電鍍Fe-Ni合金工藝的研究

黃小兵， 陳紅輝， 周詩彪， 楊基峰， 張海濤

（1.湖南文理學院 化學化工學院，湖南 常德415000；2.湖南恩紅科技有限責任公司，湖南 常德415001；3.安陽文峰缸套有限責任公司，河南 安陽455000）

0 前言

深沖鋼帶是具有優(yōu)良伸長率的低碳素鋼帶。在深沖鋼帶表面電鍍一層低應(yīng)力的鎳，再進行Fe-Ni相互擴散的退火處理，使鍍鎳層與基體牢固結(jié)合，從而滿足鍍鎳深沖鋼帶的深沖性能要求。用它作為堿性二次高能電池的外殼和電極基板，具有可連續(xù)化生產(chǎn)和提高電池使用壽命等特點［1］。在較長時間內(nèi)Fe-Ni合金電鍍發(fā)展遲緩。其主要原因在于：鐵是鍍鎳的有害雜質(zhì)，鐵的存在使鍍鎳層出現(xiàn)針孔、龜裂、分層、疏松、發(fā)黑、脫落等現(xiàn)象［2］。楊余芳等［3］研究了多種工藝條件下Fe-Ni合金共沉積的電化學行為，并提出了相應(yīng)的工藝條件。但是其工藝成分中含有過多有機物，對功能性鍍層的影響較大，特別是對鍍層的耐蝕性有較大的負面影響。因此，開發(fā)鍍液成分簡單、鍍層性能優(yōu)良的工藝，值得做進一步深入的研究。

1 實驗

1.1 工藝規(guī)范

將新配的合金鍍液配方與原鍍鎳液配方進行比較，結(jié)果如表1所示。

1.2 實驗材料

陰極采用厚度為0.1mm的SPCC低碳鋼箔，陽極采用電解鎳板和普通碳鋼板。實驗試劑均為分析純。

1.3 檢測方法

采用千分尺測量金屬沉積的厚度。采用CS350型電化學工作站測試鍍層的耐蝕性，輔助電極采用鉑電極，參比電極采用飽和甘汞電極，工作電極采用不同含鐵量的合金鍍層試片。起始電位-0.1V，終 止電位0.6V，掃描速率10mV／s。采用拉力實驗機檢測試片的抗拉強度和延展率。采用維氏硬度計檢測材料的硬度。

表1 不同電鍍工藝的鍍液配方

2 結(jié)果與討論

2.1 相同工藝條件下鍍層厚度的比較

對低碳鋼箔進行除油、弱酸浸泡、壓縮空氣吹干后，用千分尺測量其厚度，標記為δ沉積前。對鐵板和鎳板陽極用無紡布進行包裹，以防止陽極泥雜質(zhì)混入鍍液中。采用恒電流方式，對陰極施加10A電流，時間10min。完成后，將試片置于烘箱中低溫烘干，編號備用，并用千分尺檢測試片表面金屬沉積層的厚度，標記為δ沉積后。樣品檢測方式為平行線取樣10個點，取樣點間隔5mm。圖1為不同鍍液對鍍層厚度的影響。

圖1 不同鍍液對鍍層厚度的影響

依據(jù)Δδ＝δ沉積后-δ沉積前，計算基體表面沉積層的厚度。從圖1中可以看出：合金鍍液中所得沉積層的厚度比原鍍液中所得沉積層的低1%，兩者相差不是很大。通過X熒光對鍍層成分進行檢測。結(jié)果表明：合金鍍液中得到的沉積層，其Fe的質(zhì)量分數(shù)平均達到68%以上，Ni的質(zhì)量分數(shù)在31%左右；而鍍鎳液中得到的沉積層，其Fe的質(zhì)量分數(shù)平均達到1%左右，Ni的質(zhì)量分數(shù)在98.9%以上。相對而言，鍍鎳層中Fe為痕量元素。這是因為Ni，F(xiàn)e都能從水溶液中單獨析出，形成合金鍍層時發(fā)生的是異常共沉積，共沉積過程電極表面的pH值升高，產(chǎn)生Fe（OH）2并吸附在電極表面，從而阻礙了Ni2＋的電沉積，而Fe則通過Fe（OH）2放電析出［4］。本實驗通過控制陽極的設(shè)置來改變單位時間內(nèi)金屬的沉積量，降低Ni的沉積量，與Fe混合沉積后的總厚度保持與原鍍液的一致。

2.2 XRD圖譜

圖2為電鍍Ni和電鍍Fe-Ni的XRD圖譜。其中a圖為電鍍Ni的圖譜，b圖為電鍍Fe-Ni的圖譜。b圖中2θ＝42°的Ni衍射峰相對a圖的向右偏移，表明形成Fe-Ni合金。另外，從b圖中可以解析得出：復合電鍍Fe-Ni形成空間群為Im-3m的Fe3Ni2的合金化合物。

圖2 電鍍Ni和電鍍Fe-Ni的XRD圖譜

2.3 鍍層的耐蝕性

將樣品在650℃且通有高純氮氣作為保護氣氛的熱處理爐中加熱保溫8h，自然冷卻降溫后取出。通過不同鍍層在5%的NaOH和5%的H2SO4溶液中的極化曲線，測試鍍層在堿性和酸性環(huán)境下的耐蝕性，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同鍍層在5%的NaOH溶液中的極化曲線

從圖3和圖4中可以看出：含鐵量為68.16%（接近70%）的合金鍍層，其極化曲線的自腐蝕電位比純鎳層的正，自腐蝕電流密度最小。這是因為純鎳層雖然有較好的腐蝕特性，但在電鍍過程中，鍍層表面存在較多的孔隙。在鐵基體表面鎳屬于陰極鍍層，因此，鎳層很容易產(chǎn)生陽極腐蝕，基體鐵也會通過鍍層表面的孔隙發(fā)生較快的自腐蝕，導致鍍層的整體耐蝕性較差［5］。在與Fe-Ni形成合金并在高溫狀態(tài)下發(fā)生晶體重組后，不僅彌補了鍍層的孔隙，而且鍍層中的晶體缺陷也得到彌補，從而有助于增強鍍層的整體耐蝕性。

圖4 不同鍍層在5%的H2SO4溶液中的極化曲線

2.4 物理性能

鍍鎳鋼帶作為鎳氫電池負極集流體材料，在電池制作過程中，對材料的物理性能有著特殊的要求，特別是硬度和抗拉強度，它們直接影響電池活性物質(zhì)在涂覆與極片分切過程中的質(zhì)量。而依據(jù)金屬材料的特性，往往硬度與延伸率成反比關(guān)系，與抗拉強度成正比關(guān)系。因此，合適的硬度與強度比是控制鍍鎳鋼帶質(zhì)量的關(guān)鍵。將樣品置于650℃且有氮氣保護氣氛的熱處理爐中加熱保溫8h，冷卻后將樣品取出進行檢測。檢測結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 含F(xiàn)e量對鍍層硬度的影響

圖6 含F(xiàn)e量對鍍層強度的影響

從圖5和圖6中可以看出：當含F(xiàn)e量超過70%時，鍍層的硬度和強度呈現(xiàn)相應(yīng)比例的下降；而當含F(xiàn)e量為70%時，鍍層的硬度和強度最大；純鎳鍍層的硬度和強度最小。這是因為鎳是一種質(zhì)地較軟的金屬，當鎳與鐵原子在高溫狀態(tài)下進行晶體共融后，整個鍍層的晶體形貌發(fā)生變化，從而導致整個鍍層的性質(zhì)發(fā)生變化。當鍍層的含F(xiàn)e量過低時，以鎳金屬的性質(zhì)決定合金層的性質(zhì)；當鍍層的含F(xiàn)e量過高時，以鐵金屬的性質(zhì)決定合金層的性質(zhì)。因此，從檢測數(shù)據(jù)可以確定：合金鍍層中Fe的質(zhì)量分數(shù)為70%時，其物理性能最好。

3 結(jié)論

（1）沖孔鍍鎳鋼帶在應(yīng)用于鎳氫電池負極集流體時，采用Fe-Ni合金鍍層替代純鍍鎳層，不僅能在保證原有各項性能的基礎(chǔ)上提高工藝操作的簡便性，還能有效地節(jié)省貴金屬鎳，節(jié)約產(chǎn)品的制造成本。

（2）當合金鍍層中Fe的質(zhì)量分數(shù)達到65%～75%時，鍍層的耐蝕性最優(yōu)，同時硬度與強度的匹配性能達到最佳工藝點。

（3）通過本實驗的工藝驗證及性能檢測，給出了最佳的生產(chǎn)工藝規(guī)范（見表1）。

［1］陳紅輝，彭朋飛，肖習良.制備毛刺鍍鎳深沖鋼帶的方法［J］.電鍍與環(huán)保，2006，26（3）：13-15.

［2］楊余芳，龔竹青，鄧麗元，等.Ni-Fe合金電鍍的研究進展［J］.電鍍與涂飾，2005，24（5）：23-27.

［3］楊余芳，龔竹青，李強國.Ni-Fe合金共沉積的電化學行為［J］.功能材料，2007，38（12）：2 036-2 040.

［4］于金庫，廖波，馮皓.電沉積Ni-Fe合金及其耐蝕性的研究［J］.材料保護，2002，35（2）：30-31.

［5］程華，郭紅霞，王群，等.電沉積Fe-Ni合金工藝及鍍層耐蝕性的研究［J］.電鍍與精飾，2011，33（6）：1-4.