工藝參數對高頻脈沖電鍍鎳鈷合金在NaOH溶液中耐蝕性的影響 梁燕,許韻華,李霞,鄭福才,鄭惠欽 (北京交通大學理學院,北京100044) 摘要:采用高頻脈沖電流制備鎳鈷合金。通過正交試驗,重點考察了脈沖頻率、占空比、平均電流密度、鍍液pH值、溫度及CoSO4·7H2O的濃度對鍍層在NaOH溶液中的極化行為及腐蝕速率的影響,選出最佳電鍍工藝為:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm2,鍍液pH值3,溫度45℃,硫酸鈷濃度10g/L。高頻脈沖鍍層中Co含量增加,晶粒的細化強度增強。 關鍵詞:脈沖參數;高頻;鎳鈷合金;耐腐蝕性 中圖分類號:TG174.44 文獻標識碼:A 文章編號:1005-748X(2010)05-0338-04 引言 脈沖電鍍的突出優點是通過改變脈沖參數來改善鍍層的物理化學性能,從而獲得優異功能的鍍層和達到節約貴金屬的目的。向國樸、周恩彪從硫酸鹽光亮鍍鎳體系中研究了脈沖電鍍Ni-Co合金。他們采用單因素法,以鍍層中Co含量及鍍層硬度為評定標準,優選出的脈沖參數為:ton=1ms,toff=1.5ms;jp=10A/dm2,并且與平均電流密度相同的直流電鍍Ni-Co合金作了比較,結果發現脈沖電鍍Ni-Co合金鍍層的孔隙率低于直流電鍍,而且硬度與耐磨性高于直流電鍍。目前脈沖參數對鍍層性能的影響已經基本上被人們所認識,但很少有涉及到高頻的報道。采用高頻脈沖電源,使得金屬在結晶過程中晶粒形核后來不及長大,有利于獲得粒徑細小、結構致密的沉積層。 本工作在脈沖電鍍的沉積機理和金屬結晶理論的基礎上,利用高頻脈沖電源制備了鎳鈷沉積層對脈沖參數對沉積層耐蝕性的影響做了較為詳細的研究,并就頻率對鍍層中鈷含量及表面形貌的影響進行分析。 1 試驗部分 1.1 鍍層制備 電鍍液采用瓦特型鍍液:180g/LNiSO4·7H2O,15g/LCoSO4·7H2O,10g/LNiCl2·6H2O,1g/LKBr,5g/LMgSO4,30g/LH3BO3。 所有試劑均為分析純,鍍液用去離子水配制。鍍槽容積為500ml。陰極材料選用厚度為1.00mm的紫銅片,陽極材料為純鎳板。電鍍一定時間,將電鍍層剝離。采用水浴加熱控制電解液溫度,電鍍過程中施加攪拌。 電沉積Ni-Co合金鍍層由高頻脈沖電源進行恒電流電鍍制得,脈沖頻率范圍:20~140kHz。電沉積時的脈沖電流密度Ip為1~6A/dm2,占空比θ為10%~70%,電解液溫度為45~65℃,pH值為3.0~5.0,沉積時間為1~2h。 選用L25(56)正交試驗表安排試驗,正交試驗的因素和水平值見表1。
以鍍層在10%NaOH溶液中的自腐蝕電位、浸泡失重作為耐蝕性能的檢測指標,對正交試驗結果進行分析。 1.2 測試方法 (1)極化曲線恒電位極化曲線測量在M273恒電位儀(EG&G公司)上進行。試驗結果使用M352軟件進行分析。電解池為EG&G公司的標準三電極體系,試樣作工作電極,密封于電極架內,面積為0.6cm2;輔助電極為Pt電極;參比電極為飽和甘汞電極。試驗在室溫下進行。10%NaOH溶液用二次蒸餾水配置,NaOH為分析純。 (2)浸泡失重試驗室溫下在10%NaOH(質量分數)介質中浸泡不同時間后取出,沖洗干凈并干燥后用萬分之一分析天平稱量,計算試片的失重。 (3)鍍層表面分析采用JSM6700F型場發射掃描電子顯微鏡觀察不同鈷含量鍍層的表面形貌。 2·結果與討論 2.1·極化曲線 圖1、圖2顯示了各因素對鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流的影響�？梢钥闯�,硫酸鈷濃度為10g/L時,自腐蝕電位最高,自腐蝕電流最小。這是因為純鎳層晶粒粗大,沉積不均勻,表面粗糙,晶粒粒徑差異較大。添加硫酸鈷后,鍍層晶粒細化,表面較均勻平整,結構相對緊密。
占空比為0.25時自腐蝕電位最高,自腐蝕電流最小。占空比越大,即脈寬ton相對越長,脈間toff相對越短,電解液本體中金屬離子濃度與沉積層(陰極)表面濃差極化增加,導致金屬離子向陰極表面移動不充分,即陰極表面離子擴散層增厚。而占空比越小,則濃差極化越小,擴散層減薄,使得電沉積反應在較高的電位下進行,導致晶核細小,成核速率增大,晶核數目增多。 鍍層自腐蝕電位基本上隨著電流密度增大而減小,平均電流密度為3A/dm2時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流較小。 與直流電鍍相比,脈沖電流可以在接通瞬間,給電極以較直流高得多的電流密度,提高電極的電化學極化,使得成核速率遠大于晶粒生長速率,因而晶粒變細,產生光亮細致的鍍層;斷開后,可使電極迅速回復至原狀,消除濃差極化,且使吸附在陰極上的雜質、氫氣泡等脫附,從而使得鍍層結晶更細致,孔隙更少。 鍍層自腐蝕電位基本上隨著鍍液pH值增大而減小,pH值為3時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流較小。 各種鎳鈷合金溶液的硫酸鹽低氯化物型電解液pH值的總范圍在3~6之間。在允許范圍內,維持較低的pH值,可以獲得寬的電流密度范圍;可以相應地增加主鹽含量和提高溫度,從而采用較高的電流密度;對陽極溶解有利;并且鍍層針孔少。pH值為3時為最佳選擇。 溫度為55℃時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流最小。溫度對鎳鈷合金的組成也有影響,這種影響是復雜的,當相對濃度和極化條件不同時,溫度對合金成分的影響往往不相同。 綜上可選出最佳電鍍工藝:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。 2.2 失重速率 圖3可見,硫酸鈷濃度為10g/L時失重速率最小。在占空比為0.25時失重速率最小,而占空比增大腐蝕速率先增大后減小。鍍層腐蝕失重速率基本上隨著電流密度增大而增加。pH值為3和溫度為55℃時,失重速率最小。
2.3 頻率對鍍層鈷含量的影響 頻率對脈沖電鍍鎳鈷合金鍍層中鈷含量的影響如圖4所示。在pH為4,溫度為55℃,占空比為0.4,平均電流密度為1A/dm2的條件下,隨著頻率的增大,脈沖導通時間(ton)縮短,即在一定的時間內脈沖擴散層中金屬離子濃度恢復的頻率提高,故頻率越高,鎳鈷合金鍍層中鈷的含量越高。直流鍍層的Co含量比所有脈沖鍍層的Co含量都高得多。在S.K.Ghosh的試驗中,隨著ton減小和toff的增大,鎳銅合金中的銅含量顯著提高,這與本試驗的結果一致。
2.4 Co含量對鍍層表面形貌的影響 由鍍層表面形貌(圖5)可見,純Ni層沉積不均勻,表面粗糙,晶粒模糊且粒徑差異較大。隨著Co的加入,鍍層表面出現胞狀結構,晶粒細化,胞狀結構的間隙較小,表面較均勻平整,結構相對緊密,晶粒的細化強度增強。 3 結論 (1)高頻脈沖鎳鈷鍍層在NaOH溶液中的極化行為受脈沖電鍍工藝各參數的影響,從中選出最佳電鍍工藝為:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm2,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。 (2)高頻脈沖鎳鈷鍍層在NaOH溶液中的腐蝕失重速率最小時電鍍工藝各參數為:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm2,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。 (3)高頻脈沖下,頻率增大,鍍層中Co含量隨之增加;且隨頻率的增大,晶粒趨于細化。 參考文獻: [1]向國樸,周恩彪.脈沖電鍍Ni-Co合金的研究[J].電鍍與涂飾,1994,13(2):18-22. [2]侯叢福,王菊,于桂云,等.脈沖參數對鍍層微觀結構及性能的影響[J].材料保護,2001,34(1):10-11. [3]Benhenda S,Benjema N.Effect of pulse parameters on electrical contact behavior of nickel coatings[J].IEEETransactions On Components,Packaging,and Manu-facturing Technology,1994,17(2):219-223. [4]張玉碧,李照美,李云東,等.脈沖電鍍中脈沖參數對鎳鍍層顯微硬度的影響[J].電鍍與涂飾,2005,24(2):1-3. [5]解西鋒,朱荻.高頻脈沖電鑄的實驗研究[J].航空精密制造技術,2003,39(2):10-13. [6]Ebrahimii F,Bourne G R,Kelly M.Mechanical proper-ties of nanocrystalline nickel produced by electrodepo-sition[J] Nanostructured Materials,1999,11(3):343-346. [7]Ghosh S K,Grover A K,Dey G K,etal.Nanocrystal-line Ni-Cu alloy plating by pulse electrolysis[J].Surf Coat Technol,2000,126(1):48-63. [8]宮曉靜,許韻華.高頻脈沖電鍍鎳鈷合金的顯微硬度研究[J].電鍍與涂飾,2007,26(10):15-17。 注：本站部分資料需要安裝PDF閱讀器才能查看，如果你不能瀏覽文章全文，請檢查你是否已安裝PDF閱讀器！ |
