電流密度對Ni-Fe合金鍍層形貌及耐磨性的影響

趙亞亞， 王久勝， 李雪松＊

（1.長春工業大學 先進結構材料省部共建教育部重點實驗室，吉林 長春 130012；2.吉林油田礦區燃氣管理服務公司，吉林 松原 138001）

電流密度對Ni-Fe合金鍍層形貌及耐磨性的影響

趙亞亞1， 王久勝2， 李雪松1＊

（1.長春工業大學 先進結構材料省部共建教育部重點實驗室，吉林 長春 130012；2.吉林油田礦區燃氣管理服務公司，吉林 松原 138001）

采用電沉積方法在鋼基體表面制備Ni-Fe合金鍍層。討論了電流密度對鍍層形貌及耐磨性的影響。結果表明：當電流密度為7A/dm2時，鍍層表面均勻、細致，顯微硬度高，具有較小的摩擦因數。

電沉積；Ni-Fe合金鍍層；顯微硬度；摩擦因數

0 前言

20世紀40年代，有人試圖用Ni-Fe合金鍍層替代鍍鎳層，但都處于探索階段。在較長時間內Ni-Fe合金電鍍發展遲緩。其原因在于鐵是鍍鎳的有害雜質，鐵的存在會使鍍鎳層出現針孔、龜裂、分層、發黑、脫落等現象。研究發現［1－3］：當鍍液中鎳與鐵的比例超過一定范圍，但不形成Fe（OH）3沉淀時，可以形成性能良好的Ni-Fe合金鍍層。

Ni-Fe合金具有良好的防護性、耐磨性、裝飾性和磁性，是一種優良的多功能材料［4－5］。相對于鍍鎳層，Ni-Fe合金鍍層具有優良的整平作用，其厚度比亮鎳鍍層的薄20%～40%。另外，Ni-Fe合金鍍層還具有優良的延展性，鍍后可耐彎曲加工。

1 實驗

1.1 實驗材料

陰極采用低碳鋼板，其尺寸為4mm×2mm×2mm；陽極采用電解鎳板和純鐵分掛的方式。

1.2 實驗設備

采用具有自動循環過濾的裝置保證鍍液的純凈和均勻。采用可自動控制的恒溫水浴控制鍍液溫度。采用速度可控的陰極移動裝置保持陰極試樣在電解液中的相對移動。

1.3 鍍液組成及工藝條件

硫酸鎳 180g/L，硫酸亞鐵 10g/L，氯化鈉25g/L，硼酸40g/L，檸檬酸鈉15g/L，光亮劑 A 3g/L，潤濕劑 0.1g/L，光亮劑 B 0.5g/L，1～9 A/dm2，55～60℃，1h。

1.4 測試方法

（1）采用XRD衍射儀測試鍍層的相結構。

（2）采用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察鍍層的表面形貌。

（3）采用HXD-1000型顯微硬度儀測量鍍層的顯微硬度。

（4）在UNMT-1型力學綜合測試系統上對鍍層進行磨損試驗。磨損試樣的尺寸為1cm2，對磨試樣為直徑4mm的軸承鋼淬火鋼環。施加載荷為10N，總磨損時間為10min。

2 結果與討論

2.1 鍍層的相結構

圖1為Ni-Fe合金鍍層的XRD圖。由圖1可知：電沉積 Ni-Fe合金材料優先在（111）面和（200）面長大，主要是Fe原子進入到Ni原子的晶格中形成FeNi3相。

圖1 Ni-Fe合金鍍層的XRD圖

2.2 電流密度對鍍層表面形貌的影響

圖2為不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的表面形貌。由圖2可知：當電流密度較低時，鍍層很薄，不能將基體完全覆蓋，而且表面粗糙；隨著電流密度的升高，鍍層表面變得細致；當電流密度達到7A/dm2時，鍍層表面均勻、細致、光亮，并且將基體完全覆蓋；當電流密度大于7A/dm2時，鍍層表面變得粗糙。在7A/dm2下晶核的形成速率較大，形成的晶粒較小，得到細晶鍍層。在低電流密度下形核率低，晶粒生長較大，鍍層表面不是十分均勻、細致；但電流密度過大時，沉積速率過快，在鍍層表面容易出現局部燒焦及結瘤現象，也使得鍍層表面變得粗糙［6］。因此，獲得較好表面狀態的Ni-Fe合金鍍層的電流密度是7A/dm2。

2.3 電流密度對鍍層顯微硬度的影響

圖3為不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的顯微硬度。由圖3可知：隨著電流密度的增大，鍍層的顯微硬度不斷升高；當電流密度達到7A/dm2時，鍍層的顯微硬度最大，達到4 850MPa；之后，隨著電流密度的繼續增大，鍍層的顯微硬度出現下降的趨勢。當電流密度過低時，形核率低，晶粒生長較大，鍍層表面不是十分均勻、細致，致使鍍層的顯微硬度降低；但電流密度過大時，沉積速率過快，鍍層表面變得粗糙，也使得顯微硬度降低。因此，當電流密度為7A/dm2時，鍍層的顯微硬度最大。

圖2 不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的表面形貌

圖3 不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的顯微硬度

2.4 電流密度對鍍層耐磨性的影響

圖4為不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的摩擦因數隨時間的變化曲線，載荷為10N，摩擦時間為10min。由圖4可知：摩擦因數在初始摩擦階段均出現快速增大的現象；等進入穩定摩擦階段，摩擦因數達到一個穩定值，不再隨時間的變化而變化。

圖5為不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的摩擦因數曲線。由圖5可知：隨著電流密度的升高，鍍層的摩擦因數呈現出先增大后減小的趨勢；當電流密度為7A/dm2時，鍍層的摩擦因數最低為0.65；當電流密度繼續增大時，鍍層的摩擦因數升高。當電流密度過低時，晶核成核速率慢，晶粒生長較大，鍍層表面不是十分均勻、細致，致使鍍層的摩擦因數增大；但當電流密度過大時，沉積速率過快，鍍層表面粗糙，摩擦因數也相應增大。因此，當電流密度為7A/dm2時，鍍層的摩擦性能最好，具有一個較小的摩擦因數。

圖4 不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的摩擦因數隨時間的變化曲線

圖5 不同電流密度下所得Ni-Fe合金鍍層的摩擦因數曲線

3 結論

（1）隨著電流密度的升高，鍍層結晶趨于均勻、細致，顯微硬度升高。當電流密度達到7A/dm2時，鍍層的形貌質量及性能達到最佳；隨著電流密度進一步升高，鍍層表面變得粗糙，晶粒大小也不再均勻，鍍層的顯微硬度也呈現出下降的趨勢。

（2）隨著電流密度的升高，鍍層的耐磨性越來越好。當電流密度達到7A/dm2時，鍍層的耐磨性最好，具有一個相對較低的摩擦因數。

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［1］LAN M M，ZHANG D Y，CAI J，et al.Fabrication and electromagnetic properties of bio-based helical soft-core particles by way of Ni-Fe alloy electroplating［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（24）：3223-3228.

［2］ULLAL Y，HEGDE C A.Electrodeposition and electrocatalytic study of nanocrystalline Ni-Fe alloy［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2014，39（20）：10485-10492.

［3］于金庫，廖波，馮皓.電沉積Ni-Fe合金及其耐蝕性的研究［J］.材料保護，2002，35（2）：30-31.

［4］LIU Y C，ZHANG J M， YAN J K，et al.Direct electrodeposition of Fe-Ni alloy films on silicon substrate［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2014，43（12）：2966-2968.

［5］MYUNG N V，PARK D Y，YOO B，et al.Development of electroplated magnetic materials for MEMS［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，265（2）：189-198.

［6］于洋，陳吉，史艷華，等.電流密度對納米晶Ni-Fe合金鍍層性能的影響［J］.電鍍與環保，2012，32（5）：11-14.

Effects of Current Density on the Morphology and Wear Resistance of Ni-Fe Alloy Coating

ZHAO Ya-ya1， WANG Jiu-sheng2， LⅠ Xue-song1＊
（1.Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Ministry of Education，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；2.Jilin Oilfield Mining Area Gas Management Service，Songyuan 138001，China）

Ni-Fe alloy coating was prepared on steel substrate by electrodeposition.Effects of current density on the morphology and wear resistance were discussed.Results showed that the coating obtained at 7A/dm2with uniform and compact surface，high microhardness and low friction coefficient.

electrodeposition；Ni-Fe alloy coating；microhardness；friction coefficient

TQ 153

A

1000-4742（2015）06-0012-03

2015-04-15