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电流密度对紫铜基体电沉积Fe-W合金的影响

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-19  浏览次数:815

电流密度对紫铜基体电沉积Fe-W合金的影响

侯婷,郭志猛,王立生,方哲成

(北京科技大学粉末冶金研究所,北京100083)

[摘要]  针对目前Fe -W合金镀层中W含量较低致使镀层硬度不高的问题,通过电沉积法在铜表面沉积Fe -W合金,获得了一种W含量较高、表面致密且高硬度的非晶合金涂层。用SEM,XRD和EDS表征了镀层形貌、结构和成分,并测定了镀层的显微硬度。结果表明:不同电流密度下镀层均为非晶结构,形貌为圆球状颗粒;镀层厚10~100 pdm;随着电流密度增大,镀层中孔隙增多,其中W质量分数达57%~61%;电流密度为10 A/dm2时,镀层中孔隙较少,电流效率最高,显微硬度达最大值681 HV,此后随电流密度增大镀层显微硬度降低。

[关键词]Fe-W镀层;电沉积;紫铜;非晶合金;显微硬度

[中图分类号] TQ153.2   [文献标识码]A   [文章编号]1001-1560( 2011) 01 - 0016 - 03

0前言

铬镀层以其良好性能得到了广泛的应用。但镀铬电流效率较低,镀液分散能力和覆盖能力差。更重要的是,Cr(Ⅵ)是致癌物质,严重污染环境[1]。研究发现,Fe-W合金镀层可部分替代镀铬。

W的标准电位偏负,H在金属W上的过电位很小,W不能单独从含W的水溶液中沉积出来,只能和Fe族金属(Fe,Ni,Co) -起发生“诱导共沉积”[2]。通过诱导共沉积方法,选用适当的W原子比例可以获得性能优异的非晶或纳米晶Fe -W合金层[3]。针对目前Fe -W合金镀层中W含量较低致使镀层硬度不高的问题,本工作研究了紫铜基体上电镀Fe-W非晶合金的电沉积条件,探讨了较大电流密度范围(5~35 A/dm2)对镀层形貌、结构、成分、厚度、电流效率及显微硬度的影响。

1试验

1.1基材处理

基材为紫铜板,尺寸为62 mm×19mm×2 mm。前处理:在10%NaOH溶液中煮沸,清洗15 min;用角磨机

除去表面氧化皮等缺陷,于400 g/L NaN03溶液中(pH=5~9),电流密度为20 A/dm2下室温刻蚀5 min,去离子水冲洗,吹干,备用。

1.2  电镀Fe -W合金

电镀Fe -W非晶合金的镀液:65 g/L钨酸钠,60g/L酒石酸钾钠,80 g/L柠檬酸,45 g/L硫酸亚铁,2g/L抗坏血酸,0.02 g/L十二烷基磺酸钠。溶液配制:在烧杯中先加入适量的去离子水,再按比例、顺序加入各种物质,充分搅拌,使之完全溶解,用氨水调节镀液pH值至8。

阳极为不锈钢板。将前处理好的阴阳极置于70℃镀液中,施镀1h,电流密度范围为5~35 A/dm2。电源为TPR-3010D型直流电源。

1.3测试分析

用S-3500N型扫描电镜观察镀层表面的显微形貌,观察抛光后镀层截面形貌。用扫描电镜携带的能谱仪测定镀层成分。用Dmax - RC旋转阳极式X射线衍射仪[铜靶,λ= 0.15406 nm,管电压为40 kV,管电流为150 mA,步宽0.020,扫描速度9(o)/min,测量角度范围100 ~1000]测定镀层结构。用SJ 20129 - 92中的称重法(FA2004型电子天平,精度为0.1 mg)计算镀层厚度;用MH.6型显微硬度计测定镀层表面抛光后显微硬度。0.25 N恒定载荷下保载15 s,每个试样选5点测量后取平均值。

    电流效率λ的计算:

λ= λw+λFe=(ωw·ΔG/EwFe·ΔG/EFe)/(I·t)式中

ωw­——镀层中W的质量分数,%

WFe——镀层中Fe的质量分数,%

ΔG——镀层质量,g

Ew——W(Ⅵ)的电化当量,0.381×10-3 g/C

EFe ——Fe2+的电化当量,0.2894×10-3 g/C,

I——沉积电流,A

t——沉积时间,s

2 结果与讨论论

2.1  电流密度对镀层形貌的影响

不同电流密度下Fe -W镀层表面的SEM形貌见图1。从图1可看出,不同电流密度下镀层的形貌均为圆球状颗粒;电流密度不大于10 A/dm2时,镀层颗粒间结合紧密,镀层表面光洁平整;电流密度大于10 A/dm2后,镀层颗粒明显长大,同时伴随较多孔隙的产生,电流密度越大,颗粒间的圆形气孔越多,颗粒间结合较疏松。其原因可能是:电流密度过高时,电极表面反应粒子浓度已经很小,从溶液深处扩散来的反应粒子最容易到达一些表面微小突起的地方,这些地方扩散层厚度小,扩散空间场大,扩散传质速度快,而凹坑处则恰恰相反,所以电流密度过大时,颗粒迅速长大,电流密度较大时,电极电位大大负移,使得H+在阴极上放电析氢,造成镀层颗粒间结合疏松,孔隙较多[4]

图l  不同电流密度下Fe -W镀层表面的SEM形貌

图2为不同电流密度下镀层的截面SEM形貌。电流密度不大于10 A/dm2时,镀层截面致密性较好,且具有一定厚度(约22μm);电流密度大于10 A/dm2后,镀层厚度继续增加,但颗粒间孔隙较多较大,致密性大大降低,颗粒间结合力降低,部分镀层有脱落现象,造成这种现象的原因可能是,在电流密度增大到10 A/dm2的过程中,随电场力的增大,沉积速率提高,使镀层增厚且致密性提高;当电流密度继续增大时,产生大量H2,不仅使电流效率降低,同时阻碍颗粒在基体上的形核,已形核的颗粒严重长大。

图2不同电流密度下Fe-W镀层的截面SEM形貌

2.2  I也流密度对镀层结构及成分的影响

    图3为电流密度为5,20,35 A/dm2镀层的XRD谱。由图3可知,不同电流密度下镀层的结构均为非晶态。其原因可能是,Fe-W合金中,W原子半径较大,W原子的引入导致晶格畸变,当W达到一定含量,其造成的晶格畸变过大,破坏了晶体结构的长程有序性,从而形成了一种长程无序短程有序的非晶结构[5]

图3不同电流密度下镀层的XRD谱

镀层中W含量对镀层的性能有很大影响。图4为不同电流密度下镀层中的W含量。可见,镀层中的W含量随电流密度的变化差异不大,处于57%~61%内。

图4不同电流密度下镀层中的W含量

2.3  电流密度对镀层厚度及电流效率的影响

不同电流密度下镀层的厚度见图5。从图5可以看出,电流密度在5~35 A/dm2时,镀层厚度从10μm增加到100μn。

图5不同电流密度下的镀层厚度

图6不同电流密度下的阴极电流效率

  可见:电流密度为10,15,20 A/dm2时,电流效率较葛(37%左右)。电流密度为5 A/dm2时,电流效率较氐,因为此时电流密度较小,镀层很薄。电流密度为25l/dm2时,电流效率明显降低,因为此时电流密度较大,阴极副反应产生了较多H2;电流密度继续增大,电流效靼急剧降低,最小仅为21%。

2.4  电流密度对镀层显微硬度的影响

图7为不同电流密度下镀层的显微硬度。从图7可以看出,电流密度为10 A/dm2时镀层显微硬度达到最大值681 HV。电流密度为5 A/dm215 A/dm2时显致硬度值较高;电流密度大于15 A/dm2后镀层显微硬芝明显降低。这种现象可解释如下:电流密度为10A/dm2时,镀层已达到一定厚度,此时镀层孔隙率较小,电流效率较高,产生H2较少,镀层致密性较高,使镀层显微硬度达到最大;电流密度为5 A/dm2时,镀层厚度较薄,硬度受基体影响较大,但其致密性较高,故其显微硬度较高;电流密度为15 A/dm2时,镀层的孔隙率变大,但电流效率仍然较高,且镀层较厚,所以此时镀层显微硬度也较高;电流密度继续增大后,镀层虽然增厚,但是电流效率严重降低,孔隙率急剧增大,致密性变差,使硬度急剧减小。

图7不同电流密度下镀层的显微硬度

3结论

(1)制备的镀层表面均为圆球形颗粒,随电流密度增大,镀层颗粒长大,孔隙增多。镀层厚度为10~100μm。电流密度较小时,镀层平整、光洁致密,电流密度较大时,镀层粗糙,致密性降低。

(2) Fe-W合金镀层为非晶结构,其中W质量分数随电流密度增加变化不大,在57%~61%之间。

(3)电流密度为10 A/dm2时,镀层中孔隙较少,阴极电流效率最高,表面平整光洁,致密性较好且显微硬度达681 HV。

[参考文献]

[1]张景双,屠振密,安茂忠,代铬镀层的研究与应用[J].电镀与环保,2001,21(1):.4~7.

[2]詹厚芹,何凤娇,鞠辉,等,电沉积铁镍钨合金性能研究[J].材料保护,2008,12 (41):31~33.

[3]Tsyntsaru N,Bobanova J,Ye X,et al.Iron-tungsten alloyselectrodeposited under direct current from citrate-ammoniaplating baths [J]. Surface&Coatings Technology,2009,203(20,21):3136~3141.

[4]陈永言.电化学基础[M].天津:天津科学技术出版社.1999:128~129.

[5]周婉秋.电沉积镍-钨合金非晶化机理研究[J].沈阳师范学院学报(自然科学版),1997,I5 (2):37~42. [编校:段金弟]

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