關(guān)鍵詞:脈沖參數(shù);高頻;鎳鈷合金;耐腐蝕性
中圖分類號:TG174.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-748X(2010)05-0338-04
引言
脈沖電鍍的突出優(yōu)點是通過改變脈沖參數(shù)來改善鍍層的物理化學(xué)性能,從而獲得優(yōu)異功能的鍍層和達(dá)到節(jié)約貴金屬的目的。向國樸、周恩彪從硫酸鹽光亮鍍鎳體系中研究了脈沖電鍍Ni-Co合金。他們采用單因素法,以鍍層中Co含量及鍍層硬度為評定標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)選出的脈沖參數(shù)為:ton=1ms,toff=1.5ms;jp=10A/dm2,并且與平均電流密度相同的直流電鍍Ni-Co合金作了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖電鍍Ni-Co合金鍍層的孔隙率低于直流電鍍,而且硬度與耐磨性高于直流電鍍。目前脈沖參數(shù)對鍍層性能的影響已經(jīng)基本上被人們所認(rèn)識,但很少有涉及到高頻的報道。采用高頻脈沖電源,使得金屬在結(jié)晶過程中晶粒形核后來不及長大,有利于獲得粒徑細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密的沉積層。
本工作在脈沖電鍍的沉積機(jī)理和金屬結(jié)晶理論的基礎(chǔ)上,利用高頻脈沖電源制備了鎳鈷沉積層對脈沖參數(shù)對沉積層耐蝕性的影響做了較為詳細(xì)的研究,并就頻率對鍍層中鈷含量及表面形貌的影響進(jìn)行分析。
1 試驗部分
1.1 鍍層制備
電鍍液采用瓦特型鍍液:180g/LNiSO4·7H2O,15g/LCoSO4·7H2O,10g/LNiCl2·6H2O,1g/LKBr,5g/LMgSO4,30g/LH3BO3。
所有試劑均為分析純,鍍液用去離子水配制。鍍槽容積為500ml。陰極材料選用厚度為1.00mm的紫銅片,陽極材料為純鎳板。電鍍一定時間,將電鍍層剝離。采用水浴加熱控制電解液溫度,電鍍過程中施加攪拌。
電沉積Ni-Co合金鍍層由高頻脈沖電源進(jìn)行恒電流電鍍制得,脈沖頻率范圍:20~140kHz。電沉積時的脈沖電流密度Ip為1~6A/dm2,占空比θ為10%~70%,電解液溫度為45~65℃,pH值為3.0~5.0,沉積時間為1~2h。
選用L25(56)正交試驗表安排試驗,正交試驗的因素和水平值見表1。
以鍍層在10%NaOH溶液中的自腐蝕電位、浸泡失重作為耐蝕性能的檢測指標(biāo),對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析。
1.2 測試方法
(1)極化曲線恒電位極化曲線測量在M273恒電位儀(EG&G公司)上進(jìn)行。試驗結(jié)果使用M352軟件進(jìn)行分析。電解池為EG&G公司的標(biāo)準(zhǔn)三電極體系,試樣作工作電極,密封于電極架內(nèi),面積為0.6cm2;輔助電極為Pt電極;參比電極為飽和甘汞電極。試驗在室溫下進(jìn)行。10%NaOH溶液用二次蒸餾水配置,NaOH為分析純。
(2)浸泡失重試驗室溫下在10%NaOH(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介質(zhì)中浸泡不同時間后取出,沖洗干凈并干燥后用萬分之一分析天平稱量,計算試片的失重。
(3)鍍層表面分析采用JSM6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同鈷含量鍍層的表面形貌。
2·結(jié)果與討論
2.1·極化曲線
圖1、圖2顯示了各因素對鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流的影響?？梢钥闯?硫酸鈷濃度為10g/L時,自腐蝕電位最高,自腐蝕電流最小。這是因為純鎳層晶粒粗大,沉積不均勻,表面粗糙,晶粒粒徑差異較大。添加硫酸鈷后,鍍層晶粒細(xì)化,表面較均勻平整,結(jié)構(gòu)相對緊密。
占空比為0.25時自腐蝕電位最高,自腐蝕電流最小。占空比越大,即脈寬ton相對越長,脈間toff相對越短,電解液本體中金屬離子濃度與沉積層(陰極)表面濃差極化增加,導(dǎo)致金屬離子向陰極表面移動不充分,即陰極表面離子擴(kuò)散層增厚。而占空比越小,則濃差極化越小,擴(kuò)散層減薄,使得電沉積反應(yīng)在較高的電位下進(jìn)行,導(dǎo)致晶核細(xì)小,成核速率增大,晶核數(shù)目增多。
鍍層自腐蝕電位基本上隨著電流密度增大而減小,平均電流密度為3A/dm2時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流較小。 [nextpage]
與直流電鍍相比,脈沖電流可以在接通瞬間,給電極以較直流高得多的電流密度,提高電極的電化學(xué)極化,使得成核速率遠(yuǎn)大于晶粒生長速率,因而晶粒變細(xì),產(chǎn)生光亮細(xì)致的鍍層;斷開后,可使電極迅速回復(fù)至原狀,消除濃差極化,且使吸附在陰極上的雜質(zhì)、氫氣泡等脫附,從而使得鍍層結(jié)晶更細(xì)致,孔隙更少。
鍍層自腐蝕電位基本上隨著鍍液pH值增大而減小,pH值為3時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流較小。
各種鎳鈷合金溶液的硫酸鹽低氯化物型電解液pH值的總范圍在3~6之間。在允許范圍內(nèi),維持較低的pH值,可以獲得寬的電流密度范圍;可以相應(yīng)地增加主鹽含量和提高溫度,從而采用較高的電流密度;對陽極溶解有利;并且鍍層針孔少。pH值為3時為最佳選擇。
溫度為55℃時自腐蝕電位最大,自腐蝕電流最小。溫度對鎳鈷合金的組成也有影響,這種影響是復(fù)雜的,當(dāng)相對濃度和極化條件不同時,溫度對合金成分的影響往往不相同。
綜上可選出最佳電鍍工藝:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。
2.2 失重速率
圖3可見,硫酸鈷濃度為10g/L時失重速率最小。在占空比為0.25時失重速率最小,而占空比增大腐蝕速率先增大后減小。鍍層腐蝕失重速率基本上隨著電流密度增大而增加。pH值為3和溫度為55℃時,失重速率最小。
2.3 頻率對鍍層鈷含量的影響
頻率對脈沖電鍍鎳鈷合金鍍層中鈷含量的影響如圖4所示。在pH為4,溫度為55℃,占空比為0.4,平均電流密度為1A/dm2的條件下,隨著頻率的增大,脈沖導(dǎo)通時間(ton)縮短,即在一定的時間內(nèi)脈沖擴(kuò)散層中金屬離子濃度恢復(fù)的頻率提高,故頻率越高,鎳鈷合金鍍層中鈷的含量越高。直流鍍層的Co含量比所有脈沖鍍層的Co含量都高得多。在S.K.Ghosh的試驗中,隨著ton減小和toff的增大,鎳銅合金中的銅含量顯著提高,這與本試驗的結(jié)果一致。
2.4 Co含量對鍍層表面形貌的影響
由鍍層表面形貌(圖5)可見,純Ni層沉積不均勻,表面粗糙,晶粒模糊且粒徑差異較大。隨著Co的加入,鍍層表面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu),晶粒細(xì)化,胞狀結(jié)構(gòu)的間隙較小,表面較均勻平整,結(jié)構(gòu)相對緊密,晶粒的細(xì)化強(qiáng)度增強(qiáng)。
3 結(jié)論
(1)高頻脈沖鎳鈷鍍層在NaOH溶液中的極化行為受脈沖電鍍工藝各參數(shù)的影響,從中選出最佳電鍍工藝為:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm2,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。
(2)高頻脈沖鎳鈷鍍層在NaOH溶液中的腐蝕失重速率最小時電鍍工藝各參數(shù)為:脈沖頻率140kHz,占空比0.25,平均電流密度3A/dm2,鍍液pH值3,溫度55℃,硫酸鈷濃度10g/L。
(3)高頻脈沖下,頻率增大,鍍層中Co含量隨之增加;且隨頻率的增大,晶粒趨于細(xì)化。
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