鎳的周期換向脈沖電沉積實(shí)驗(yàn)研究

趙恩蘭 許 維

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221111）

0 引言

20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脈沖電沉積技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［1］。近年來(lái)，脈沖電沉積技術(shù)發(fā)展迅速，其技術(shù)特點(diǎn)決定了其能夠解決直流電沉積不能解決的一些難題，提高鍍層的質(zhì)量和性能［2－3］。換向型脈沖電沉積技術(shù)近年來(lái)被廣大學(xué)者所關(guān)注，其多應(yīng)用在表面要求較高的場(chǎng)合，如精密儀器、電子元件等。

在換向型脈沖電沉積技術(shù)中，正反向的脈沖工作時(shí)間會(huì)影響鍍層規(guī)則與致密程度，正反向的電流密度直接影響鍍層性能的優(yōu)劣以及鍍層的結(jié)構(gòu)和成分。因此，沉積時(shí)的正反向電流密度和工作脈沖時(shí)間是電沉積過(guò)程中必須優(yōu)化的工藝參數(shù)。本文建立了電化學(xué)沉積裝置，對(duì)正反向電流密度和工作脈沖時(shí)間對(duì)鍍層的影響進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與材料

圖1所示為電化學(xué)沉積裝置，不銹鋼板為陰極10，鎳板為陽(yáng)極9，兩極之間相隔4cm左右，相對(duì)懸掛在鐵架臺(tái)8上并浸入鍍液2中，鍍液用燒杯4等器皿盛放。然后將電化學(xué)工作站6上的電線與陰陽(yáng)極連接，綠線接陰極10，紅線接陽(yáng)極9，白色為參比電極，也可接在陽(yáng)極9上。然后，打開(kāi)磁力攪拌加熱裝置7，設(shè)定水域1的溫度與磁力轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)速，采用計(jì)算機(jī)5上電化學(xué)工作站的專(zhuān)用軟件調(diào)節(jié)各個(gè)電沉積參數(shù)。電鍍時(shí)采用計(jì)時(shí)電位法，電鍍時(shí)間為30min。

圖1 電化學(xué)沉積裝置

2 周期換向脈沖電沉積實(shí)驗(yàn)

2.1 反向脈沖工作時(shí)間對(duì)鎳形貌的影響

首先，我們研究反向脈沖工作時(shí)間對(duì)鍍層鎳表面形貌的影響。鍍鎳溶液配方為去離子水（300mL）、H3BO3（12.09g）、NiSO4（88.12g）、NiCl2（18.06g）、十二烷基硫酸鈉（0.01g）。電鍍參數(shù)為高電位限制（2A）、低電位限制（－2A）、陰極電流密度（25mA／cm2）、陽(yáng)極電流密度（2.5mA／cm2）、正向脈沖時(shí)間（0.5s）。在本實(shí)驗(yàn)中只改變反向脈沖時(shí)間，分別為0.005s、0.03s、0.05s、0.1s。將鍍液燒杯放至 DF－1集熱式磁力加熱攪拌器，溫度保持在50℃，通過(guò)電化學(xué)工作站CHI660D調(diào)節(jié)反向脈沖時(shí)間依次電鍍4個(gè)樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同反向脈沖時(shí)間下鍍層鎳的微觀形貌

在該實(shí)驗(yàn)中，反向單次脈沖時(shí)間反映的是正向脈沖電流密度和時(shí)間不變，反向脈沖電流密度不變，反向脈沖的時(shí)間變化對(duì)鎳表面形貌的影響。正向脈沖電鍍時(shí)，陰極不銹鋼基體上在不斷地鍍鎳，陽(yáng)極鎳板不斷生成鎳離子；反向脈沖電鍍時(shí)，陰極上又把生成的鎳變成鎳離子，由于正向脈沖電流密度和時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反向脈沖電流密度和時(shí)間，陰極鎳的形成速度大于去除速度，改變的就是去除速度這一參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。從圖2（a）中可以看出，隨著反向脈沖時(shí)間的減小，鍍層的表面逐漸細(xì)致光滑，鍍層相對(duì)比較平整。這是因?yàn)椋S著反向脈沖時(shí)間的減小，峰值電流密度逐漸增高，過(guò)電位也就逐漸增大，晶核的形核速度就會(huì)大于其生長(zhǎng)速度。因此，晶粒的尺寸就會(huì)越小，沉積層也就越細(xì)致光滑，孔隙率也較低。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明反向脈沖時(shí)間為0.005s時(shí)，表面形貌最好，最均勻，鍍層質(zhì)量越好。

2.2 正反電流比對(duì)鎳表面形貌的影響

下面研究正反電流比對(duì)鍍層鎳表面形貌的影響。鍍鎳溶液配 方 為 去 離 子 水 （300mL）、H3BO3（11.89g）、NiSO4（88.93g）、NiCl2（17.15g）、十二烷基硫酸鈉（0.01g）。電鍍參數(shù)為高電位限制（2A）、低電位限制（－2A）、正向脈沖時(shí)間（0.5s）、反向脈沖時(shí)間（0.05s）、陰極電流密度（25mA／cm2）。在本實(shí)驗(yàn)中只改變陽(yáng)極電流密度（即陰陽(yáng)極電流密度比），分別為2.5mA／cm2、3.1mA／cm2、4.2mA／cm2、12.5mA／cm2。將鍍液溫度保持在50℃，調(diào)節(jié)正反電流比依次電鍍4個(gè)樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同陽(yáng)極電流密度下鍍層鎳的微觀形貌

正反電流比反映的是正向脈沖電流密度和時(shí)間不變，反向脈沖時(shí)間不變，反向脈沖電流密度的改變對(duì)鎳表面形貌的影響。正向脈沖電鍍時(shí)，陰極不銹鋼基體上在不斷地鍍鎳，陽(yáng)極鎳板不斷生成鎳離子，反向脈沖電鍍時(shí)，陰極上又把生成的鎳變成鎳離子，由于正向脈沖電流密度和時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反向脈沖電流密度和時(shí)間，陰極鎳的形成速度大于去除速度，改變的是反向脈沖電流密度這一參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。從圖3中可以看出，隨著陽(yáng)極電流密度的增加材料鍍層的粗糙度增加明顯。由電鍍?cè)砜芍娏髅芏仍龃髸r(shí)，過(guò)電勢(shì)增加，結(jié)晶形成的速度顯著增加，鍍層結(jié)晶粗糙。因?yàn)檎措娏鞅却螅珊寺矢撸Ш藙傂纬蛇€來(lái)不及生長(zhǎng)，又有一批新晶核形成，所以鍍層結(jié)晶細(xì)化，粗糙度較小，鍍層變得更加細(xì)密、表面更加光滑。

3 結(jié)語(yǔ)

在本文中，通過(guò)改變反向脈沖工作時(shí)間、正反電流比2個(gè)參數(shù)，得到了2個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，隨著反向脈沖工作時(shí)間的減小和正反電流比的增大，鍍層表面的粗糙度減小、晶粒細(xì)，表面質(zhì)量高。

［1］蔣宇僑.當(dāng)前電鍍熱點(diǎn)［J］.電鍍與精飾，2003（5）

［2］陳范才.現(xiàn)代電鍍技術(shù)［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2009

［3］向國(guó)樸.脈沖電鍍的理論與應(yīng)用［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1989