超聲波輔助電鍍沉積Ni鍍膜工藝研究

許建平，陳 晶，李 洋，楊 闖

(1.黑龍江工程學院 材料與化學工程系，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省科學技術(shù)館，黑龍江 哈爾濱150000 )

超聲波輔助電鍍沉積Ni鍍膜工藝研究

許建平1，陳 晶2，李 洋1，楊 闖1

(1.黑龍江工程學院 材料與化學工程系，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江省科學技術(shù)館，黑龍江 哈爾濱150000 )

采用超聲波輔助電鍍沉積工藝方法研究工藝參數(shù)對電鍍沉積金屬鎳鍍膜的表面形貌及力學性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：超聲波輔助電鍍沉積鎳鍍層時，超聲波能夠細化鍍層的晶粒，降低鍍層的孔隙率，同時顯著地改善異性工件電鍍層的均勻性。當超聲波作用時間20 min時，電鍍鎳鍍層的孔隙率為2個/cm2。隨著超聲波作用時間的延長，電鍍鎳鍍層的顯微硬度呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。

超聲波；電鍍；鎳鍍層

電鍍工藝由于具有裝飾、防護零件表面、再修復工件及獲得某些特殊性能的特點而成為表面工程技術(shù)的重要工藝方法之一，被廣泛地應用于汽車、化工、能源及航空航天等領(lǐng)域。但是這種工藝方法存在電流密度低、鍍層沉積效率低、鍍液分散能力弱等缺點，尤其以復雜異性工件為基體的鍍層厚度均勻性較差，并且制備納米復合鍍層時存在納米顆粒分布不均勻的問題[1]。

超聲波輔助電鍍工藝中的超聲波具有超聲空化效應、活化效應、機械效應、熱效應等作用[2]，它能夠改善傳統(tǒng)電鍍工藝過程中存在的電流密度低、液相傳質(zhì)慢等問題，超聲波還可以提高鍍層與基底的粘結(jié)力，改善鍍層的粗糙度[3-4]。同時，超聲波電鍍沉積鉑時可以顯著地提高鍍層活性。本文以電鍍鎳薄膜為研究對象，研究超聲波對鎳鍍層形貌以及力學的影響規(guī)律，為超聲波輔助電鍍工藝的工業(yè)化應用提供指導。

1 試驗材料及方法

電鍍工藝采用石墨作為電鍍陽極，Q235鋼作為陰極，被鍍工件Q235鋼規(guī)格為1.5×1.8 cm2，鍍液主要成分包括：硫酸鎳(主鹽)、氯化鎳(絡合劑)、硼酸(緩沖劑)、稀硫酸(弱浸蝕)、氫氧化鈉(堿洗)等，主要工藝參數(shù)如表1所示。電鍍的清洗工藝流程包括：除油(堿洗至無油30 min)、熱水洗、弱浸蝕(4 min)、流動冷水、活化(3 s)、施鍍、流動水洗、吹干、備測。

超聲波輔助電鍍沉積鍍膜時，超聲波的作用方式影響電鍍效果，本文選擇超聲波發(fā)生器直接作用于鍍液的方式研究鍍膜效果。為了研究超聲波對電鍍薄膜的均勻性的影響規(guī)律，設計如圖1所示的異性工件，通過測量不同位置的薄膜表面形貌，考察異形工件電鍍薄膜均勻性。

表1 電鍍鎳的工藝條件

利用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡研究鍍層表面形貌，并通過HV-30型維氏硬度計測量鍍膜硬度分布規(guī)律。

圖1 鍍層均勻性試驗工件

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 超聲波對電鍍層微觀形貌的影響

圖2所示為超聲波對電鍍層表面形貌的影響規(guī)律，其中電鍍溫度50 ℃，陰極電流密度2 A/dm2，電鍍時間20 min。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波影響電鍍薄膜的晶粒形狀，普通電鍍工藝的鍍膜晶粒呈現(xiàn)扁球狀，而超聲波輔助電鍍層的晶粒為球形。同時施加超聲波后鍍層的晶粒明顯細化，平均晶粒尺寸由施加超聲波前的1.30 μm降低至超聲波作用后的1.12 μm。超聲波輔助電鍍工藝薄膜表面形貌的影響主要原因是：超聲波的空化作用和熱效應有利于晶核形成，同時其可以抑制晶粒長大，導致超聲波能夠細化鍍層晶粒[5]。

圖2 超聲波對電鍍層微觀形貌的影響

2.2 超聲波對電鍍層均勻性的影響

為了研究超聲波輔助電鍍沉積工藝中鍍層均勻性的變化規(guī)律，采用異性工件作為陽極工件，考察異性工件的側(cè)壁和中心的鍍層微觀形貌(見圖3)。研究表明，超聲波輔助電鍍沉積工藝時，超聲波提高了異性工件不同位置的鍍層均勻性。這是由于超聲波的攪拌作用提高了鍍液攪拌效果[6]，改善了工件鍍層的微觀形貌。

圖3 超聲波對電鍍層均勻性的影響

2.3 超聲波對電鍍層孔隙率的影響

電鍍薄膜的孔隙率直接影響著薄膜的使用效果，因此，本文考察了超聲波對鍍層孔隙率的影響規(guī)律。圖4為不同超聲波作用時間對鍍層孔隙率的影響，其中電鍍沉積時間20 min，電鍍溫度為50 ℃，陰極電流密度2 A/dm2。研究表明，隨著超聲波作用時間的增加，鍍層孔隙率顯著地降低。對于本文的試驗條件，當超聲波作用時間20 min時，電鍍鎳鍍層的孔隙率為2個/cm2。其原因是超聲波的強烈攪拌作用使得鎳離子的沉積加快，結(jié)晶細化，鍍層致密，同時超聲空化現(xiàn)象使得析出氫很難在電極表面吸附，從而提高了鍍層致密性，降低了鍍層孔隙率。

圖4 超聲波作用時間對鍍膜孔隙率的影響

2.4 超聲波對電鍍層顯微硬度的影響

圖5所示為超聲時間(5 min、10 min、15 min、20 min)對電鍍鎳鍍層顯微硬度的影響，其中電鍍時間20 min，陰極電流密度2 A/dm2，溫度50 ℃。研究發(fā)現(xiàn)，隨著超聲波作用時間的增加，鍍層顯微硬度先增加后降低，當超聲波作用時間為15 min時，鍍層硬度達到最大。超聲波的空化作用和攪拌作用提高，超聲波空化效應時產(chǎn)生的強大沖擊壓力能夠細化鍍層表面晶粒，提高鍍層的顯微硬度。進一步增加超聲波作用時間，對鍍層的破壞性增強，導致鍍層質(zhì)量降低，鍍層顯微硬度降低。

圖5 超聲波作用時間對電鍍層顯微硬度的影響

3 結(jié)束語

超聲波輔助電鍍沉積鎳鍍層時，超聲波能夠細化鍍層的晶粒，并且顯著改善異性工件電鍍層的均勻性。當超聲波作用時間20 min時，電鍍鎳鍍層的孔隙率為2個/cm2。隨著超聲波作用時間的延長，電鍍鎳鍍層的顯微硬度呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。

[1]胡如南,張立茗.我國電鍍工藝環(huán)?，F(xiàn)狀及其發(fā)展建議[J].材料保護,2000,33(1): 46-50.

[2]王秀芝,于愛兵.超聲波對鎳鍍層硬度的影響[J].電鍍與精飾,2007,29(3): 16-19.

[3]方小紅.超聲波電鍍鎳及鎳基復合鍍層的研究進展[J].材料保護,2008,4(5): 58-61.

[4]王建龍,柳萍.聲化學在水污染控制中的研究現(xiàn)狀[J].化學學報,1999,10(7):35-37.

[5]李春喜,王子鎬.超聲技術(shù)在納米材料制備中的應用[J].化學學報,2001,12(5): 268-271.

[6]王俊中,胡源.超聲化學制備納米材料的研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2003,32(8): 585-590.

AstudyoftechnologyonNicoatingwithultrasonicplating

XU Jian-ping1,CHENG Jing2,LI Yang1,YANG Chuang1

(1.College of Materials and Chemitry Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China; 2.Heilongjiang Center of Science and Technology,Harbin 150000,China)

The influence of technological parameter on the microstructure and mechanical property of the Ni coating on Q235 steel by the ultrasonic plating are studied.The results show that the Ni deposit on Q235 steel with ultrasonic plating has following advantages: uniform deposit grains,low porosity and good uniformity of coating on special shaped parts.When the ultrasonic working time is 20 min,Ni plating porosity is 2個/cm2.With the increase of ultrasonic working time,the microhardness will increase firstly and then reduce.

ultrasonic; plating; nickel coating

2014-06-30

許建平(1981-)，男，講師，博士研究生，研究方向：先進焊接工藝方法及等離子體物理氣相沉積.

TQ153.14

A

1671-4679(2014)06-0045-03

郝麗英]