大學出版社，1991.

［2］王秦生.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006.

［3］黃志偉，盧匯洋，李立波，等.金剛石工具中金剛石與胎體結合力的提高方法［J］.金剛石與磨料磨具工程，2007（3）：15-17.

［4］黃志偉，劉文生，盧匯洋，等.電鍍金剛石工具的改進研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2007（5）：27-30.

［5］NIKOLIC N D，WANG H，CHENG H，etal.Influence of the magnetic field and magnetoresistance on the electrodeposition of Ni nanocontacts in thin films and microwires［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2010，272：2436-2438.