電沉積Ni-Fe合金工藝及鍍層耐蝕性的研究

程 華，郭紅霞，王 群，王 澈，湯云暉

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

電沉積Ni-Fe合金工藝及鍍層耐蝕性的研究

程 華，郭紅霞，王 群，王 澈，湯云暉

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

采用電沉積的方法制備了Ni-Fe合金鍍層，對其微觀形貌和結構進行了表征，并采用電化學方法研究了所制備的Ni-Fe合金鍍層在不同介質中的腐蝕行為。結果表明:在5%硫酸溶液以及3.5%氯化鈉溶液中，w(Fe)為19.23%的Ni-Fe合金鍍層耐蝕性最好，在5%氫氧化鈉溶液中w(Fe)為28.16%的Ni-Fe合金鍍層的耐蝕性最佳。

Ni-Fe合金鍍層;電沉積;耐蝕性

引 言

Ni-Fe合金具有不同于單質鐵、鎳金屬粉末的特殊性能和軟磁性，在吸波材料、磁性材料及硬質合金等領域具有廣泛的應用前景［1-3］，其合金鍍層不但具有優良的焊接性，還可作為純鎳鍍層的替代鍍層，用于防護-裝飾性鍍層中的底層或中間層［4］。研究表明，不同組分鎳-鐵合金表現的耐蝕性不同，Ramazan Solmaz［5］研究了鍍液中 n(Ni2+):n(Fe2+)為 4∶6時，制備的鎳-鐵合金在1.0mol/L KOH 溶液中的耐蝕性較好;采用脈沖電沉積制備的納米晶Ni-Fe合金鍍層，在Ni納米晶中引入適量的Fe納米晶可以提高其耐蝕性能，該納米晶Ni-Fe合金鍍層在10%NaOH溶液中，其耐蝕性隨著鐵含量的增加逐漸降低，w(Fe)為7.72%的納米晶合金鍍層耐蝕性能最好［6］;氨基磺酸鹽體系中電沉積制備的w(Fe)為5%左右納米晶Ni-Fe合金，在1.0 mol/L鹽酸和0.5 mol/L硫酸中具有較好的鈍化能力和耐蝕性［7］;張郁彬等［8］研究表明，在 3.5% 氯化鈉溶液中，隨著鎳-鐵合金中鐵含量的升高，晶粒細化，w(Fe)為36%的鎳-鐵合金耐蝕性最佳，可以在防護-裝飾性能應用中很好地替代鎳。

目前，對于Ni-Fe合金鍍層的耐腐蝕性能有一定的研究，但是其基體大多集中在不銹鋼板［6］、冷軋銅板［7］或鋁合金［9］等材料上。隨著電子產品的發展，Ni-Fe合金箔在電子工業上作為記憶、記錄和計算機儲存裝置而得到一定規模的應用。采用電沉積方法在銅箔上獲得鎳-鐵磁性合金薄膜材料，突破了傳統磁屏蔽材料的應用局限，銅箔基體上得到的鎳-鐵合金薄膜是一種新型的柔性基體復合磁屏蔽材料，拓寬了材料的使用范圍。但是，關于這種新型的柔性基體復合磁屏蔽材料的腐蝕性能卻很少報道。因此本文以直流電沉積的方法在銅箔基體上制備了純Ni和不同鐵含量的Ni-Fe合金鍍層，并采用電化學方法系統研究了該合金鍍層在5%的硫酸溶液、3.5%的氯化鈉溶液以及5%的氫氧化鈉溶液中的腐蝕行為，分析了Ni-Fe合金鍍層中Fe元素對其耐蝕性能的影響。

1 實驗

1.1 電沉積鎳-鐵合金工藝

Ni-Fe合金鍍層采用直流電沉積的方法制備，陽極為鎳板，陰極為δ=40μm的紫銅片。具體操作流程為:清洗→化學除油→清洗→酸腐蝕→清洗→裝掛→電鍍鎳-鐵合金→冷水清洗→烘干。

試驗中所用試劑均為分析純，鍍液用去離子水配制。鍍液組成為:200g/L NiSO4·6H2O，40 g/L硼酸，4g/L糖精，40 g/L檸檬酸鈉，1 g/L抗壞血酸，依次為0、10、20 和30 g/L FeSO4·7H2O，鍍液的 pH 控制在3.0～3.5，θ為60 ～65℃，極板間距 6 cm，Jκ=3A/dm2。

1.2 鍍層成分、形貌和微觀結構分析

采用HITACHI S3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的Ni-Fe合金鍍層進行形貌觀察，并通過該電子顯微鏡附帶的X-射線能譜儀(EDS)測定鍍層中的鎳、鐵。利用SHIMADZU XRD-7000型X-射線衍射儀對鍍層的晶體結構進行分析，CuKα靶，掃描速度為2°/min。

1.3 極化曲線測試

采用LK2005A電化學工作站(天津蘭力科化學電子高技術公司)測定所制備的Ni-Fe合金鍍層在5%的硫酸溶液、3.5%的氯化鈉溶液以及5%的氫氧化鈉溶液中的極化曲線，電極為三電極體系，工作電極為1cm×1cm的待測鍍層，一面焊上導線并用環氧樹脂絕緣密封;輔助電極為2.5mm×4.5mm鉑電極，測試前用稀鹽酸、乙醇及蒸餾水洗滌，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，試驗中所有電位均為相對于飽和甘汞電極的電位值。采用鹽橋以消除液體接界電位，測量極化曲線的參數為:起始電位－0.6V，終止電位1V，掃描速度為10mV/s。采用電化學工作站測試樣品在不同介質中的極化曲線并求出腐蝕電位(φcorr)和腐蝕電流密度(Jcorr)。

2 結果與討論

2.1 不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層的形貌與結構

圖1為不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層的SEM照片，不同ρ(FeSO4·7H2O)所得合金鍍層中鐵的質量分數如表1所示。由圖1(a)看出，純鎳鍍層表面連續致密，鍍層顆粒粗大，表1顯示w(鎳)=100%，圖1(b)-(d)顯示，隨著鍍層中w(Fe)的增加，合金顆粒變細，但是鍍層中w(鐵)為28.16%時，合金顆粒之間的間隙增大。在本實驗條件下，所得鍍層δ約30μm，當鍍液中鎳質量濃度不變時，增加ρ(FeSO4·7H2O)，鍍層中w(鐵)基本呈線性增加，這與文獻［9］報道一致。

圖1 Ni-Fe合金鍍層的SEM照片

表1 不同ρ(FeSO4·7H2O)制備的合金鍍層中的w(Fe)

圖2為純鎳鍍層和不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層的X-射線衍射圖譜。從圖2可以看出，純鎳鍍層以及不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層均存在(111)和(200)的衍射峰，為晶態面心立方結構［10］。表2示出了對應的4種鍍層通過謝樂公式計算的平均晶粒尺寸。由表2可知，純Ni鍍層及Ni-Fe合金鍍層的晶粒尺寸都是納米級，且Ni-Fe合金鍍層的晶粒尺寸較純Ni鍍層小，這在圖1的SEM照片中也可以看出。隨著鐵含量的增加，鍍層晶粒尺寸越來越小，當 w(Fe)為28.16%時，鍍層晶粒尺寸相比w(Fe)為19.23%的Ni-Fe合金鍍層有所增大。由此可見，Fe元素在一定程度上起到了細化晶粒的作用，這與文獻［6］中報道的一致。

圖2 鍍層的X-射線衍射圖

表2 鍍層的晶粒尺寸

2.2 極化曲線的測定

圖3是在5%硫酸溶液中測得不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層的極化曲線，表3為由圖3曲線求出的腐蝕電位與腐蝕電流密度?？芍?w(Fe)為19.23%的Ni-Fe合金鍍層的腐蝕電位最正，腐蝕電流密度最小，即比其它含鐵鍍層具有較好的耐腐蝕性能。原因可能是隨著w(Fe)的升高，鎳-鐵合金鍍層表面變得光滑，且晶粒細化，因此腐蝕電流密度降低，鐵質量分數達到19.23%時，鎳-鐵合金鍍層表面最平整致密［見圖1(c)］，耐腐蝕性最好。

圖3 Ni-Fe合金鍍層在5%硫酸溶液中的極化曲線

表3 不同w(Fe)的Ni-Fe合金的φcorr和Jcorr

圖4是在3.5%氯化鈉溶液中測得Ni-Fe合金鍍層的極化曲線，可以看出，w(Fe)為19.23%的Ni-Fe合金鍍層的腐蝕電位最正，腐蝕電流密度最小，其耐蝕性最好。在w(Fe)高于28.16%時，表面缺陷較多［見圖2(d)］，氯離子較易滲透，導致腐蝕電流密度增大。說明在3.5%氯化鈉溶液中隨著鐵含量的增加，鍍層耐蝕性呈先增大又減小的趨勢。從極化曲線測得的腐蝕電位和腐蝕電流密度如表4所示。

圖4 Ni-Fe合金鍍層在3.5%氯化鈉溶液中的極化曲線

表4 不同w(Fe)的Ni-Fe合金的φcorr和Jcorr

圖5是在5%氫氧化鈉溶液中測得Ni-Fe合金的極化曲線，與硫酸和氯化鈉溶液中的極化曲線相比較，純Ni鍍層與Ni-Fe合金鍍層在NaOH溶液中均呈現出了典型的鈍化行為，并伴隨有一定的電流振蕩現象。

Ni-Fe合金鍍層的表面被Ni(OH)2所覆蓋，從而形成了曲線中的鈍化區。隨著電位的進一步正移，電流密度急劇增大，意味著上述的Ni(OH)2鈍化膜被破壞，在鍍層中形成點蝕坑。表5為由圖5的極化曲線中求出的腐蝕電位與腐蝕電流密度。

圖5 Ni-Fe合金在5%氫氧化鈉溶液中的極化曲線

從中可以看出，在5%氫氧化鈉溶液中，隨著鐵含量的增加，鍍層的耐蝕性增大，其中以w(Fe)為28.16%的Ni-Fe合金鍍層的耐蝕性最好，其耐蝕性要高于純Ni鍍層。

3 結論

1)通過改變鍍液中 ρ(Fe2+)制備出了不同w(Fe)的Ni-Fe合金鍍層，鍍層晶粒隨著鐵含量的增加呈減小的趨勢。

2)在5%硫酸溶液中以及3.5%氯化鈉溶液中，w(Fe)為19.23%的Ni-Fe合金鍍層耐蝕性最好。

3)在5%氫氧化鈉溶液中w(Fe)為28.16%的Ni-Fe合金鍍層的耐蝕性最好，在相同條件下能夠替代純鎳鍍層。

表5 不同w(Fe)的Ni-Fe合金的φcorr和Jcorr

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Electrodeposition Technology and Corrosion Resistance of Ni-Fe Alloy Coating

CHENG Hua，GUO Hong-xia，WANG Qun，WANG Che，TANG Yun-hui
(College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Ni-Fe alloy coatings were fabricated by electrodeposition process.The surface morphology and structure of the Ni-Fe alloy coatings were determined，and corrosion behavior of the coatings in various medium solutions were investigated by electrochemical polarization method.The results indicated that Ni-Fe alloy coating which contains 19.23%Fe has the optimal corrosion resistance in 5%H2SO4and 3.5%NaCl solutions.But in 5%NaOH solution，Ni-Fe alloy coating containing 28.16%Fe has the highest corrosion resistance.

Ni-Fe alloy coating;electrodeposition;corrosion resistance

TQ153.2

A

1001-3849(2011)06-0001-04

2011-02-22

2011-03-22

863國家高技術研究發展計劃(2007AA06Z320);教育部科學技術研究重大項目(309008);北京工業大學研究生科技基金(ykj-2010-4072)