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

（欽州學院 化學化工學院，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

（欽州學院 化學化工學院，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值對鍍層顯微硬度的影響規(guī)律。結果表明：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）均呈現明顯的增大趨勢，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。

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)動機噴管和微波紋管等的制造［1］。對此類功能性零部件而言，硬度是最重要的性能指標之一，因其與強度和耐磨性等關系密切。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，電沉積領域的研究學者開展了深入的探索。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，分別在超聲場和磁場中開展電沉積實驗，得出類似結論：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)選電沉積工藝參數的角度，系統(tǒng)考察了電解液類型和電解液pH值對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值對鍍層顯微硬度的影響規(guī)律。

1 實驗

鍍層制備采用氨基磺酸鹽型基礎鍍鎳液，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效率。

電沉積結束后，鍍鎳層經規(guī)范流程預處理。用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡分析其微觀結構。用HVS-1000B型數顯硬度計測定其顯微硬度，取五次測定結果的平均值。

2 結果與討論

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，研究了沖液速率對沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結果見圖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。這主要是因為沖液速率低時，傳質進程慢，而電極反應過程持續(xù)進行，故消耗的鎳離子難以獲得及時足量的補充，造成沉積面附近濃差極化較為嚴重，致使沉積晶粒粗大且結構疏松，存在明顯的位錯、滑移等結晶缺陷，降低鍍層的顯微硬度。而隨著沖液速率的加快，參與電極反應的鎳離子的輸運進程提速，單位時間內到達沉積表面的鎳離子數量增多，在相同陰極電流密度下出現傳質受限的可能性和程度均降低，擴散層減?。?］，因而結晶細致、組織趨于致密，必然提高顯微硬度。

圖1 沖液速率對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沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結果見圖2。由圖2可知：隨著陰極電流密度從1A/dm2增加到11A/dm2，顯微硬度對應從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構，如圖3所示。結合圖3分析可知：陰極電流密度增加，陰極過電位增大［10］，新晶核的生成速率加快且生成幾率提高［11］，而已成晶核的生長空間因受壓縮導致長大進程減緩，故晶粒細化、結構致密，且結晶原子彼此間的結合力增強，從而增加晶界密度，抑制位錯滑移，增大顯微硬度；同時，電極反應進程加速，金屬離子的沉積速率加快，可能出現少量的氫被夾雜于鍍層中并滲透擴散的情況，造成內應力增大，宏觀上表現為顯微硬度提高。

圖2 陰極電流密度對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構

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沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結果見圖4。由圖4可知：盡管顯微硬度隨電解液溫度的升高（35～50℃）呈現增大趨勢，但就增幅（約為6.7%）而言，電解液溫度對鍍鎳層顯微硬度的影響不明顯。分析認為，這主要是由正反兩方面效應協同作用所致。具體來說，溫度升高所帶來的正面效應是：一定程度提高陰極極限電流密度，起到間接細化鍍層晶粒的效果。但同時也會帶來某些負面效應，如增強離子活性，加快電極反應進程，致使陰極過電位降低，單位面積內的成核點增多且新晶核的生長速率加快，易形成粗晶織構，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)過快，應控制電解液溫度處于適宜范圍。

圖4 電解液溫度對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值對沖刷給液電沉積鎳層顯微硬度的影響，結果見圖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時達到最大值，為3 350MPa。當電解液pH值小于5.0時，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。但當電解液pH值大于5.0時，顯微硬度未明顯改變，基本保持在3 350MPa。

圖5 電解液pH值對鍍鎳層顯微硬度的影響

3 結論

（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

廣西高等學校重點資助科研項目（201102ZD036）

TQ 153

A

1000-4742（2014）01-0013-03

2012-07-16