平行冲刷给液电沉积镍层的显微硬度研究

李家明， 史忠丰， 蔡成翔

（钦州学院 化学化工学院，广西 钦州 535000）

平行冲刷给液电沉积镍层的显微硬度研究

李家明， 史忠丰， 蔡成翔

（钦州学院 化学化工学院，广西 钦州 535000）

采用平行冲刷给液方式电沉积镍层，并系统研究了冲液速率、阴极电流密度、电解液温度和电解液pH值对镀层显微硬度的影响规律。结果表明：镀镍层的显微硬度随冲液速率的加快（0.6～2.2m/s）和阴极电流密度的增加（1～11A/dm2）均呈现明显的增大趋势，随电解液温度的升高（35～50℃）微幅增大，而随电解液pH值的升高（3.5～5.5）呈先增大后趋于稳定的变化趋势。

显微硬度；冲液速率；阴极电流密度；电解液温度；电解液pH值

0 前言

镍是电沉积工艺中常用的金属，已成功用于表面粗糙度样块、火箭发动机喷管和微波纹管等的制造［1］。对此类功能性零部件而言，硬度是最重要的性能指标之一，因其与强度和耐磨性等关系密切。为此，围绕优化电沉积参与要素以提高镀镍层的硬度这一主题，电沉积领域的研究学者开展了深入的探索。Sherik A M 等［2］、Qu N S 等［3］和 王 立 平等［4］从改变电流施加方式的角度，分别采用方波电流、高频脉冲电流和窄脉宽高峰值电流进行电沉积，均制备出高硬度的纳米晶镀镍层。王秀芝等［5］、谭俊等［6］和刘延辉等［7］从优化电沉积空间环境的角度，分别在超声场和磁场中开展电沉积实验，得出类似结论：非常态环境中电沉积制备的镀镍层的显微硬度较常规镀镍层的有明显提高。Ebrahimi F等［8］从优选电沉积工艺参数的角度，系统考察了电解液类型和电解液pH值对所得纳米晶镀镍层硬度的影响规律。

本文围绕相同主题，采用平行冲刷给液方式电沉积镍层，并系统研究了冲液速率、阴极电流密度、电解液温度和电解液pH值对镀层显微硬度的影响规律。

1 实验

镀层制备采用氨基磺酸盐型基础镀镍液，其组成为：氨基磺酸镍430mL/L，氯化镍8g/L，氯化钠10g/L，硼酸35g/L，稀土（添加剂）0.1g/L。所用试剂均为分析纯，用去离子水按规范流程配制镀液。阳极为电解镍板，阴极为铝合金圆片，两者的面积比约为3∶2，采用水平正对布置方式，间距保持在20 mm。操作条件为：冲液速率0.6～2.2m/s，阴极电流密度1～11A/dm2，电解液温度35～50℃，电解液pH值3.5～5.5。电沉积过程中，电解液以平行方式持续冲刷阴极表面，以提高阴极面临近的传质效率。

电沉积结束后，镀镍层经规范流程预处理。用JSM-5610LV型扫描电子显微镜分析其微观结构。用HVS-1000B型数显硬度计测定其显微硬度，取五次测定结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 冲液速率的影响

在阴极电流密度3A/dm2，电解液温度45℃，电解液pH值4.0的条件下，研究了冲液速率对冲刷给液电沉积镍层显微硬度的影响，结果见图1。由图1可知：加快冲液速率有助于增大镀镍层的显微硬度。这主要是因为冲液速率低时，传质进程慢，而电极反应过程持续进行，故消耗的镍离子难以获得及时足量的补充，造成沉积面附近浓差极化较为严重，致使沉积晶粒粗大且结构疏松，存在明显的位错、滑移等结晶缺陷，降低镀层的显微硬度。而随着冲液速率的加快，参与电极反应的镍离子的输运进程提速，单位时间内到达沉积表面的镍离子数量增多，在相同阴极电流密度下出现传质受限的可能性和程度均降低，扩散层减薄［9］，因而结晶细致、组织趋于致密，必然提高显微硬度。

图1 冲液速率对镀镍层显微硬度的影响

2.2 阴极电流密度的影响

在冲液速率2.2m/s，电解液温度45℃，电解液pH值4.0的条件下，研究了阴极电流密度对冲刷给液电沉积镍层显微硬度的影响，结果见图2。由图2可知：随着阴极电流密度从1A/dm2增加到11A/dm2，显微硬度对应从2 789MPa增至4 022 MPa。不同阴极电流密度下所得镀镍层的微观结构，如图3所示。结合图3分析可知：阴极电流密度增加，阴极过电位增大［10］，新晶核的生成速率加快且生成几率提高［11］，而已成晶核的生长空间因受压缩导致长大进程减缓，故晶粒细化、结构致密，且结晶原子彼此间的结合力增强，从而增加晶界密度，抑制位错滑移，增大显微硬度；同时，电极反应进程加速，金属离子的沉积速率加快，可能出现少量的氢被夹杂于镀层中并渗透扩散的情况，造成内应力增大，宏观上表现为显微硬度提高。

图2 阴极电流密度对镀镍层显微硬度的影响

图3 不同阴极电流密度下所得镀镍层的微观结构

2.3 电解液温度的影响

在冲液速率2.2m/s，阴极电流密度3A/dm2，电解液pH值4.0的条件下，研究了电解液温度对冲刷给液电沉积镍层显微硬度的影响，结果见图4。由图4可知：尽管显微硬度随电解液温度的升高（35～50℃）呈现增大趋势，但就增幅（约为6.7%）而言，电解液温度对镀镍层显微硬度的影响不明显。分析认为，这主要是由正反两方面效应协同作用所致。具体来说，温度升高所带来的正面效应是：一定程度提高阴极极限电流密度，起到间接细化镀层晶粒的效果。但同时也会带来某些负面效应，如增强离子活性，加快电极反应进程，致使阴极过电位降低，单位面积内的成核点增多且新晶核的生长速率加快，易形成粗晶织构，弱化镀层的致密性。综合而言，随着电解液温度的升高，镀镍层的显微硬度微幅提高。然而，为尽可能避免因温度高造成电解液中水分蒸发过快，应控制电解液温度处于适宜范围。

图4 电解液温度对镀镍层显微硬度的影响

2.4 电解液pH值的影响

在冲液速率2.2m/s，阴极电流密度3A/dm2，电解液温度45℃的条件下，研究了电解液pH值对冲刷给液电沉积镍层显微硬度的影响，结果见图5。由图5可知：在冲液速率、阴极电流密度和电解液温度恒定的条件下，镀镍层的显微硬度在电解液pH值约为5.0时达到最大值，为3 350MPa。当电解液pH值小于5.0时，显微硬度随pH值的升高而增大。这可能是由于pH值升高，H＋的浓度降低，阴极面周围OH－的浓度却增大，导致形成少量的Ni（OH）2或碱式盐并夹杂于镀层中，一定程度增大显微硬度。但当电解液pH值大于5.0时，显微硬度未明显改变，基本保持在3 350MPa。

图5 电解液pH值对镀镍层显微硬度的影响

3 结论

（1）在其他工艺条件恒定的条件下，加快冲液速率、增加阴极电流密度均有利于提高冲刷给液电沉积镍层的显微硬度，但升高电解液温度对冲刷给液电沉积镍层的显微硬度影响微弱。

（2）控制电解液pH值介于特定区间，能够制得较高显微硬度的镀镍层。

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［3］QU N S，ZHU D，CHAN K C，et al.Pulse electrodeposition of nanocrystalline nickel using narrow pulse width and high peak current density［J］.Surface and Coatings Technology，2003，168（2）：123-128.

［4］王立平，肖少华，高燕，等.脉冲电流密度对电沉积纳米晶镍织构和硬度的影响［J］.电镀与精饰，2005，27（3）：40-42.

［5］王秀芝，于爱兵.超声波对镍镀层硬度的影响［J］.电镀与精饰，2007，29（3）：18-20.

［6］谭俊，吴迪，高玉琳，等.超声辅助喷射电沉积Ni镀层的表面形貌及硬度［J］.装甲兵工程学院学报，2011（4）：80-83.

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An Ⅰnvestigation on Microhardness of Nickel Coating Electrodeposited by Parallel Flushing Electrolyte

LⅠ Jia-ming， SHⅠ Zhong-feng， CAⅠ Cheng-xiang
（College of Chemistry and Chemical Engineering，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China）

The nickel coating was electrodeposited with electrolyte supplied in parallel flushing form.The influence law of flushing speed，cathode current density，electrolyte temperature and electrolyte pH value on the microhardness of the nickel coating was investigated.The results show that the microhardness of the nickel coating shows an obvious increasing trend with the increase of both flushing speed（0.6～2.2 m/s）and cathode current density （1～11A/dm2），and slightly increases with the increase of the electrolyte temperature（35～50℃），but presents a trend of increasing first and then stabilizing with the increase of the pH value of the electrolyte（3.5～5.5）.

microhardness；flushing speed；cathode current density；electrolyte temperature；electrolyte pH value

广西高等学校重点资助科研项目（201102ZD036）

TQ 153

A

1000-4742（2014）01-0013-03

2012-07-16