| 摘 要:研究了光亮剂对电沉积镍铁合金组织形貌的影响。通过改变光亮剂组分及添加量来确定光亮剂对镍铁合金镀层性能的影响，最终得到光亮剂添加量的最佳值。采用扫描电子显微镜观察镀层微观形貌、X-ray射线衍射仪分析镀层相结构、HXD－1000显微硬度计测量镀层显微硬度。结果表明，光亮剂的组分及含量对镍铁合金镀层的显微形貌影响较大。光亮剂A添加量在2g/l光亮剂B添加量在0.5g/l时镀层表面显微形貌光亮性最好，随着电镀液中光亮剂含量的增加，镀层显微硬度逐渐增大，在最佳光亮剂添加量下所得镀层最大为466HV。 关键词:电沉积, 光亮剂, 镍铁合金 中国国际模具网 基金项目：长春工业大学科学发展基金（2006001）中国国际模具网 Effect of brightener on the morphology and microstructure of electrodeposited Ni-Fe alloys中国国际模具网 LI Xue-song ，HAN Shuang，WU Hua中国国际模具网 College of Materials Science and Engineering,Changchun University of Technology, 中国国际模具网 Changchun 130012;中国国际模具网 Abstract：The effect of brightener on the morphology and microstructure of electrodeposited Ni-Fe alloys was investigated. The influence of brightener on the performance of electrodeposited Ni-Fe alloys was studied by varying the component and amount of the additives, then the optimal amount of the brightener was obtained. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD) were employed to examine the morphology and phase structure of the coatings, respectively. Microhardness of the coatings was evaluated by using HXD－1000 microhardness meter. Experimental results showed that, the component and amount of the brightener considerably affected the morphology of the coatings. The brightest coatings were obtained with additive A of 2g/l and additive B of 0.5g/l. As the content of the brightener in the electrolyte increased, the microhardness of the coatings increased, up to the maximum value of 466HV.中国国际模具网 Key words: electrodeposition, brightener, Ni-Fe alloys中国国际模具网 镍铁合金电沉积的最早研究是用于防护-装饰性作用，能节省昂贵的金属镍。上个世纪四、五十年代，有人试图用镍铁合金电镀代替镍电镀，但都处于探索阶段。在较长时间内镍铁合金电镀发展迟缓，主要原因在于铁是镀镍的有害杂质，其存在使镍镀层容易出现针孔、龟裂、分层、疏松、发黑、脱落现象。在排除铁对镀镍的干扰中发现，当镀液中Ni 、Fe 含量比超过一定范围,但不形成Fe(OH)3 沉淀时,可以形成性能良好的镍铁合金镀层, 镍铁合金电镀于是很快发展起来[1-2]。我国于20 世纪70 年代末引入光亮Ni2Fe 合金电镀工艺,于1978 年研制成功柠檬酸盐镍铁合金电镀工艺,很快得到推广应用;不久又研制成功快速、镀层光亮和整平性好的NT 镍铁合金电镀工艺。中国国际模具网 光亮镍铁合金光亮剂是吸收国内外镍铁合金各类添加剂的基础上研制出来的新一代镍铁光亮剂[3]，它的特点是整平性能好，出光速度快，镀层延展性好，不易钝化，套铬容易，配制成本低。该工艺可直接镀，无须底层。比光亮镍可节镍10-25%左右，适应模具零件，家具、日用五金等产品。而且镍铁合金镀层与电镀镍层相比有较高的显微硬度和强度及好的耐磨性能[4-5]。中国国际模具网 1 试验材料及方法中国国际模具网 试验采用低碳钢（50mm×30mm×2mm）作为阴极材料，电解镍板及纯铁板（面积比为5:1）为阳极材料，电镀电源是可控硅整流电源。电镀过程中采用阴极移动装置及循环过滤装置。镀液成分及施镀条件,如表1所示。中国国际模具网 中国国际模具网 镀液成分中国国际模具网 | 含量(g/l)中国国际模具网 | 工艺参数中国国际模具网 | 工艺条件中国国际模具网 | NiSO4.7H2O中国国际模具网 FeSO4.7H2O中国国际模具网 H3BO3中国国际模具网 NaCl中国国际模具网 Na3C6H5O7.2H2O中国国际模具网 | 200 -250 g/l中国国际模具网 10-20 g/l中国国际模具网 40-45 g/l中国国际模具网 20-30 g/l中国国际模具网 15-20 g/l中国国际模具网 | 润湿剂中国国际模具网 光亮剂A中国国际模具网 光亮剂B中国国际模具网 温度中国国际模具网 电流密度中国国际模具网 | 0.5-1 g/l中国国际模具网 1-2 g/l中国国际模具网 0.5-1 g/l中国国际模具网 60-65 ℃中国国际模具网 2-6 A/dm2中国国际模具网 |
表1镀液成分及施镀条件中国国际模具网 中国国际模具网 电镀工艺过程为：打磨→水洗→化学除油→水洗→除锈→水洗→活化→水洗→电镀→热水洗→冷水洗→吹干。中国国际模具网 采用HXD－1000显微硬度计测量镀层的显微硬度；用扫描电子显微镜分析微观形貌；X-ray射线衍射仪进行相组成分析。中国国际模具网 2 试验结果与分析中国国际模具网 2.1 光亮剂作用机理中国国际模具网 光亮剂的光亮效果是一个综合效应,而不是一种光亮剂的作用结果。光亮剂能明显地增大阴极极化，光亮剂的加入使镀液在区域内能得到光亮的镀层[6];并且光亮剂的加入不会改变镍铁合金电沉积行为,与未加光亮剂时一样仍遵循瞬时成核机理。在金属电沉积过程中,根据晶核数目随时间的变化,可把成核模型分为两种情况。一种是“瞬时成核”，即t > 0时表面上的晶核总数恒定，生长过程中没有新的晶核产生,晶体生长过程只是晶核的不断长大过程；另一种是“连续成核”,晶核数目是时间的函数，即生长过程中有新晶核产生。中国国际模具网 本文中采用混合光亮剂A和B提高了Ni-Fe合金电沉积的阴极极化程度[3]，从而导致共沉积时晶粒细小，晶核数目增多；同时A、B中的表面活性剂增加了电极表面的润湿性能，使得在电沉积过程中产生的氢分子更易于形成气体分子而析出，不会长久地吸附在电极表面，从而避免了针孔或麻点的产生。即使在使用大电流密度进行电沉积时，所产生的氢气也只在少数点上集中析出，故而只有很少的几个稍深的针孔而不会有大量的针孔及麻点，并且保持了Ni-Fe合金镀层非常光亮的外表，混合光亮剂使得Ni- Fe合金镀层在外观几乎不受影响的情况下，其厚度和结晶结构得到了改善，混合光亮剂的加入，相对而言，阻碍了Fe2 +的析出过程，而对Ni2 + 的析出显得更为有利；同时也使得镀层/溶液界面上溶液的pH 值、溶液的组成保持相对稳定，有利于电沉积过程不断地进行，至于混合添加剂A和B的详细作用机理，尚有待进一步研究证实 [7-8] 。中国国际模具网 2.2光亮剂对相组成结构分析的影响中国国际模具网 如图1所示为电沉积镍铁合金镀层的XRD曲线。所用试样工艺参数为：阴极电流密度3 A/dm2、温度 62±2 ℃、光亮剂A 2g/l、光亮剂B 0.5g/l、pH＝3.5、采用阴极移动及循环过滤装置。由X射线衍射仪分析可知Ni-Fe合金的相结构是FeNi3，它是固溶体结构。中国国际模具网  中国国际模具网图1光亮剂对相组成结构分析的影响中国国际模具网 2.3 光亮剂对镀层显微形貌的影响中国国际模具网 如图2（a、b、c、d）所示为不同光亮剂下所得Ni-Fe合金镀层的微观显微形貌，所用试样工艺参数为：阴极电流密度3 A/dm2、温度 62±2 ℃、pH＝3.5、采用阴极移动及循环过滤装置。中国国际模具网  中国国际模具网图2 光亮剂对镀层SEM形貌的影响结果中国国际模具网 (a). 无光亮剂 (b). 光亮剂A(1g/l)、光亮剂B(0.25g/l) 中国国际模具网 (c). 光亮剂A(2g/l)、光亮剂B(0.5g/l) (d). 光亮剂A(3g/l)、光亮剂B(0.75g/l)中国国际模具网 由图2可以看出，光亮剂对镀层的显微形貌的影响很大, 不加光亮剂镀层表面出现大量的麻点和掉皮现象，如图1(a)所示；加入少量光亮剂A、B后镀层表面变得平整光滑，得到的是半光亮镀层，但还有一定数量的针孔存在，如图1(b)；当光亮剂添加量为光亮剂A(2g/l)、光亮剂B(0.5g/l)时，合金镀层表面变得非常平整光亮，得到的是全光亮镀层，形貌如图1(c)所示；但光亮剂添加过量后合金镀层又会变得粗糙和麻点。由此可见，光亮剂对合金镀层形核晶粒有很好的细化作用，使晶核数目增多，抑制晶核的快速长大。但光亮剂只能使晶粒细化到一定程度，再过量加入反而会在镀层表面形成针孔和麻点。这时，要得到全光亮镀层还需要调整其他工艺条件。中国国际模具网 2.4 光亮剂对镀层硬度的影响中国国际模具网 对添加不同含量光亮剂条件下镍铁合金镀层进行显微硬度测试，每个试样上取三点进行测量，然后取平均值记录，结果见表2。中国国际模具网 中国国际模具网 工艺条件中国国际模具网 | 无加光亮剂中国国际模具网 | 光亮剂A(1g/l)中国国际模具网 光亮剂B(0.25g/l)中国国际模具网 | 光亮剂A(2g/l)光亮剂B(0.5g/l)中国国际模具网 | 光亮剂A(3g/l)、光亮剂B(0.75g/l)中国国际模具网 | 维氏硬度/HV中国国际模具网 | 407中国国际模具网 423中国国际模具网 418中国国际模具网 | 430中国国际模具网 418中国国际模具网 424中国国际模具网 | 466中国国际模具网 460中国国际模具网 454中国国际模具网 | 453中国国际模具网 429中国国际模具网 441中国国际模具网 | 硬度平均值/HV中国国际模具网 | 416中国国际模具网 | 424中国国际模具网 | 460中国国际模具网 | 441中国国际模具网 |
中国国际模具网表2 光亮剂对镀层硬度的影响中国国际模具网  中国国际模具网 图3 光亮剂对合金镀层显微硬度的影响中国国际模具网 由图3可以看出,光亮剂对合金镀层的显微硬度影响很大，随着光亮剂加入量的增加，合金镀层显微硬度也逐渐增大。在最佳光亮剂添加量下镀层显微硬度达到最大值，而后稍有下降。这是因为，随着光亮剂的加入合金镀层结晶晶粒被细化，从而较大的提高了合金镀层的强度及硬度，这点也与细晶强化理论相符合。中国国际模具网 3 结束语中国国际模具网 (1）光亮剂的添加量对镍铁合金镀层的显微形貌的影响较大。添加量在光亮剂A(2g, /l)、光亮剂B(0.5g/l)4g/L时可得到全光亮合金镀层，镀层结晶均匀、致密。中国国际模具网 (2) 随着电镀液中光亮剂含量的增加，镀层显微硬度逐渐增大，在添加量为光亮剂A(2g/l)、光亮剂B(0.5g/l)时镍铁合金镀层显微硬度最大，最大显微硬度值为460HV。中国国际模具网 (3) 镍铁合金镀层具有γ(Ni-Fe)合金相的结构，且为固溶体结构。中国国际模具网 参考文献中国国际模具网 [1] 王凤娥.电沉积镍基合金的研究进展[J].稀有金属，1998，22(5)：375-378.中国国际模具网 [2] 杨余芳，龚竹青，邓丽元等.镍铁合金电镀的研究进展[J ].电镀与涂饰，2005，24(5)：23-27.中国国际模具网 [3] 陈秉彝，姚士冰，杨方祖等.高整平全光亮镍铁合金电镀的研究[J].电镀与环保，1989 ，9(6) ：1-5.中国国际模具网 [4] 屠振密. 电镀合金原理与工艺[M].北京: 国防工业出版社,1993，199-202.中国国际模具网 [5] 李平，许家园，周绍民. 镍铁异常共沉积研究[J].物理化学学报，1989 , (5) ：693 –698中国国际模具网 [6] 李春梅，安桂花.光亮镍铁合金电镀的研究[J].河北化工，1998，（3）：17-18.中国国际模具网 [7] Virginia Costa Kielin，Parameters influencing the electrodepostition of Ni—Fe alloys[J].Surface and Coatings Technology， 96(1997) 135-139.中国国际模具网 [8] Afshar A , Dolati A G， Ghorbani M. Electrochemical characterization of the Ni-Fe alloy electrodeposition from chloridecitrateglycolic acid solutions[J] . Materials Chemistry and Physics，2002，77 :352–358.中国国际模具网 |