平均電流密度對脈沖鍍鎳鎢合金微觀形貌和性能的影響

王永光，趙永武，陳廣，倪自豐

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

平均電流密度對脈沖鍍鎳鎢合金微觀形貌和性能的影響

王永光*，趙永武，陳廣，倪自豐

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

在硫酸鎳15 g/L，鎢酸鈉30 g/L，檸檬酸35 g/L，烷基有機(jī)添加劑1.5 g/L，pH為7，溫度65 °C的條件下，研究了平均電流密度對脈沖鍍鎳鎢合金鍍層的外觀、結(jié)合力、顯微硬度、沉積速率、鍍層中鎢含量及表面微觀形貌的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著平均電流密度的增大，鍍層中鎢含量增加，鍍層硬度先增大而后趨于恒值。過高和過低的平均電流密度都會(huì)引起鍍層缺陷，最佳的平均電流密度為5 ～ 8 A/dm2。

鎳鎢合金鍍層；脈沖電鍍；平均電流密度；顯微硬度；微觀形貌

1 前言

盡管鍍鉻工藝可以獲得硬度高，耐磨性和耐蝕性良好的功能性鉻鍍層，但鍍鉻過程中產(chǎn)生的Cr(VI)給人們的生活和環(huán)境帶來很大的危害[1]。近年來，鎳基合金鍍層成為廣大科技工作者的研究重點(diǎn)課題之一[2-4]。其中，鎳–鎢合金具有高硬度，高熔點(diǎn)，良好的耐蝕性和耐磨性[5-6]等特點(diǎn)，并且鍍層中鎢含量的提高使晶格畸變度增大，合金在結(jié)構(gòu)上位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)所受的阻力增大，使得合金的顯微硬度提高。目前，鎳–鎢合金制備工藝有直流電鍍和脈沖電鍍等，而脈沖電鍍因其能夠獲得致密和導(dǎo)電率高的沉積層，降低濃差極化，提高陰極電流密度，改善鍍層物理性能和減少添加劑等特點(diǎn)，成為Ni–W鍍層的理想選擇[7-8]。但脈沖電源參數(shù)對 Ni–W鍍層微觀形貌和性能影響的報(bào)道相對較少，為此，本文研究了平均電流密度對鍍層外觀、顯微硬度、沉積速率、化學(xué)成分、結(jié)合力以及表面微觀形貌的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 脈沖電鍍鎳鎢合金工藝條件

2. 2 外觀及性能檢測

2. 2. 1 外觀

從鍍層的完整性、色澤、致密性等方面評定外觀，并給出相應(yīng)的評分，評定標(biāo)準(zhǔn)列于表1。取3個(gè)平行試樣的平均分作為最后得分。

2. 2. 2 性能測試

在500 N載荷條件下，用MH-3型維氏顯微硬度計(jì)(上海恒一精密儀器有限公司)測量鍍層表面硬度，加載時(shí)間為 10 s。采用 TT260型膜層測厚儀(TIME Group Inc.)測量鍍層厚度，并計(jì)算鍍層的沉積速率。采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)觀察鍍層形貌，并用其自帶的EDAX多功能X射線能量色散譜儀分析鎳鎢合金鍍層的成分。采用銼刀試驗(yàn)對鍍層的結(jié)合力進(jìn)行測試：將鍍件夾在臺(tái)鉗上，用粗齒銼刀銼鍍層的邊棱，銼動(dòng)的方向從基體金屬至鍍層，銼刀與鍍層表面約成45°。

表1 評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard

3 結(jié)果與討論

3. 1 平均電流密度對鍍層外觀的影響

平均電流密度對Ni–W鍍層外觀的影響如圖1所示。從圖 1可以看出，起初，隨著平均電流密度的增大，外觀逐漸變好；當(dāng)平均電流密度超過8 A/dm2時(shí)，鍍層外觀隨平均電流密度的增大而變差，尤其是高電流密度導(dǎo)致試樣邊緣和尖角處的電流密度過高，更容易產(chǎn)生鍍層燒焦、發(fā)黑或針孔等缺陷。因此，平均電流密度在5 ～ 8 A/dm2時(shí)鍍層外觀最佳。

圖1 平均電流密度對鍍層外觀的影響Figure 1 Effect of average current density on the appearance of deposit

3. 2 平均電流密度對鍍層顯微硬度的影響

平均電流密度對Ni–W鍍層硬度的影響如圖2所示。從圖 2可以看出，隨著平均電流密度增大，鍍層的顯微硬度也增大。當(dāng)平均電流密度大于5 A/dm2后，鍍層顯微硬度變化較小，趨于恒值。綜合考慮鍍層外觀和能耗，控制平均電流密度在5 ～ 8 A/dm2較為適宜。

圖2 平均電流密度對鍍層硬度的影響Figure 2 Effect of average current density on the microhardness of deposit

3. 3 平均電流密度對沉積速率的影響

平均電流密度對沉積速率的影響如圖3所示。

圖3 平均電流密度對沉積速率的影響Figure 3 Effect of average current density on the electrodeposition velocity

從圖3可以看出，起初，隨著平均電流密度增大，沉積速率逐漸增加；當(dāng)平均電流密度大于5 A/dm2時(shí)，沉積速率增幅逐漸減緩；當(dāng)平均電流密度達(dá)到11 A/dm2后，沉積速率減小。這與陰極耗電量和沉積速率的平衡關(guān)系有關(guān)：一方面，電流密度的增大提高了沉積速率；另一方面，高電流密度引起了嚴(yán)重的析氫效應(yīng)，而陰極表面大量的氫氣析出消耗了電能，致使合金鍍層沉積速率增幅減小，當(dāng)析氫消耗的電量大大超過沉積合金的電量時(shí)，鍍層沉積速率出現(xiàn)一定的下降。

3. 4 平均電流密度對合金鍍層成分的影響

平均電流密度與合金鍍層中鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 平均電流密度對鍍層中鎢含量的影響Figure 4 Effect of average current density on tungsten content of deposit

從圖 4可以看出，鍍層中鎢含量隨平均電流密度的增大而增加，較高的電流密度有利于獲得較高的鎢含量：一方面，高電流密度增大了脈沖電沉積的瞬時(shí)電流密度，而陰極沉積過程中的過電位也隨之增大，較高的電位能促進(jìn)鎢的沉積，同時(shí)抑制鎳的沉積，從而增大鍍層中鎢的含量；另一方面，過大的電流密度也會(huì)帶來一些不良影響，如導(dǎo)致鍍層邊緣燒焦或產(chǎn)生毛刺，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使鍍層翹裂。此外，過高的電流密度導(dǎo)致陰極析氫現(xiàn)象嚴(yán)重，并抑制鎳的沉積，從而降低了電沉積效率。

3. 5 平均電流密度對合金鍍層形貌的影響

平均電流密度對合金鍍層形貌的影響如圖5所示。

圖5 不同平均電流密度下合金鍍層的表面形貌Figure 5 Surface morphologies of Ni–W alloy coating obtained at different average current densities

當(dāng)平均電流密度為 5 A/dm2時(shí)，鍍層結(jié)晶比較細(xì)致，鍍層形貌良好(如圖5a所示)；當(dāng)平均電流密度為8 A/dm2時(shí)，鍍層結(jié)晶相對圖5a較為粗糙，但結(jié)晶仍比較細(xì)致，鍍層形貌良好(如圖5b所示)；當(dāng)平均電流密度為14 A/dm2時(shí)，鍍層形貌較差，有燒焦發(fā)黑現(xiàn)象，且鍍層結(jié)晶粗大，伴有裂紋出現(xiàn)(如圖5c所示)。這說明過高的電流密度會(huì)導(dǎo)致鍍層形貌變差，鍍層結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重畸變，大量位錯(cuò)產(chǎn)生，內(nèi)應(yīng)力劇增，同時(shí)在沉積過程中大量析氫，導(dǎo)致鍍層中吸附了較多氫氣，使鍍層脆性增大。在畸變內(nèi)應(yīng)力和氫脆的作用下，鍍層很容易產(chǎn)生裂紋。

3. 6 鍍層結(jié)合力分析

當(dāng)平均電流密度為2 A/dm2時(shí)，鍍層稀疏，結(jié)合不佳，且硬度較低；當(dāng)平均電流密度為5 A/dm2和8 A/dm2時(shí)，鍍層未出現(xiàn)揭起或脫落現(xiàn)象，結(jié)合良好；當(dāng)平均電流密度為11 A/dm2和14 A/dm2時(shí)，鍍層有少許被揭起，結(jié)合力有一定的下降，這可能是由電流密度增大導(dǎo)致氫脆所引起的。

4 結(jié)論

(1) 隨著平均電流密度的增大，Ni–W合金鍍層表面鎢含量增大，而鍍層表面的顯微硬度先增大而后趨于穩(wěn)定。

(2) 隨著平均電流密度的增大，鍍層外觀和鍍層沉積速率都先增大后減小。

(3) 高電流密度會(huì)在鍍層表面引起燒焦、發(fā)黑、裂紋等缺陷，這是由畸變內(nèi)應(yīng)力和氫脆共同作用引起的。最佳的平均電流密度為5 ～ 8 A/dm2。

[1] 朱立群, 李衛(wèi)平. 代鉻鍍層——Ni–W、Ni–WB非晶態(tài)合金鍍層性能研究[J]. 電鍍與涂飾, 2004, 23 (5): 10-15.

[2] BOONYONGMANEERAT Y, SAENAPITAK S, SAENGKIETTIYUT K. Reverse pulse electrodeposition of Zn–Ni alloys from a chloride bath [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 487 (1/2): 479-482.

[3] CHUNG C K, CHANG W T. Effect of pulse frequency and current density on anomalous composition and nanomechanical property of electrodeposited Ni–Co films [J]. Thin Solid Films, 2009, 517 (17): 4800-4804.

[4] XIAO F, CHENG W, JIN X J. Phase stability in pulse electrodeposited nanograined Co and Fe–Ni [J]. Scripta Materialia, 2010, 62 (7): 496-499.

[5] 龔睿, 柳林. 鎢含量對Ni–W合金鍍層結(jié)構(gòu)及耐蝕性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37 (1): 130-134.

[6] 耿冰霜, 衛(wèi)英慧, 侯利鋒, 等. 不銹鋼襯底化學(xué)鍍Ni–W–P三元合金組織及性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2009, 38 (增刊): 71-75.

[7] 張鵬, 趙永武, 陳廣. 脈沖電沉積Ni–W合金鍍層的微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 7 (1): 68-72.

[8] JUNG H-Y, HONG C, KI J-H, et al. Pulse electrodeposition of Ni–W alloy for trench filling in microelectromechanical systems [J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2008, 8 (10): 5321-5325.

Effect of average current density on micromorphology and properties of pulse-electroplated Ni–W alloy coating //

WANG Yong-guang*, ZHAO Yong-wu, CHEN Guang, NI Zi-feng

The effect of average current density on the appearance, adhesion strength, microhardness, deposition rate, tungsten content and surface morphology of pulseelectroplated Ni–W alloy coating was studied under the conditions of NiSO415 g/L, Na2WO430 g/L, citric acid 35 g/L, organic alkyl additive 1.5 g/L, pH 7 and temperature 65 °C. The results showed that the content of W is increased with increasing average current density while the hardness is increased initially and then levels off. Defects will be formed at very low or high average current density. The optimal average current density was found to be 5-8 A/dm2.

nickel–tungsten alloy coating; pulse electroplating; average current density; microhardness; micro-morphology

School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

TQ153.2

A

1004 – 227X (2010) 11 – 0008 – 03

2010–06–02

2010–06–30

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（JUSRP10909）。

王永光（1981–），男，博士，副教授(校聘)，新南威爾士大學(xué)和悉尼大學(xué)訪問學(xué)者。目前從事摩擦學(xué)與先進(jìn)表面處理技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)研究。發(fā)表論文20多篇，其中SCI、EI論文12篇。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) wygwjh@gmail.com。

[ 編輯：吳定彥 ]