高频脉冲电源参数对Fe-ZrO2复合电沉积镀层纳米含量的影响

闫 帅，王元刚，宁 智，赵子云，吴蒙华*

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

高频脉冲电源参数对Fe-ZrO2复合电沉积镀层纳米含量的影响

闫 帅，王元刚，宁 智，赵子云，吴蒙华*

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

为改善低温镀铁工艺镀层的耐磨损耐腐蚀性能，提高镀层表面硬度，以GKDM系列高频脉冲电镀电源为实验复合电沉积工艺电源并配合超声-机械搅拌制备纳米Fe-ZrO2镀层。研究了高频脉冲电源参数：峰值电流导通（TON）、关闭（TOFF）时间；一组正脉冲（TF）负脉冲（TR）的工作时间对镀层表面纳米含量的影响。结果表明当GKDM系列高频脉冲电源TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms时，纳米沉积分布均匀致密，质量分数高。

低温镀铁；GKDM系列高频脉冲电源；复合电沉积；峰值电流；正脉冲；负脉冲

0 前言

常用低温氯化物镀铁按照电流的波形可以分为直流镀铁和不对称交流—直流电镀铁[1]。在实验中采用GKDM系列高频脉冲电流，反向脉冲电流明显改善了镀层的厚度分布以利于纳米均匀沉积[2]，并溶解了阴极镀层上的毛刺而整平；反向脉冲电流溶解了阴极上多余的镀层，从而使阴极表面附近金属离子浓度和纳米粒子浓度迅速得到回升，这利于随后的正向脉冲进行电沉积；使用高的脉冲电流密度使晶核的形成速度得以加快，故可以得到结晶更加细致，光亮的镀层[3]；反向脉冲电流可以除去电镀过程中沉积的氢，镀层中的氢含量大大减少，故可以有效地消除或减少内应力；反向脉冲电流使扩散层的实际厚度减薄，阴极电流效率提高，纳米沉积速度加快[4]。双脉冲电镀可使镀层更加均匀、致密、光亮、孔隙率低、纯度密度更高，耐温、耐磨、防腐、韧性、导电率等性能指标进一步提高，并可大幅度节约稀贵金属（约20%～30%），节约添加剂约 50%～80%。综上所述，GKDM 系列高频脉冲电源比以往交直流镀铁工艺相比，纳米沉积速度快，含量高，分布均匀，可达到提高产品质量、增产节约的效果[5]。

1 试验

1.1 试验材料

实验采用Q235钢板作为阴极材料，低碳钢作为阳极材料，试样规格为35 mm×20 mm×2 mm。

1.2 镀层的制备

本试验采用氯化物低温镀铁工艺，其镀液成分及工艺条件为：四水氯化亚铁300 gL、硫酸亚铁100 gL、氯化钠16 gL、抗坏血酸2 gL、十二烷基硫酸钠0.03 gL、纳米氧化锆5～15 gL、温度35 ℃、超声功率200～300 W[6]、机械搅拌120 r/min。

所配制溶液呈绿色，在实验过程中，用雷磁牌电导率仪（DDSJ-318）测试溶液PH值，并用10%稀盐酸进行PH值调整，正向平均电流密度8～16 A/dm2，负向平均电流密度0.5～1.5 A/dm2，TF/TR=10[7]。镀件从镀槽取出后，以防生锈需先大量清水冲洗，之后再中和处理，之后浸机油[8]。

1.3 镀层测试

采用EVO18型扫描电镜观察镀层表面形貌并用扫描电镜附带的能谱仪检测镀层表面纳米分布和含量，采用TH763显微硬度仪测试镀层显微硬度及低倍表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 GKDM系列高频脉冲电镀电源参数

GKDM系列高频脉冲电镀电源参数如图1所示：

图1 GKDM系列高频脉冲电镀电源参数

图中，TON：峰值电流导通时间； TOFF：峰值电流关断时间；T：一个脉冲通断周期T=TON+TOFF；TF：一组正脉冲工作时间TF=NT(n≥1)；TR：一组负脉冲工作时间TR= nT(n≥1)；TF+TR：正负脉冲换向的一个周期；IM：峰值电流；通断比：D=TON/TOFF；占空比：DC=TON/T。

峰值电流和平均电流的换算

2.2 峰值电流导通（TON）、关闭（TOFF）时间对镀层质量的影响

实验选取T=100×0.1 ms，选择三组TON和TOFF，第一组TON=10×0.1 ms，TOFF=90×0.1 ms；第二组TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms；第三组TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms。三组镀片采用EVO18型扫描电镜观察镀层表面形貌并用扫描电镜附带的能谱仪检测镀层表面纳米分布和含量，如图2。

通过对三组数据的对比，当TON和TOFF参数的设置发生变化时，镀层表面晶粒尺寸随之发生有规律的变化，如图3。

图2 三组镀件表面扫描电镜图

图3 镀层晶粒尺寸随脉冲占空比变化曲线

当TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms，占空比时20%时，镀层晶粒有较大细化。随之镀层表面纳米分布和含量也随之发生相应变化，如图4。

图4 三组镀件能谱仪面扫纳米氧化锆分布图

如图4所示，TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms时，镀层表面纳米氧化锆分布均匀密集。图4中第三组纳米氧化锆分布图，纳米氧化锆含量没有第二组高，且分布不均匀。第一组纳米氧化锆含量较少。

在实验中GKDM系列高频脉冲电流，反向脉冲电流明显改善了镀层的厚度分布以利于纳米均匀沉积,反向脉冲电流溶解了阴极上多余的镀层，从而使阴极表面附近金属离子浓度和纳米粒子浓度迅速得到回升，这利于随后的正向脉冲进行电沉积,反向脉冲电流可以除去电镀过程中沉积的氢，镀层中的氢含量大大减少，故可以有效地消除或减少内应力，反向脉冲电流使扩散层的实际厚度减薄，阴极电流效率提高，纳米沉积速度加快。

当TON=10×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms时，正向脉冲作用时间过短，总正向平均电流小，影响纳米沉积的速率，相同时间内纳米沉积量少。当TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms时，负脉冲总用时间减少，阴极表面附近金属离子浓度和纳米粒子浓度回升较慢，使之后的正向脉冲电沉积中阴极附近纳米含量不足，镀层中纳米含量偏少，如表1。

表1 三组镀件表面元素重量、原子百分比

当TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms时，镀层表面纳米氧化锆含量达到最大值4.61%，镀层表面纳米氧化锆含量会随着占空比的逐渐升高而呈现出先增加后减少的趋势。

3 结论

（1）当TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms时，镀层晶粒细化明显；

（2）当TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms时，镀层表面纳米氧化锆分布均匀致密，且质量含量达到最大值4.61%。

[1] Schlesinger M, Paunovic M. 现代电镀[M]. 北京: 北京化学工业出版社, 2006.

[2] Tohru Watanabe. 纳米电镀[M]. 北京: 中国化学工业出版社, 2007.

[3] 赵广宏, 何业东. 脉冲参数对等离子电沉积镍镀层结构和性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2012, 33(8): 4.

[4] 张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构[M]. 北京: 科学出版社, 2001.

[5] 候进. 浅谈脉冲电镀电源[J]. 电镀与环保, 2001, 25(3): 4.

[6] 夏法锋, 吴蒙华, 贾振元. 超声波对纳米Ni-TiN复合镀层的影响[J]. 功能材料, 2008, 39(4): 5.

[7] 夏法锋, 贾振元, 吴蒙华. 脉冲电沉积纳米Ni-TiN复合镀层[J]. 材料科学与工艺, 2007, 15(6): 5.

[8] 许乔瑜, 刘芳. 不对称交流-直流电镀Fe-纳米ZrO2复合镀层工艺的研究[J]. 材料保护, 2007, 40(3): 5.

Effects of High Frequency Pulse Power Parameters of Fe-ZrO2Composite Electrodeposition Coating Surface Nano Content

YAN Shuai, WANG Yuan-gang, NING Zhi, ZHAO Zi-yun, WU Meng-hua*
(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 16622, China)

In order to improve the corrosion and wear of low-temperature iron plating coatings and improve the surface hardness of the coating, GKDM series high-frequency pulse plating power as the experimental composite electrodeposition process power, and with ultrasound - mechanical stirring Nano Fe-ZrO2coating was made. the parameters of High-frequency pulse power were studied: peak current conduction (TON) closing (TOFF) time; a positive pulse of working (TF) time, a negative pulse of working time impacting on the content of the coating surface nano. The results showed that when TON of the GKDM series high frequency pulse power was 20×0.1 ms, TOFF was 80×0.1 ms, Nano Deposition evenly distributed and dense, quality scores was high.

low-temperature iron plating coatings; GKDM series high-frequency pulse plating power; composite electrodeposition process; peak current; positive pulse; negative pulse

TG249.9

：A

：1008-2395(2013)06-0006-03

2013-11-15

国家自然科学基金项目（51005027）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目（LJQ2012106）；辽宁省教育厅一般项目(L2012446)。

闫帅（1985-），男，硕士研究生，研究方向：表面强化技术—梯度功能镀层。

吴蒙华（1963-），男，博士，教授，机械工程学院院长，研究方向：特种加工微细电化学复合加工。