电镀Fe-Ni合金工艺的研究

2014-01-29黄小兵陈红辉周诗彪杨基峰张海涛

电镀与环保 2014年4期

黄小兵，陈红辉，周诗彪，杨基峰，张海涛

（1.湖南文理学院化学化工学院，湖南常德415000；2.湖南恩红科技有限责任公司，湖南常德415001；3.安阳文峰缸套有限责任公司，河南安阳455000）

0 前言

深冲钢带是具有优良伸长率的低碳素钢带。在深冲钢带表面电镀一层低应力的镍，再进行Fe-Ni相互扩散的退火处理，使镀镍层与基体牢固结合，从而满足镀镍深冲钢带的深冲性能要求。用它作为碱性二次高能电池的外壳和电极基板，具有可连续化生产和提高电池使用寿命等特点［1］。在较长时间内Fe-Ni合金电镀发展迟缓。其主要原因在于：铁是镀镍的有害杂质，铁的存在使镀镍层出现针孔、龟裂、分层、疏松、发黑、脱落等现象［2］。杨余芳等［3］研究了多种工艺条件下Fe-Ni合金共沉积的电化学行为，并提出了相应的工艺条件。但是其工艺成分中含有过多有机物，对功能性镀层的影响较大，特别是对镀层的耐蚀性有较大的负面影响。因此，开发镀液成分简单、镀层性能优良的工艺，值得做进一步深入的研究。

1 实验

1.1 工艺规范

将新配的合金镀液配方与原镀镍液配方进行比较，结果如表1所示。

1.2 实验材料

阴极采用厚度为0.1mm的SPCC低碳钢箔，阳极采用电解镍板和普通碳钢板。实验试剂均为分析纯。

1.3 检测方法

采用千分尺测量金属沉积的厚度。采用CS350型电化学工作站测试镀层的耐蚀性，辅助电极采用铂电极，参比电极采用饱和甘汞电极，工作电极采用不同含铁量的合金镀层试片。起始电位-0.1V，终止电位0.6V，扫描速率10mV／s。采用拉力实验机检测试片的抗拉强度和延展率。采用维氏硬度计检测材料的硬度。

表1 不同电镀工艺的镀液配方

2 结果与讨论

2.1 相同工艺条件下镀层厚度的比较

对低碳钢箔进行除油、弱酸浸泡、压缩空气吹干后，用千分尺测量其厚度，标记为δ沉积前。对铁板和镍板阳极用无纺布进行包裹，以防止阳极泥杂质混入镀液中。采用恒电流方式，对阴极施加10A电流，时间10min。完成后，将试片置于烘箱中低温烘干，编号备用，并用千分尺检测试片表面金属沉积层的厚度，标记为δ沉积后。样品检测方式为平行线取样10个点，取样点间隔5mm。图1为不同镀液对镀层厚度的影响。

图1 不同镀液对镀层厚度的影响

依据Δδ＝δ沉积后-δ沉积前，计算基体表面沉积层的厚度。从图1中可以看出：合金镀液中所得沉积层的厚度比原镀液中所得沉积层的低1%，两者相差不是很大。通过X荧光对镀层成分进行检测。结果表明：合金镀液中得到的沉积层，其Fe的质量分数平均达到68%以上，Ni的质量分数在31%左右；而镀镍液中得到的沉积层，其Fe的质量分数平均达到1%左右，Ni的质量分数在98.9%以上。相对而言，镀镍层中Fe为痕量元素。这是因为Ni，Fe都能从水溶液中单独析出，形成合金镀层时发生的是异常共沉积，共沉积过程电极表面的pH值升高，产生Fe（OH）2并吸附在电极表面，从而阻碍了Ni2＋的电沉积，而Fe则通过Fe（OH）2放电析出［4］。本实验通过控制阳极的设置来改变单位时间内金属的沉积量，降低Ni的沉积量，与Fe混合沉积后的总厚度保持与原镀液的一致。

2.2 XRD图谱

图2为电镀Ni和电镀Fe-Ni的XRD图谱。其中a图为电镀Ni的图谱，b图为电镀Fe-Ni的图谱。b图中2θ＝42°的Ni衍射峰相对a图的向右偏移，表明形成Fe-Ni合金。另外，从b图中可以解析得出：复合电镀Fe-Ni形成空间群为Im-3m的Fe3Ni2的合金化合物。

图2 电镀Ni和电镀Fe-Ni的XRD图谱

2.3 镀层的耐蚀性

将样品在650℃且通有高纯氮气作为保护气氛的热处理炉中加热保温8h，自然冷却降温后取出。通过不同镀层在5%的NaOH和5%的H2SO4溶液中的极化曲线，测试镀层在碱性和酸性环境下的耐蚀性，结果如图3和图4所示。

图3 不同镀层在5%的NaOH溶液中的极化曲线

从图3和图4中可以看出：含铁量为68.16%（接近70%）的合金镀层，其极化曲线的自腐蚀电位比纯镍层的正，自腐蚀电流密度最小。这是因为纯镍层虽然有较好的腐蚀特性，但在电镀过程中，镀层表面存在较多的孔隙。在铁基体表面镍属于阴极镀层，因此，镍层很容易产生阳极腐蚀，基体铁也会通过镀层表面的孔隙发生较快的自腐蚀，导致镀层的整体耐蚀性较差［5］。在与Fe-Ni形成合金并在高温状态下发生晶体重组后，不仅弥补了镀层的孔隙，而且镀层中的晶体缺陷也得到弥补，从而有助于增强镀层的整体耐蚀性。

图4 不同镀层在5%的H2SO4溶液中的极化曲线

2.4 物理性能

镀镍钢带作为镍氢电池负极集流体材料，在电池制作过程中，对材料的物理性能有着特殊的要求，特别是硬度和抗拉强度，它们直接影响电池活性物质在涂覆与极片分切过程中的质量。而依据金属材料的特性，往往硬度与延伸率成反比关系，与抗拉强度成正比关系。因此，合适的硬度与强度比是控制镀镍钢带质量的关键。将样品置于650℃且有氮气保护气氛的热处理炉中加热保温8h，冷却后将样品取出进行检测。检测结果如图5和图6所示。

图5 含Fe量对镀层硬度的影响

图6 含Fe量对镀层强度的影响

从图5和图6中可以看出：当含Fe量超过70%时，镀层的硬度和强度呈现相应比例的下降；而当含Fe量为70%时，镀层的硬度和强度最大；纯镍镀层的硬度和强度最小。这是因为镍是一种质地较软的金属，当镍与铁原子在高温状态下进行晶体共融后，整个镀层的晶体形貌发生变化，从而导致整个镀层的性质发生变化。当镀层的含Fe量过低时，以镍金属的性质决定合金层的性质；当镀层的含Fe量过高时，以铁金属的性质决定合金层的性质。因此，从检测数据可以确定：合金镀层中Fe的质量分数为70%时，其物理性能最好。