超声波对Ni-Co-Al2O3镀层性能的影响.pdf

2 0 1 5 年第4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 1 5 超声波对N i C o A 1 20 3 镀层性能的影响 张峻巍，苏建铭，王一雍，李艺，邵智聪 辽宁科技大学激光先进制造技术研发中心，辽宁鞍山1 1 4 0 5 1 摘要采用超声电沉积法在纯铜表面成功制备出性能良好的N i C o A l 0 。复合镀层，并讨论了超声波对 镀层性能的影响机理。结果表明，在适当的超声功率下，超声波主要是通过空化效应、射流效应等影响 提高镀层的沉积速率、硬度及耐蚀性；当超声功率过高时，超声波无益于提高镀层性能。 关键词N i ．C o A 1 。0 。复合镀层；超声波；空化效应；射流效应 中图分类号T B 3 3文献标志码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 f 2 0 1 5 0 4 一0 0 5 9 一0 4 E f f e c to fU l t r a s o n i co nP r o p e r t yo fN i C 0 - A 1 20 3C o a t i n g s Z H A N GJ u n w e i ，S UJ i a n m i n g ，W A N GY i y o n g L a s e rA d v a n c e dM a n u f a c t ur i n gT e c h n o l o g yC e n t e r ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yI ，i a o n i n g ，A n s h a n1 1 4 0 5 1 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t N i C o A 1 20 3c o m p o s i t ec o a t i n g sw e r ep r e p a r e db yu l t r a s o n i ce l e c t r o d e p o s i t i o no nc o p p e rs u r f a c e ． T h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i ce f f e c to np r o p e r t yo fN i C o A 1 20 3c o a t i n g sw a sd i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tu l t r a s o n i ci m p r o v e sd e p o s i t i n gr a t e ，h a r d n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o a t i n g su n d e rap r o p e r u I t r a s o n i cp o w e rv i ac a v i t a t i o ne f f e c ta n dj e te f f e c t ．U l t r a s o n i cf a i l st oi m p r o v ec o a t i n g ’p r o p e r t yw h e n u l t r a s o n i cp o w e ri st o oh i g h ． K e yw o r d s N i C o A 1 20 3c o m p o s i t ec o a t i n g ；u l t r a s o n i c ；c a v i t a t i o ne f f e c t ；j e te f f e c t 纳米复合镀层是利用纳米粒子的弥散强化作用 以及对晶粒长大的抑制作用，使得复合镀层的硬度、 耐蚀性等相比于传统镀层都有较为明显的改善，已 经被广泛应用于制造业、光电产业、运输业[ 1 。3 1 等。 如何实现纳米粒子在镀液中的充分分散就成为了制 备纳米复合镀层的关键。目前用于分散纳米粒子的 方法主要有两种超声振荡和机械搅拌[ 4 。7 ] 。相关文 献所报道的大多是关于镀层制备以及镀层性能方 面，而有关超声对镀层的影响方面的研究较少。超 声波具有空化效应和机械剪切效应，能够提高沉积 过程中的形核率，降低镀层的内应力，减少纳米粒子 团聚，从而提高镀层表面性能[ 8 _ 9 ] 。本文主要探讨超 声波对N i C o A l O 。复合镀层的表面形貌和性能的 影响。 1试验部分 1 ．1 试验原料及工艺条件 本试验以8 0m m 5 0m m 1 0m m 的镍板为 阳极，以2 0m m 1 5m m 2m m 的紫铜板为阴极． 所用纳米氧化铝的平均粒径为4 0n m 。基础镀液组 成 g ／L N i S O 。6 H 2O2 0 0 ～3 0 0 、C o S 0 4 7 H 2O 4 ～5 、N i C l 2 6 H 2 04 0 ～5 0 、H 3 8 0 32 0 ～4 0 、A 1 2 3 5 ～1 5 、十二烷基硫酸钠o ．0 4 ～0 ．0 6 。工艺参数 p H4 ．5 ～5 ．o 、电流密度2 ～5A ／d m 2 、电镀时间 收稿日期2 0 1 4 1 1 1 2 基金项目辽宁省科学技术计划资助项目 2 0 1 2 4 1 5 0 2 6 ；鞍山市科技计划资助项目 2 0 1 4 1 5 2 1 ； 辽宁省大学生创新创业项目 2 0 1 4 1 0 1 4 6 0 0 0 0 0 6 ；辽宁科技大学专项基金项目 2 0 1 2 R c 0 5 作者简介张峻巍 1 9 7 3 一 ，男，黑龙江人，博士，副教授． 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第4 期 4 0 ～6 0m i n 、温度4 0 ～6 0 ℃、搅拌速度2 0 0 ～3 0 0r ／ m i n 、超声功率1 6 0 ～3 2 0W 。 1 ．2 电镀工艺流程 主要设备有W Y J 一2 直流稳压电源、H J 一5 恒温 磁力搅拌器、K Q - 4 0 0 K O E 高功率数据数控超声波 清洗器。电镀工艺流程为打磨、碱洗 5 0g ／L N a 0 H ，2 0g ／LN a 2C 0 3 ，6 0 ～7 0 ℃，2 0 ～3 0m i n 、 水洗、酸洗 1 0 ％～1 5 ％H C l ，室温 、水洗、活化、水 洗、电镀。 1 ．3 测试与表征 采用J S M 一6 4 8 0 L V 型扫描电镜观察镀层的微 观形貌，结果如图1 所示。镀层的显微硬度采用 H X 一1 0 0 0 T M ／L C D 显微硬度仪测定 载荷9 ．8N ， 加载时间1 0 m i n ，每个试片测5 个点，取平均值 。 a 、 c 、 e 机械搅拌； b 、 d 、 f 超声振荡 图l 复合镀层的表面形貌 F i g ．1 S u r f a c em o r p h o l O g yo fc O m p o s i t ec o a t i n g s 万方数据 2 0 1 5 年第4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 采用P G S T A 3 0 2 电化学测试系统进行电位极化曲 线和交流阻抗的测试，铂片为辅助电极，2 3 2 型饱和 甘汞电极 S C E 为参比电极。腐蚀溶液为质量分数 3 ．5 ％的氯化钠溶液，温度为室温，扫描速率为 O ．0 9 99 7 5V ／s 。 2 结果与分析 2 ．1 超声波对镀层表面形貌的影响 从图1 可看出，N i C o - A l 。0 。复合镀层镀态呈浅 灰色，表面平滑，分布比较均匀，无明显缺陷。相比 于机械搅拌作用下的镀层，超声波作用下的镀层变 得更加致密，镀层中晶粒变得更为细小、均匀。这是 因为超声波的空化作用在一定程度上降低了电极表 面金属离子的还原位能，减小了临界晶核半径，提高 了形核率；另外，己经在阴极表面沉积的较粗大晶粒 也有可能被超声射流击碎成小晶核，甚至被剥离并 重新溶解到电解液中。 2 ．2 超声波对镀层沉积速率的影响 采用增重法测定镀层的沉积速度，计算公式 V 一△m ／ △￡S 式中，V 为镀层的平均沉积速度 c m 2 ／h ；△m 为电镀后镀件的增重 g ；S 为镀层所覆盖部分的表 面积 c m 2 ；△￡为沉积时间 h 。 当超声功率分别为0 、1 6 0 、2 4 0 、3 2 0W 时，镀层 沉积速率分别为1 9 8 ．3 5 、3 2 4 ．1 8 、4 2 5 ．0 0 、4 4 5 ．8 3 m g ／ h c m 2 。结果表明，镀层的沉积速率随超声 波功率的提高而提高，但沉积速率的增幅逐渐减小， 这说明超声对镀层沉积速率的影响在一定超声功率 范围内较为显著，而当超声功率超出这个范围时，进 一步增大超声功率将无助于镀液中粒子的沉积。这 是因为超声波的声射流可以降低浓差极化，强化扩 散传质过程，从而大幅度提高电沉积速度。但是当 超声功率达到足够大时，进一步提高功率只会使超 声的空化效应影响镀液中粒子在电极表面的沉积。 2 ．3 超声波对镀层硬度及耐蚀性的影响 当超声功率分别为o 、1 6 0 、2 4 0 、3 2 0w 时，镀层 硬度分别为3 0 5 ．3 3 、3 3 5 、3 7 8 ．6 7 、3 9 7 ．3 3H V 。可 见，镀层硬度随着超声功率的提高而提高。对于硬 度的提高主要来自两方面，一是由于超声功率的提 高改善了纳米粒子在镀液中的分散。更高的超声功 率使得纳米粒子在镀液中的分布更为均匀，促进了 纳米粒子的弥撒强化、位错强化以及应变强化，能够 有效地阻碍位错的滑移，提高了镀层硬度；二是超声 冲射流可以清洁和活化电极表面，加速电极反应，防 止阴极和阳极钝化，促进粒子的沉积，提高镀层的结 合力和镀层硬度。 图2 为镀层的极化曲线。 一1 8一 6一 ．4一J ．20 ．2 电康厂v 图2 不同超声功率下镀层的极化曲线 F i g ．2 P o I a r i z a t i 蚰c u r V eo fc o a t i n g 岫d 盯 d i f f e 弛n tu l t r 嬲O n i cp O w e r 由图2 可知，镀层的腐蚀电流随着超声功率的 提高逐渐降低，说明镀层的耐蚀性随着超声功率的 提高而增强。超声功率达到2 4 0W 后，当进一步提 高超声功率时，镀层的耐蚀性并没有较为明显的提 高。说明过高的超声功率无助于提高镀层的耐蚀 性。 图3 为镀层的交流阻抗。 36 l H 32 H 28 f H 24 I X C 2 【H X } 吣 I 乩H l2 Ⅲ 瑚X 舢X 图3 不同超声功率下镀层的交流阻抗 F i g ．3 A Ci m p e d a n c eo fc o a t i n g 岫d e r d i f f b r e n tu I t r a s o n i cp o w e r 从图3 可见，在不同超声功率下的阻抗曲线都 只有一个阻抗弧，而阻抗弧的半径不同，阻抗弧的半 径越大，说明镀层的阻抗越大，根据阻抗公式 R 一出7 s 可知，对同种物质，镀层的阻抗越大说明镀层越 厚，这与2 ．2 节的结论基本一致，即随着超声功率的 ≈ o 4 4 o ‘ 巧 、_ 翼 万方数据 6 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第4 期 提高镀层质量增加、镀层更厚、耐蚀性更强。 3结论 1 超声波通过空化效应和射流效应改善纳米粒 子在镀液中的分散，除去镀液中的有害气体和夹杂， 从而促进电沉积过程的进行，细化镀层晶粒，强化镀 层表面性能。 2 提高电镀过程中的超声功率有助于提高镀层 硬度及耐蚀性，但过高的超声功率无助于提高镀层 性能，最佳超声功率值在2 4 0W 左右。 参考文献 [ 1 ] 胡保全，牛晋川．先进复合材料[ M ] ．北京国防工业出 版社，2 0 1 3 4 1 0 ． [ 2 ] 陶杰，赵玉涛，潘蕾，等．金属基复合材料制备新技术导 论[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 7 1 7 ． [ 3 ] 金辉，王一雍，郎现瑞，等．纳米化学复合镀镍一磷一氧化 铝工艺[ J ] ．电镀与涂饰，2 0 1 4 ，3 3 3 1 1 5 1 1 7 ． [ 4 ] B e l t o w s k a _ L e h m a nE ，I n d y k aP ，B i g o sA ，e ta 1 ． s u r f a c e C o a t i n g sT e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 1 2 ，2 1 1 6 2 6 6 ． [ 5 ] P o u l a d iS ，S h a r i a tMH ，B a h r o l o l o o mME ．S u r f a c e C o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ，2 1 3 3 3 4 0 ． [ 6 ] 金辉，王一雍，亢淑梅，等．N i a A 1 o 。纳米复合电镀工 艺的优选及镀层的硬度和耐蚀性[ J ] ．材料保护，2 0 1 2 ， 4 5 1 2 3 0 一3 2 ． [ 7 ] 李渊，蒋良兴，倪恒发，等．锌电积用P b ／P b M n 0 。复合 电催化阳极的制备及性能[ J ] ．中国有色金属学报， 2 0 1 0 ，2 0 1 2 2 3 5 7 2 3 6 5 ． [ 8 ] 陈卫祥，涂江平，王浪云，等．铝合金上电沉积N i _ P - 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