电流密度对烧结钕铁硼电镀镍性能的影响

2022-08-02任黄威周军宗志芳项腾飞

电镀与涂饰 2022年13期

任黄威，周军，宗志芳，项腾飞, ,

（1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243002； 2.中钢天源股份有限公司，安徽马鞍山 243002； 3.安徽工业大学现代表界面工程研究中心，安徽马鞍山 243002）

钕铁硼(NdFeB)永磁材料是一种高性能的稀土材料，具备高剩磁、高矫顽力、高磁能积的特性，在航空航天、计算机、微波通信、医疗器械等领域得到广泛应用。但NdFeB的稳定性和耐蚀性差，在实际应用中受到限制[1-2]。

为了拓宽钕铁硼的应用领域，对其防护性能改善的研究越来越受重视[3]。例如采用合金化法调控材料的成分和组织，从而提高NdFeB磁体自身的磁性能和抗腐蚀能力[4-5]。近年来研究较多的是通过化学镀、电镀、涂覆有机物涂层、物理气相沉积等方法在NdFeB材料表面制备防护层，阻止其与外界腐蚀介质直接接触[6-9]。詹吟桥[10]采用AlCl3-EMIC(氯化1-乙基-3-甲基咪唑)-MnCl2离子液体于室温下在NdFeB基体上电沉积Al-Mn合金镀层，当Al-Mn镀层厚度≥6 μm时能够经受500 h中性盐雾腐蚀。Xu等[11]在NdFeB表面制备了丙烯酸树脂-纳米TiO2复合涂层，纳米TiO2的质量浓度为20 g/L时所得复合涂层的耐中性盐雾时间长达15 d。Xie等[12]在离子束辅助下在烧结NdFeB磁体表面直流磁控溅射得到Ti/Al多层膜，该多层膜表面比单层Al膜更致密、均匀，不仅阻止了腐蚀性介质进入磁体内部，还提高了磁体的硬度。

本文在钕铁硼磁体表面电沉积镍，研究了电流密度对镍镀层组织结构、结合强度和耐蚀性的影响，以期为钕铁硼材料更好地应用在国防、民生等领域提供理论支撑。

1 实验

1.1 样品

烧结钕铁硼样品由中钢天源股份有限公司(马鞍山)提供，尺寸为45 mm × 11 mm × 1 mm，其化学组成(以质量分数计)为：Nd 33%，Fe 61%，B 6%。阳极为99.9%的镍板。

1.2 电镀工艺

先在70 ℃下除油10 min，除油液组成为：氢氧化钠5 g/L，碳酸钠50 g/L，无水磷酸钠75 g/L，OP乳化剂0.5 g/L。接着依次用40 mL/L硝酸除锈、30 mL/L盐酸活化，再电镀Ni，电镀完超声波清洗，最后在60 ℃下烘烤1 h。

电镀Ni时，先在电流密度4 A/dm2下电沉积1 min，再在电流密度1.0、1.5、2.0或2.5 A/dm2下电沉积30 min。镀液组成和工艺条件为：六水合硫酸镍340 g/L，六水合氯化镍45 g/L，硼酸45 g/L，十二烷基苯磺酸钠(SDBS)0.1 g/L，pH ≈ 5，温度50 ℃。

1.3 性能检测

采用日本电子JSM-IT100多功能扫描电子显微镜(SEM)及附带的能谱仪(EDS)分析Ni镀层的表面形貌和元素组成。采用德国Bruker D8 Advance X射线衍射仪(XRD)分析Ni镀层的晶体结构。用XAN 310镀层测厚仪测量Ni镀层厚度，每个样品取3个不同位置的平均值。

采用WDW-10M微机控制电子式万能试验机测试磁体的结合强度，先用3M 2214胶黏剂将模具与样品表面粘接，测试过程的加载速率为0.5 mm/min，记录Ni镀层被剥离基体瞬间的拉力，按式(1)计算结合强度(P)。

式中F为Ni镀层被剥离基体瞬间的拉力(单位：kN)，A为Ni镀层的面积(单位：cm2)。

采用上海先达EX-2520-30充磁机对样品充磁至饱和，然后置于130 ℃的鼓风干燥箱中恒温2 h，取出冷却后采用北京金洋万达TA102E磁通计来测量样品的磁通量，按式(2)计算样品的磁损失(η)。

式中φ1为原始磁通量(单位：Wb)，φ2为老化后的磁通量(单位：Wb)。

采用上海辰华CHI660E电化学工作站测量不同样品在3.5% NaCl溶液中的塔菲尔(Tafel)曲线和电化学阻抗谱(EIS)，测量前将样品浸泡于测试液中2 h，以获得稳定的开路电位。采用三电极体系，铂电极、饱和甘汞电极(SCE)和被研究样品(暴露面积为1 cm2)分别作为对电极、参比电极和工作电极。Tafel曲线测量的扫描速率为1 mV/s。EIS谱图测试的正弦扰动信号为5 mV，频率范围为100 000 Hz至0.01 Hz。

2 结果与讨论

2.1 电流密度对Ni镀层组织结构的影响

从图1可知，随电流密度增大，磁体表面Ni镀层的致密性改善，在高倍率下观察呈立体的海星状结构。

图1 不同电流密度下所得Ni镀层的表面形貌 Figure 1 Surface morphologies of Ni coatings electroplated at different current densities

从图2可以看出，在不同电流密度下电镀所得Ni镀层的XRD谱图相似，均在2θ为44.5°、51.8°和76.4°处显示出Ni的特征峰，说明电流密度变化对Ni镀层晶体结构的影响不大。

图2 不同电流密度下所得Ni镀层的XRD谱图 Figure 2 XRD patterns of Ni coatings electroplated at different current densities

2.2 电流密度对Ni镀层厚度的影响

从图3可知，在电流密度1.0 A/dm2下电沉积所得Ni镀层的厚度为5.42 μm。随电流密度增大，Ni镀层的厚度增大，电流密度为2.5 A/dm2时Ni镀层的厚度达到11 μm。一般情况下，钕铁硼表面的防腐层厚度不宜超过15 μm，考虑到镀层内部及层间应力，镀层也并非越厚越好，在实际生产中应结合其他性能合理控制镀层厚度。

图3 电流密度对镍镀层厚度的影响 Figure 3 Effect of current density on thickness of nickel coating

2.3 电流密度对Ni镀层结合力的影响

一般而言，Ni镀层与钕铁硼磁体之间的结合强度在10 MPa以上即可满足绝大多数工业应用的需求。从图4可知，在电流密度1.0 A/dm2下所得Ni镀层的结合强度为9.34 MPa，已接近工业应用的要求。随电流密度增大，Ni镀层的结合强度显著增大。电流密度为2.0 A/dm2时，Ni镀层的结合强度为18.78 MPa。继续增大电流密度至2.5 A/dm2时，Ni镀层的结合强度略增至19.04 MPa。可见电流密度高于2.0 A/dm2时，增大电流密度对提高镀层结合强度的作用减弱。另外，电流密度过高时，阴极析氢反应加剧，边缘镀层容易出现肉眼可见的针孔。

图4 电流密度对镍镀层结合强度的影响 Figure 4 Effect of current density on adhesion strength of nickel coating

2.4 电流密度对镀镍NdFeB磁体不可逆磁损失的影响

从图5可知，电流密度为1.0 A/dm2时，镀镍NdFeB磁体的不可逆磁损失为5.41%。电流密度增大至1.5 A/dm2时，镀镍NdFeB磁体的不可逆磁损失降至1.55%，即耐温性显著提高。电流密度为2.0 A/dm2和2.5 A/dm2时，样品的不可逆磁损失相近。

图5 不同电流密度下所得Ni镀层在130 ℃下烘烤2 h后的不可逆磁损失 Figure 5 Irreversible magnetic losses of Ni coatings electroplated at different current densities after being treated at 130 ℃ for 2 hours

2.5 电流密度对Ni镀层耐蚀性的影响

从图6a和表1可以看出，在不同电流密度下电沉积后，烧结NdFeB的耐蚀性均提高。随施镀电流密度增大，Ni镀层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度减小，耐蚀性提高。电流密度为2.0 A/dm2和2.5 A/dm2时，所得Ni镀层的腐蚀电位接近，但后者的腐蚀电流密度更低，耐蚀性更佳。

表1 Tafel曲线拟合得到的不同样品的腐蚀参数 Table1 Corrosion parameters of different samples fitted from Tafel plots

从图6b可知，烧结NdFeB在3.5% NaCl溶液中的EIS谱图的半圆弧最小，耐蚀性最差。随电流密度增大，Ni镀层的EIS谱图半圆弧增大，在电流密度2.5 A/dm2下制备的Ni镀层的EIS谱图半圆弧最大，耐蚀性最佳，与Tafel曲线结果一致。

图6 不同电流密度下所得Ni镀层在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲线(a)和EIS谱图(b) Figure 6 Tafel plots (a) and EIS spectra (b) in 3.5% NaCl solution for Ni coatings electroplated at different current densities