脈沖參數對Q235鋼上鎳鍍層表面形貌和顯微硬度的影響

朱亞哲，李保成，李慧

（中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

脈沖參數對Q235鋼上鎳鍍層表面形貌和顯微硬度的影響

朱亞哲，李保成*，李慧

（中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

研究了脈沖占空比、平均電流密度、脈沖頻率對Q235鋼表面電沉積鎳鍍層增重率、表面形貌及顯微硬度的影響。鍍液組成和其他工藝參數為：NiSO4·6H2O 281 g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.08 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，糖精1 g/L，H3BO335 g/L，丁炔二醇0.01 g/L，pH = 3.0 ～ 4.0，溫度50 °C，攪拌速率120 r/min，時間30 min。最佳脈沖參數為：平均電流密度0.4 A/cm2，脈沖頻率1 000 Hz，占空比30%。在最佳脈沖參數下得到的鎳鍍層增重率最大，顯微硬度最高，表面平整而致密。

鎳；脈沖電沉積；表面形貌；顯微硬度

1 前言

鍍鎳層具有較高的抗拉強度和顯微硬度，有良好的抗腐蝕性和耐磨性，以及很好的延展性和韌性，因此產生裂紋和剝離的可能性較小。鍍鎳層可改善新零件的表面性能，如滑動摩擦副表面鍍鎳層后可防擦傷。另外，對于加工錯誤或磨損尺寸較大的零件可作為尺寸補償用，如液壓機的缸及活塞等。由于鎳鍍層具有上述特點，鍍鎳技術被廣泛應用在汽車、機械、儀表及日用工業品中，作為材料防護裝飾性鍍層或者作為鍍金、鍍鉻的中間層和底層[1]。

與其他表面處理技術相比，脈沖電鍍是槽外控制鍍層性能的一種新技術，具有不受零件尺寸和形狀限制、設備簡單、投資成本相對較低等諸多優點。與直流電鍍相比，脈沖電鍍也具有許多優點，如降低沉積層的孔隙率，提高鍍層光亮度、導電率和耐腐蝕性能，消除氫脆等[2-4]。

本文研究高頻脈沖工藝中脈沖占空比、平均電流密度、脈沖頻率對鍍層表面形貌及其顯微硬度的影響。

2 實驗

2. 1 材料與儀器

以φ 2 cm的Q235低碳鋼圓片作基體，陽極材料為純鎳板，兩極間距離為10 cm。以RAT-103型脈沖電源(北京瑞昂特科技有限公司)作電流輸出，鍍液溫度用 DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器(予華儀器有限責任公司)控制，試件在電鍍前后的質量用SPN202F電子天平(山西東亞科學器材貿易有限公司)測定。

采用單脈沖波形，如圖1所示。

圖1 脈沖電流波形Figure 1 Wave pattern of pulse current

2. 2 鍍層制備

基體在電鍍前要先將其表面的氧化皮打磨掉，再進行拋光、化學除油、除銹、活化等一系列鍍前處理。陽極一般只需進行打磨拋光處理。電沉積工藝流程為：打磨─超聲波化學除油─熱水洗─除銹─冷水洗─活化─冷水洗─鍍鎳─超聲波水洗─烘干─鍍層性能測試。

2. 3 配方與工藝

2. 3. 1 化學除油

2. 3. 2 除銹/活化

2. 3. 3 電沉積鎳

2. 4 性能測試

(1) 增重率：用SPN202F電子天平(山西東亞科學器材貿易有限公司)測量試樣質量，按下式計算增重率：

式中，m1、m2分別為鍍鎳前、后基體的質量(g)。

(2) 顯微硬度：在HV-30型維氏顯微硬度計上測試(上海倫捷機電儀表有限公司)，載荷為100 g，加載時間15 s，每個試樣分別在均勻分布的5個不同位置測，取其平均值。

(3) 形貌：采用S-3400N型掃描電鏡(SEM，日本日立集團)觀察。

3 結果與討論

3. 1 脈沖參數對鍍層增重率的影響

3. 1. 1 脈沖占空比

保持平均電流密度0.4 A/cm2、脈沖頻率1 000 Hz不變，研究脈沖占空比對鍍層增重率的影響，結果如圖2所示。其中占空比為100%是指直流電沉積。

圖2 脈沖占空比對鎳鍍層增重率的影響Figure 2 Effect of duty cycle on weight gain rate of nickel coating

從圖2可以看出，隨著脈沖占空比增大，增重率加大；當占空比為30%時，增重率達到峰值；繼續加大占空比，增重率逐漸減小；在占空比由 50%增至100%時，鍍層增重率變化不大。由公式：占空比 = ton/(ton+ toff)[5]可知，脈沖占空比越大，toff越小，在施鍍時間內的總導通時間就越長，從而使鍍層晶粒的生長時間也較長，鍍層的增重率大。

3. 1. 2 平均電流密度

保持脈沖占空比30%、脈沖頻率1 000 Hz不變，研究平均電流密度對鍍層增重率的影響，結果如圖 3所示。

圖3 平均電流密度對鎳鍍層增重率的影響Figure 3 Effect of average current density on weight gain rate of nickel coating

從圖3可知，鎳鍍層的增重率隨平均電流密度的提高而不斷增大。這是由于提高電流密度，使陰極表面參與電化學反應的離子密度增大，雙電層緊密層的水合鎳離子反應機率升高，電沉積速率加快，鍍層增重率升高。

3. 1. 3 脈沖頻率

保持脈沖占空比 30%、平均電流密度 0.4 A/cm2不變，研究脈沖頻率對鍍層增重率的影響，結果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著脈沖頻率的增大，鍍層增重率逐漸減小。

圖4 脈沖頻率對鎳鍍層增重率的影響Figure 4 Effect of pulse frequency on weight gain rate of nickel coating

3. 2 脈沖參數對鍍層表面形貌的影響

對比圖5a和5b可知，前者(脈沖鍍鎳層)的表面形貌比后者(直流鍍鎳層)平整，表明降低占空比可降低鍍層孔隙率，但占空比過低(如5%)時，鍍層易燒焦。

對比圖5a和5c可知，后者形貌趨于平整、光滑。表明在一定范圍內提高電流密度有利于生成平整、晶粒細小的鎳鍍層。改變電流密度，不僅可以改變電沉積速率，而且可以改變電結晶時的陰極過電位，從而影響晶體的成核與生長[6]。

對比圖5a和5d可知，在頻率為1 000 Hz上下波動不大時，得到的鍍層表面較致密。因此，其他工藝參數不變時，隨著頻率的增大，脈沖導通時間縮短，沉積不均勻，在鍍層表面形成大量的微孔。

3. 3 脈沖參數對鍍層顯微硬度的影響

3. 3. 1 脈沖占空比

從圖6可以看出，電流密度為0.4 A/cm2、脈沖頻率為1 000 Hz時，隨著占空比的增大，鍍層顯微硬度呈先增后減再緩慢增大的趨勢。占空比為30%時，工件的顯微硬度最高(約305 HV)，而50%時為最低。由于隨著占空比的增大，鎳的形核速率增大，生長速率相對減小，利于生成晶粒致密的鍍層，而改善鍍層的致密度可使鍍層顯微硬度提高[7]。結合圖 5可知，占空比為30%時晶粒致密，因此顯微硬度較高；但繼續增大占空比，鍍層晶粒較粗大，導致鍍層顯微硬度減小。

圖6 脈沖占空比對鎳鍍層顯微硬度的影響Figure 6 Effect of duty cycle on microhardness of nickel coating

3. 3. 2 平均電流密度

如圖7所示，脈沖占空比為30%、頻率為1 000 Hz時，隨著平均電流密度的增大，鎳鍍層的顯微硬度呈不斷增大的趨勢。這是由于隨著電流密度的增大，陰極的極化作用也隨之增大，使鍍層晶粒也變得細致、緊密，鍍層顯微硬度提高。

圖7 平均電流密度對顯微硬度的影響Figure 7 Effect of average current density on microhardness of nickel coating

3. 3. 3 脈沖頻率

從圖8可以看出，占空比為30%、平均電流密度為0.4 A/cm2時，鎳鍍層的顯微硬度隨頻率的增大呈先增后減的趨勢，1 000 Hz時鎳鍍層的顯微硬度值最大(約305 HV)。因此，較適宜的脈沖頻率為1 000 Hz。

因此，綜合以上分析可得出電沉積鎳的最佳脈沖參數為：平均電流密度0.4 A/cm2，脈沖頻率1 000 Hz，占空比30%。在最佳脈沖參數下電沉積得到的鎳鍍層增重率和顯微硬度最高，表面平整而致密。

圖8 脈沖頻率對顯微硬度的影響Figure 8 Effect of pulse frequency on microhardness of nickel coating

4 結論

(1) 脈沖占空比、平均電流密度及脈沖頻率均對電沉積鎳鍍層有很大的影響。

(2) 在平均電流密度0.4 A/cm2，脈沖頻率1 000 Hz，占空比30%的最佳脈沖參數下電沉積得到的鎳鍍層，增重率和顯微硬度最高，表面平整而致密。

[1] 劉勇, 羅義輝, 魏子棟. 脈沖電鍍的研究現狀[J]. 電鍍與精飾, 2005, 27 (5): 25-29.

[2] 趙宇, 楊玉國, 許韻華, 等. 脈沖參數對鎳鍍層在NaCl溶液中耐蝕性的影響[J]. 電鍍與環保, 2007, 27 (5): 5-8.

[3] 鄧姝皓, 龔竹青, 陳文汩. 電沉積納米晶體材料的研究現狀與發展[J].電鍍與涂飾, 2001, 20 (4): 35-39, 50.

[4] 安茂忠. 電鍍理論與技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2004: 242-243.

[5] 周麗, 于錦, 馬安遠. 脈沖電鍍鎳及其性能的研究[J]. 電鍍與涂飾, 2009, 28 (11): 5-8.

[6] 徐劍剛, 余新泉. 電沉積納米晶鎳的研究現狀及展望[J]. 材料導報, 2006, 20 (增刊1): 30-33.

[7] 冶銀平, 陳建敏, 周惠娣. 電刷鍍鎳/碳納米管復合納米鍍層的結構與磨損性能[J]. 潤滑與密封, 2006 (7): 2-4.

Effects of pulse parameters on properties of nickel coating electroplated on surface of carbon steel Q235

// ZHU Ya-zhe, LI Bao-cheng*, LI Hui

The effects of pulse duty cycle, average current density and pulse frequency on the weight gain rate, surface morphology and microhardness of nickel coating prepared on Q235 steel substrates were studied. The composition of plating bath and other process parameters are as follows: NiSO4·6H2O 281 g/L, sodium dodecyl benzene sulfonate 0.08 g/L, NiCl2·6H2O 40 g/L, saccharin 1 g/L, H3BO335 g/L, butynediol 0.01 g/L, temperature 50 °C, pH 3.0-4.0, stirring rate 120 r/min, and time 30 min. The optimal pulse parameters were determined as follows: average current density 0.4 A/cm2, frequency 1 000 Hz, and duty cycle 30%. The nickel coating prepared using the optimal pulse parameters has the highest weight gain rate and microhardness, as well as a smooth and compact surface.

nickel; pulse electrodeposition; surface morphology; microhardness

School of Material Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China

1004 – 227X (2011) 12 – 0013 – 04

TG253.121; TQ152.12

A

2011–07–21

2011–08–08

朱亞哲（1986–），男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，主要研究方向為金屬材料加工。

李保成，教授，(E-mail) lbczbdx@126.com。

[ 編輯：周新莉 ]