电流密度对Ni-Fe合金镀层形貌及耐磨性的影响

赵亚亚， 王久胜， 李雪松＊

（1.长春工业大学 先进结构材料省部共建教育部重点实验室，吉林 长春 130012；2.吉林油田矿区燃气管理服务公司，吉林 松原 138001）

电流密度对Ni-Fe合金镀层形貌及耐磨性的影响

赵亚亚1， 王久胜2， 李雪松1＊

（1.长春工业大学 先进结构材料省部共建教育部重点实验室，吉林 长春 130012；2.吉林油田矿区燃气管理服务公司，吉林 松原 138001）

采用电沉积方法在钢基体表面制备Ni-Fe合金镀层。讨论了电流密度对镀层形貌及耐磨性的影响。结果表明：当电流密度为7A/dm2时，镀层表面均匀、细致，显微硬度高，具有较小的摩擦因数。

电沉积；Ni-Fe合金镀层；显微硬度；摩擦因数

0 前言

20世纪40年代，有人试图用Ni-Fe合金镀层替代镀镍层，但都处于探索阶段。在较长时间内Ni-Fe合金电镀发展迟缓。其原因在于铁是镀镍的有害杂质，铁的存在会使镀镍层出现针孔、龟裂、分层、发黑、脱落等现象。研究发现［1－3］：当镀液中镍与铁的比例超过一定范围，但不形成Fe（OH）3沉淀时，可以形成性能良好的Ni-Fe合金镀层。

Ni-Fe合金具有良好的防护性、耐磨性、装饰性和磁性，是一种优良的多功能材料［4－5］。相对于镀镍层，Ni-Fe合金镀层具有优良的整平作用，其厚度比亮镍镀层的薄20%～40%。另外，Ni-Fe合金镀层还具有优良的延展性，镀后可耐弯曲加工。

1 实验

1.1 实验材料

阴极采用低碳钢板，其尺寸为4mm×2mm×2mm；阳极采用电解镍板和纯铁分挂的方式。

1.2 实验设备

采用具有自动循环过滤的装置保证镀液的纯净和均匀。采用可自动控制的恒温水浴控制镀液温度。采用速度可控的阴极移动装置保持阴极试样在电解液中的相对移动。

1.3 镀液组成及工艺条件

硫酸镍 180g/L，硫酸亚铁 10g/L，氯化钠25g/L，硼酸40g/L，柠檬酸钠15g/L，光亮剂 A 3g/L，润湿剂 0.1g/L，光亮剂 B 0.5g/L，1～9 A/dm2，55～60℃，1h。

1.4 测试方法

（1）采用XRD衍射仪测试镀层的相结构。

（2）采用JSM-5600LV型扫描电镜观察镀层的表面形貌。

（3）采用HXD-1000型显微硬度仪测量镀层的显微硬度。

（4）在UNMT-1型力学综合测试系统上对镀层进行磨损试验。磨损试样的尺寸为1cm2，对磨试样为直径4mm的轴承钢淬火钢环。施加载荷为10N，总磨损时间为10min。

2 结果与讨论

2.1 镀层的相结构

图1为Ni-Fe合金镀层的XRD图。由图1可知：电沉积 Ni-Fe合金材料优先在（111）面和（200）面长大，主要是Fe原子进入到Ni原子的晶格中形成FeNi3相。

图1 Ni-Fe合金镀层的XRD图

2.2 电流密度对镀层表面形貌的影响

图2为不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的表面形貌。由图2可知：当电流密度较低时，镀层很薄，不能将基体完全覆盖，而且表面粗糙；随着电流密度的升高，镀层表面变得细致；当电流密度达到7A/dm2时，镀层表面均匀、细致、光亮，并且将基体完全覆盖；当电流密度大于7A/dm2时，镀层表面变得粗糙。在7A/dm2下晶核的形成速率较大，形成的晶粒较小，得到细晶镀层。在低电流密度下形核率低，晶粒生长较大，镀层表面不是十分均匀、细致；但电流密度过大时，沉积速率过快，在镀层表面容易出现局部烧焦及结瘤现象，也使得镀层表面变得粗糙［6］。因此，获得较好表面状态的Ni-Fe合金镀层的电流密度是7A/dm2。

2.3 电流密度对镀层显微硬度的影响

图3为不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的显微硬度。由图3可知：随着电流密度的增大，镀层的显微硬度不断升高；当电流密度达到7A/dm2时，镀层的显微硬度最大，达到4 850MPa；之后，随着电流密度的继续增大，镀层的显微硬度出现下降的趋势。当电流密度过低时，形核率低，晶粒生长较大，镀层表面不是十分均匀、细致，致使镀层的显微硬度降低；但电流密度过大时，沉积速率过快，镀层表面变得粗糙，也使得显微硬度降低。因此，当电流密度为7A/dm2时，镀层的显微硬度最大。

图2 不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的表面形貌

图3 不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的显微硬度

2.4 电流密度对镀层耐磨性的影响

图4为不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的摩擦因数随时间的变化曲线，载荷为10N，摩擦时间为10min。由图4可知：摩擦因数在初始摩擦阶段均出现快速增大的现象；等进入稳定摩擦阶段，摩擦因数达到一个稳定值，不再随时间的变化而变化。

图5为不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的摩擦因数曲线。由图5可知：随着电流密度的升高，镀层的摩擦因数呈现出先增大后减小的趋势；当电流密度为7A/dm2时，镀层的摩擦因数最低为0.65；当电流密度继续增大时，镀层的摩擦因数升高。当电流密度过低时，晶核成核速率慢，晶粒生长较大，镀层表面不是十分均匀、细致，致使镀层的摩擦因数增大；但当电流密度过大时，沉积速率过快，镀层表面粗糙，摩擦因数也相应增大。因此，当电流密度为7A/dm2时，镀层的摩擦性能最好，具有一个较小的摩擦因数。

图4 不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的摩擦因数随时间的变化曲线

图5 不同电流密度下所得Ni-Fe合金镀层的摩擦因数曲线

3 结论

（1）随着电流密度的升高，镀层结晶趋于均匀、细致，显微硬度升高。当电流密度达到7A/dm2时，镀层的形貌质量及性能达到最佳；随着电流密度进一步升高，镀层表面变得粗糙，晶粒大小也不再均匀，镀层的显微硬度也呈现出下降的趋势。

（2）随着电流密度的升高，镀层的耐磨性越来越好。当电流密度达到7A/dm2时，镀层的耐磨性最好，具有一个相对较低的摩擦因数。

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［1］LAN M M，ZHANG D Y，CAI J，et al.Fabrication and electromagnetic properties of bio-based helical soft-core particles by way of Ni-Fe alloy electroplating［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（24）：3223-3228.

［2］ULLAL Y，HEGDE C A.Electrodeposition and electrocatalytic study of nanocrystalline Ni-Fe alloy［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2014，39（20）：10485-10492.

［3］于金库，廖波，冯皓.电沉积Ni-Fe合金及其耐蚀性的研究［J］.材料保护，2002，35（2）：30-31.

［4］LIU Y C，ZHANG J M， YAN J K，et al.Direct electrodeposition of Fe-Ni alloy films on silicon substrate［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2014，43（12）：2966-2968.

［5］MYUNG N V，PARK D Y，YOO B，et al.Development of electroplated magnetic materials for MEMS［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，265（2）：189-198.

［6］于洋，陈吉，史艳华，等.电流密度对纳米晶Ni-Fe合金镀层性能的影响［J］.电镀与环保，2012，32（5）：11-14.

Effects of Current Density on the Morphology and Wear Resistance of Ni-Fe Alloy Coating

ZHAO Ya-ya1， WANG Jiu-sheng2， LⅠ Xue-song1＊
（1.Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Ministry of Education，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；2.Jilin Oilfield Mining Area Gas Management Service，Songyuan 138001，China）

Ni-Fe alloy coating was prepared on steel substrate by electrodeposition.Effects of current density on the morphology and wear resistance were discussed.Results showed that the coating obtained at 7A/dm2with uniform and compact surface，high microhardness and low friction coefficient.

electrodeposition；Ni-Fe alloy coating；microhardness；friction coefficient

TQ 153

A

1000-4742（2015）06-0012-03

2015-04-15