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氨基磺酸盐镀镍的微观织构与硬度

放大字体  缩小字体发布日期:2012-11-23  浏览次数:844
核心提示:采用氨基磺酸盐镀液电沉积镍层,通过WLI,SEM,XRD和MHT对镀层的三维形貌、微观织构及硬度进行分析。
 

田 峰,姬清华

(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡学院,河南新乡453003)

摘要:采用氨基磺酸盐镀液电沉积镍层,通过WLI,SEM,XRD和MHT对镀层的三维形貌、微观织构及硬度进行分析。结果表明:在镀液中不舍添加剂的情况下,随着阴极电流密度的增加,镀层晶粒细化,但镀层致密性变差且硬度呈近似线性关系降低;镀液中加入适量添加剂后,镀层衍射谱特征和各晶面的择优取向度无明显改变,但在相同阴极电流密度下所得镀层的晶粒更加细小且硬度有所提高。

关键词:氨基磺酸盐;三维形貌;微观织构;硬度

中图分类号:TQ 153 文献标识码:A 文章编号:1000-4742(2012)04-0009-03

0前言

镍是电镀工艺中常用的金属之一,因其具有良好的综合性能,已被成功地用于火箭发动机喷管、破甲药型罩、精细金属滤网、微波器件和电解加工用电极等诸多功能性零部件的制造[1-2]。氨基磺酸盐镀液具有分散能力和均镀能力强、镀层内应力低等优点,是制备高质量镀层的首选镀液类型。本文采用氨基磺酸盐镀液电沉积镍层,并对所得镀层的三维形貌、微观织构及硬度进行分析。

1 实验

1.1镀液组成及工艺条件

Ni(NH2SO3)2·4H20 420 mL/L, H3BO3 37.5g/L, NiCl2·6H2O 6 g/L,pH值4.0,1~7 A/dm2,55℃。

1.2实验方法

采用双电极体系,阳极为电解镍板,阴极为紫铜片,阴阳极水平正对布置,间距为25 mm。阴极前处理工艺流程:粗磨—→精磨—→超声波除油—→稀盐酸溶液中浸洗5 min—→稀氢氧化钠溶液中浸洗5 min—→丙酮冲洗—→去离子水冲洗—→真空干燥。电镀后,将镀层与基体分离。

1.3性能检测

采用白光干涉仪( WLI)观察镀层的三维形貌。采用扫描电子显微镜(SEM)观察镀层的微观结构。采用X射线衍射仪( XRD)测试镀层的显微织构。采用显微硬度仪(MHT)测试镀层的硬度。

2 结果与讨论

2.1三维形貌

 


 

图1为在不同阴极电流密度下所得镀层的三维形貌。由图1可知:当阴极电流密度为3 A/dm2时,镀层上存在少量的缺陷,表面略有起伏,形态舒缓;当阴极电流密度为7 A/dm2时,镀层上几乎布满缺陷,表面高低起伏明显,呈现出峰谷交替的形态。其原因为:随着阴极电流密度的增加,阴极还原过程加快,消耗掉的Ni2+增多,但又难以及时得到补充,致使液相传质受限的可能性提高,析氢量增大,镀层表面的整平性变差。

 


 

2.2微观结构

图2为阴极电流密度对镀层微观结构的影响。

由图2可知:随着阴极电流密度从1 A/ dm2提高至7 A/dm2,镀层晶粒的平均尺寸由10 μm降至4μm,且晶粒分布趋于均匀。其原因为:随着阴极电流密度的增加,阴极过电位增大,晶核的生成速率加快而长大速率减慢[3],此时镀层的致密性明显变差。分析认为:针孔、积瘤等缺陷增多造成结晶位错出现的几率升高,是导致镀层微观结构随阴极电流密度增大明显恶化的原因所在。

在上述实验条件不变的基础上,加入0. 05 g/L十二烷基硫酸钠,所制得的四种镀层的微观结构,如图3所示。对比图2和图3可知:在阴极电流密度相同的条件下,加入适量添加剂后所得镀层晶粒更加细小、结构更加紧致。尽管如此,镀层微观结构随阴极电流密度的变化趋势仍未改变。

2.3 XRD谱图

图4为在不同工艺条件下所得镀层的XRD谱图。与PDF卡对照可知:两种镀层均有(111),(200),(311)和(400)四个晶面,最高强度衍射峰均为(200)面,呈现出几乎相同的面心立方结构。这说明添加剂对镀层衍射谱特征影响甚微。

进一步计算两种镀层各晶面的择优取向度(计算公式详见文献[4]),实验结果,如表1所示。由表1可知:添加剂对各晶面的择优取向度无明显影响,前后各晶面的择优取向度差别不大且都不高,镀层呈现无明显取向织构。这与文献[5]的研究结果几乎吻合。

 


 

2.4硬度

 


 

图5为阴极电流密度对镀层硬度的影响。由图5可知:随着阴极电流密度由1 A/dm2提高至

7 A/dm2,两种镀层的硬度均呈近似线性关系降低;在无添加剂的情况下,镀层硬度由3 100 MPa降至2540 MPa;在有添加剂的情况下,镀层硬度由3370MPa降至2 900 MPa。其原因为:随着阴极电流密度的增加,镀层上的缺陷增多,结晶位错的可能性增大,致使组织致密性变差,硬度降低。但相比而言,采用相同阴极电流密度,加入添加剂后所得镀层的硬度明显增大。一方面,添加剂吸附于阴极双电层紧密层内活性生长点上,占据Ni2+还原反应生长位置,抑制品核长大,细化晶粒,致使Ni2+还原后在结晶过程中的相互作用力增强,晶界密度增大,镀层致密性提高;另一方面,添加剂可能参与阴极反应而被还原,部分分解产物(如S,P等)夹杂于镀层品格空隙中,形成结晶的点或面缺陷,致使镀层产生夹杂应力,硬度增大[6]。

3 结论

(1)在镀液中不含添加剂的情况下,提高阴极电流密度能明显细化晶粒,但也会恶化镀层微观结构,降低硬度。

(2)适量添加剂对镀层衍射谱特征及各晶面的择优取向度无明显影响,但可进一步细化晶粒,同时增大硬度。

参考文献:

[1] Zhu D,Qu N S, Chan K C. Development of joint electroforming [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 63(1): 844-847.

[2] McGeoughjA, Leu M C, Rajurkar K P, et “al.Electroforming process and application to micro/macro manufacturing[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001, 50(2): 499-514.

[3]熊毅,荆天辅,喷射电沉积纳米晶镍的研究[J].电镀与精饰,2000, 22(5):1-4.

[4]杨防祖,黄令,许书楷,等.添加剂的整平能力及其对Cu电沉积层结构的影响[J].厦门大学学报:自然科学版,2003,42(1):56-59.

[5]Ye X P,Bonte M D,Celis J P.“al. Role of overpotential on texture, morphology and ductility of electrodeposited copperfoils for printed circuit board applications[J]. Journal of theElectrochemical Society,1992 ,139(6):1 592-1 600.

[6]王庆浩.铜镀层质量对电子雕刻的影响[J].电镀与环保,2009, 29(3):10-14.

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