氨基磺酸鹽鍍鎳的微觀織構(gòu)與硬度

田 峰，姬清華

（1.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

氨基磺酸鹽鍍鎳的微觀織構(gòu)與硬度

田 峰1，姬清華2

（1.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

采用氨基磺酸鹽鍍液電沉積鎳層，通過WLI，SEM，XRD和MHT對(duì)鍍層的三維形貌、微觀織構(gòu)及硬度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在鍍液中不含添加劑的情況下，隨著陰極電流密度的增加，鍍層晶粒細(xì)化，但鍍層致密性變差且硬度呈近似線性關(guān)系降低；鍍液中加入適量添加劑后，鍍層衍射譜特征和各晶面的擇優(yōu)取向度無明顯改變，但在相同陰極電流密度下所得鍍層的晶粒更加細(xì)小且硬度有所提高。

氨基磺酸鹽；三維形貌；微觀織構(gòu)；硬度

0 前言

鎳是電鍍工藝中常用的金屬之一，因其具有良好的綜合性能，已被成功地用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、破甲藥型罩、精細(xì)金屬濾網(wǎng)、微波器件和電解加工用電極等諸多功能性零部件的制造［1－2］。氨基磺酸鹽鍍液具有分散能力和均鍍能力強(qiáng)、鍍層內(nèi)應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，是制備高質(zhì)量鍍層的首選鍍液類型。本文采用氨基磺酸鹽鍍液電沉積鎳層，并對(duì)所得鍍層的三維形貌、微觀織構(gòu)及硬度進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍液組成及工藝條件

Ni（NH2SO3）2·4H2O 420mL/L，H3BO337.5 g/L，NiCl2·6H2O 6g/L，pH 值4.0，1～7A/dm2，55℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用雙電極體系，陽極為電解鎳板，陰極為紫銅片，陰陽極水平正對(duì)布置，間距為25mm。陰極前處理工藝流程：粗 磨 —→ 精磨 —→ 超聲波除油—→稀鹽酸溶液中浸洗 5min —→稀氫氧化鈉溶液中浸洗5min —→丙酮沖洗 —→ 去離子水沖洗 —→真空干燥。電鍍后，將鍍層與基體分離。

1.3 性能檢測(cè)

采用白光干涉儀（WLI）觀察鍍層的三維形貌。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍層的微觀結(jié)構(gòu)。采用X射線衍射儀（XRD）測(cè)試鍍層的顯微織構(gòu)。采用顯微硬度儀（MHT）測(cè)試鍍層的硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維形貌

圖1為在不同陰極電流密度下所得鍍層的三維形貌。由圖1可知：當(dāng)陰極電流密度為3A/dm2時(shí)，鍍層上存在少量的缺陷，表面略有起伏，形態(tài)舒緩；當(dāng)陰極電流密度為7A/dm2時(shí)，鍍層上幾乎布滿缺陷，表面高低起伏明顯，呈現(xiàn)出峰谷交替的形態(tài)。其原因?yàn)椋弘S著陰極電流密度的增加，陰極還原過程加快，消耗掉的Ni2＋增多，但又難以及時(shí)得到補(bǔ)充，致使液相傳質(zhì)受限的可能性提高，析氫量增大，鍍層表面的整平性變差。

圖1 鍍層的三維形貌

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖2為陰極電流密度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響。由圖2可知：隨著陰極電流密度從1A/dm2提高至7A/dm2，鍍層晶粒的平均尺寸由10μm降至4 μm，且晶粒分布趨于均勻。其原因?yàn)椋弘S著陰極電流密度的增加，陰極過電位增大，晶核的生成速率加快而長大速率減慢［3］，此時(shí)鍍層的致密性明顯變差。分析認(rèn)為：針孔、積瘤等缺陷增多造成結(jié)晶位錯(cuò)出現(xiàn)的幾率升高，是導(dǎo)致鍍層微觀結(jié)構(gòu)隨陰極電流密度增大明顯惡化的原因所在。

在上述實(shí)驗(yàn)條件不變的基礎(chǔ)上，加入0.05g/L十二烷基硫酸鈉，所制得的四種鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。對(duì)比圖2和圖3可知：在陰極電流密度相同的條件下，加入適量添加劑后所得鍍層晶粒更加細(xì)小、結(jié)構(gòu)更加緊致。盡管如此，鍍層微觀結(jié)構(gòu)隨陰極電流密度的變化趨勢(shì)仍未改變。

圖2 陰極電流密度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響（無添加劑）

圖3 陰極電流密度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響（有添加劑）

2.3 XRD譜圖

圖4為在不同工藝條件下所得鍍層的XRD譜圖。與PDF卡對(duì)照可知：兩種鍍層均有（111），（200），（311）和（400）四個(gè)晶面，最高強(qiáng)度衍射峰均為（200）面，呈現(xiàn)出幾乎相同的面心立方結(jié)構(gòu)。這說明添加劑對(duì)鍍層衍射譜特征影響甚微。

進(jìn)一步計(jì)算兩種鍍層各晶面的擇優(yōu)取向度（計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)［4］），實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。由表1可知：添加劑對(duì)各晶面的擇優(yōu)取向度無明顯影響，前后各晶面的擇優(yōu)取向度差別不大且都不高，鍍層呈現(xiàn)無明顯取向織構(gòu)。這與文獻(xiàn)［5］的研究結(jié)果幾乎吻合。

圖4 XRD圖譜

表1 鍍層各晶面的擇優(yōu)取向度

2.4 硬度

圖5為陰極電流密度對(duì)鍍層硬度的影響。由圖5可知：隨著陰極電流密度由1A/dm2提高至7A/dm2，兩種鍍層的硬度均呈近似線性關(guān)系降低；在無添加劑的情況下，鍍層硬度由3 100MPa降至2 540MPa；在有添加劑的情況下，鍍層硬度由3 370 MPa降至2 900MPa。其原因?yàn)椋弘S著陰極電流密度的增加，鍍層上的缺陷增多，結(jié)晶位錯(cuò)的可能性增大，致使組織致密性變差，硬度降低。但相比而言，采用相同陰極電流密度，加入添加劑后所得鍍層的硬度明顯增大。一方面，添加劑吸附于陰極雙電層緊密層內(nèi)活性生長點(diǎn)上，占據(jù)Ni2＋還原反應(yīng)生長位置，抑制晶核長大，細(xì)化晶粒，致使Ni2＋還原后在結(jié)晶過程中的相互作用力增強(qiáng)，晶界密度增大，鍍層致密性提高；另一方面，添加劑可能參與陰極反應(yīng)而被還原，部分分解產(chǎn)物（如S，P等）夾雜于鍍層晶格空隙中，形成結(jié)晶的點(diǎn)或面缺陷，致使鍍層產(chǎn)生夾雜應(yīng)力，硬度增大［6］。

圖5 陰極電流密度對(duì)鍍層硬度的影響

3 結(jié)論

（1）在鍍液中不含添加劑的情況下，提高陰極電流密度能明顯細(xì)化晶粒，但也會(huì)惡化鍍層微觀結(jié)構(gòu)，降低硬度。

（2）適量添加劑對(duì)鍍層衍射譜特征及各晶面的擇優(yōu)取向度無明顯影響，但可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，同時(shí)增大硬度。

［1］ Zhu D，Qu N S，Chan K C. Development of joint electroforming ［J］. Journal of Materials Processing Technology，1997，63（1）：844-847.

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［3］ 熊毅，荊天輔.噴射電沉積納米晶鎳的研究［J］.電鍍與精飾，2000，22（5）：1-4.

［4］ 楊防祖，黃令，許書楷，等.添加劑的整平能力及其對(duì)Cu電沉積層結(jié)構(gòu)的影響［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，42（1）：56-59.

［5］ Ye X P，Bonte M D，Celis J P，et al.Role of overpotential on texture，morphology and ductility of electrodeposited copper foils for printed circuit board applications［J］.Journal of the Electrochemical Society，1992，139（6）：1 592-1 600.

［6］ 王慶浩.銅鍍層質(zhì)量對(duì)電子雕刻的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2009，29（3）：10-14.

Microstructure and Hardness of Nickel Coating Plated with Amino Sulfamate Solution

TIAN Feng1，JI Qing-hua2
（1.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，China；2.Xinxiang College，Xinxiang 453003，China）

The nickel coating was electrodeposited with amino sulfamate solution，and its three-dimensional morphology，microstructure as well as hardness were analyzed using WLI，SEM，XRD and MHT.The results show that，when the bath contains no additive，the coating grains become fine，but the coating compactness becomes worse and the hardness decreases almost linearly as cathode current density increases.After a proper amount of additive is added，the diffraction spectrum characteristics and preferred orientation degree are not evidently changed，but the coating obtained at the same cathode current density exhibits finer grain as well as higher hardness.

amino sulfamate；three-dimensional morphology；microstructure；hardness

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0009-03

2011-06-09

·電 鍍·