用于电子行业的高铁Fe-Ni合金制备工艺参数优化

2018-10-09

电镀与环保 2018年5期

（四川汽车职业技术学院机电工程系，四川绵阳621000）

0 前言

Fe-Ni合金具有优良的磁性能和较低的热膨胀系数，常被用作集成电路引线框架材料和电子封装材料等。采用电沉积工艺制备Fe-Ni合金，具有成本低、工艺可控、合金成分容易调节等优点[1-2]。

Fe的质量分数是影响Fe-Ni合金磁性能和热膨胀系数的重要因素。研究发现：当Fe的质量分数达到64%左右时，Fe-Ni合金在弱磁场中具有很高的磁导率和较低的矫顽力，并且具有极低的热膨胀系数[3]，能在很宽的温度范围内保持固定长度。因此，Fe-36%Ni合金在电子行业中有重要的应用价值。

工艺参数对Fe-Ni合金中Fe的质量分数有很大的影响。本文采用单一变量法研究了工艺参数对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响，目的是获得形貌良好的高铁Fe-Ni合金。

1 实验

1.1 实验材料及镀液配方

以纯镍板为阳极，以铜板为基体。阳极经超声波除油后用阳极袋包裹。基体经打磨、抛光、碱洗、酸洗、漂洗后，干燥备用。

采用两种镀液配方。配方A：硫酸镍200 g/L，氯化镍20 g/L，硫酸亚铁55 g/L，硼酸35 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，糖精2 g/L。配方B：硫酸镍200 g/L，氯化镍20 g/L，硫酸亚铁55 g/L，硼酸35 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，糖精2 g/L，抗坏血酸2 g/L，柠檬酸钠35 g/L。

1.2 实验仪器

PS-305D型直流稳压电源，YM-100S型超声波清洗机，B11-3型恒温恒速磁力搅拌器，ES410型电子分析天平，JSM-6390A型扫描电子显微镜，EDXLE型X射线能谱仪。

1.3 实验过程

经过处理的阳极和基体分别用阳极夹具和阴极夹具固定，浸在镀液中，阳极和基体直立正对放置。调整好阳极与基体的间距后，对镀液进行加热并搅拌。

采用单一变量法研究镀液配方、电流密度、镀液温度、镀液pH值和搅拌速率对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。电沉积工艺参数为：电流密度1.0～2.5 A/dm2，镀液温度40～55℃，镀液pH值2.0～3.5，搅拌速率50～200 r/min。

1.4 性能测试

采用JSM-6390A型扫描电子显微镜观察Fe-Ni合金的形貌。

采用EDX-LE型X射线能谱仪测试Fe-Ni合金中Fe的质量分数。

2 结果与讨论

2.1 镀液配方对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

表1为镀液配方对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。由表1可知：采用配方B电沉积得到的Fe-Ni合金中Fe的质量分数较高，达到51.06%。这说明向镀液中添加适量的稳定剂和配位剂对提高Fe-Ni合金中Fe的质量分数有利。

表1 镀液配方对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

由于稳定剂和配位剂增强了Fe2+的抗氧化能力，一定程度上抑制了Fe2+的非正常消耗[4]，使镀液中Fe2+的质量浓度维持在较高水平，保证较多的Fe2+能在基体上沉积，所以对提高Fe-Ni合金中Fe的质量分数有利。

2.2 电流密度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

图1为电流密度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。由图1可知：Fe的质量分数随电流密度的增加而降低。当电流密度为1.0 A/dm2时，Fe的质量分数达到最高值，为52.83%。但当电流密度为2.5 A/dm2时，Fe的质量分数最低，为38.46%。

图1 电流密度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

由于Ni的标准电极电位与Fe的标准电极电位接近，所以能共沉积，但Fe-Ni共沉积属于异常共沉积[5]。研究发现：Fe2+的放电速率对Fe-Ni合金中Fe的质量分数有较大的影响。而Fe2+的放电速率取决于基体附近Fe2+的质量浓度，Fe2+的质量浓度主要受到扩散过程影响。当电流密度较低（0.5 A/dm2）时，基体附近Fe2+的质量浓度维持在较高水平，Fe优先沉积，因而Fe-Ni合金中Fe的质量分数高。但随着电流密度的增加，Fe2+的放电速率加快。由于受扩散过程的影响，导致基体附近Fe2+的质量浓度下降，从而造成Fe-Ni合金中Fe的质量分数降低。因此，电流密度选择1.0～1.5 A/dm2较合适。

2.3 镀液温度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

图2为镀液温度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。由图2可知：Fe的质量分数随镀液温度的升高而降低。当镀液温度为40℃时，Fe的质量分数最高，为52.83%。但当镀液温度为55℃时，Fe的质量分数最低，为39.62%。

图2 镀液温度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

镀液温度对Fe-Ni合金中Fe的质量分数有较大影响。其主要原因为：（1）镀液温度较低时，Fe2+的氧化被抑制，镀液中Fe2+的质量浓度维持在较高水平。但随着镀液温度的升高，氧化导致Fe2+的非正常消耗增多[6]，造成镀液中Fe2+的质量浓度下降，Fe沉积时的电流效率降低。（2）镀液温度较低时，受电泳效应和驰豫效应的影响，Fe2+的扩散速率比Ni2+的扩散速率快，Fe优先沉积，所以Fe-Ni合金中Fe的质量分数更高。但随着镀液温度的升高，电泳效应和驰豫效应减弱，Ni2+的扩散速率加快，单位时间内更多的Ni2+扩散到基体附近并在基体上沉积。虽然Fe2+的扩散速率更快，但由于镀液中Fe2+的质量浓度明显低于Ni2+的质量浓度，所以Fe-Ni合金中Fe的质量分数降低。因此，镀液温度控制在40～45℃较合适。

2.4 镀液pH值对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

图3为镀液pH值对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。由图3可知：Fe的质量分数随镀液pH值的升高而升高。当镀液pH值为3.5时，Fe的质量分数达到最高值，为54.09%。

图3 镀液pH值对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

镀液pH值升高，基体表面容易形成Fe（OH）2膜层，减缓了Ni2+的放电速率，但加快了Fe2+的放电速率，相当于促进Fe沉积并抑制Ni沉积[7]，所以Fe的质量分数随镀液pH值的升高而升高。但当镀液pH值过高时，会造成镀液成分不稳定，使Fe-Ni合金的质量变差。当镀液pH值太低时，析氢严重，电流效率较低，严重影响Fe-Ni合金的质量。因此，镀液pH值控制在3.0左右较合适。

2.5 搅拌速率对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

图4为搅拌速率对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响。由图4可知：Fe的质量分数随搅拌速率的增大而升高。当搅拌速率为50 r/min时，Fe的质量分数最低。当搅拌速率增大到200 r/min时，Fe的质量分数达到最高值，为53.76%。

图4 搅拌速率对Fe-Ni合金中Fe的质量分数的影响

Fe2+的质量浓度主要受扩散控制影响。随着搅拌速率的增大，一定程度上促进传质过程，加快Fe2+向基体附近扩散，补充基体附近被消耗的Fe2+，从而加快Fe沉积。另外，搅拌速率增大使镀液的流动加快，有利于氢气泡从基体表面快速脱离，使Fe更容易沉积，从而提高Fe-Ni合金中Fe的质量分数。然而，搅拌速率并非越大越有利。搅拌速率过大反而会使更多的空气溶入镀液中，加快Fe2+氧化。因此，搅拌速率选择100～150 r/min较合适。