富玉竹, 佟伟平
(1.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁 沈阳110819;2.辽宁石化职业技术学院,辽宁 锦州121001)
烧结NdFeB磁体具有很高的饱和磁化强度,它是高科技领域中的重要功能材料[1]。但是烧结NdFeB磁体极易发生腐蚀,这使得其应用范围受到限制[2-4]。为了解决磁体耐蚀性差的问题,本文采用电镀的方法对烧结NdFeB磁体进行防护。
采用牌号为N35 的烧结NdFeB 磁体,规格为1.8cm×0.9cm×0.4cm。
HH-S21型恒温数显水浴锅,KQ-220DC型超声波清洗仪,AL204型电子天平,JHS型电子恒速搅拌机,直流电源,HX-700型维氏显微硬度仪,X’Pert Pro PW3040/60型X 射线衍射分析仪,Leica DM/T-400型金相显微镜,西门子SSX-500型扫描电镜。
硫酸亚铁400~450g/L,氯化钠200~230 g/L,硫酸4.5~5.5g/L,7A/dm2,70~95℃。
阳极采用高纯铁(纯度不小于99.99%),阴极为烧结NdFeB磁体。阳极不断地失去铁原子,而阴极不停地得到铁原子。本实验中,选择双阳极电镀,即阴极周围有两个阳极。这样可以保证磁体的两个面都有均匀的镀层,避免了磁体不同面上镀层厚度不均的现象。实验装置如图1所示。
(1)在金相显微镜上对样品进行横截面金相显微组织观察;利用扫描电镜观测样品的组织形貌。
(2)根据《轻工产品金属镀层和铝氧化膜的厚度测试方法》(GB 5928—1986),采用测重法测量镀层的厚度,再计算其沉积速率。
(3)根据《轻工产品金属镀层的硬度测试方法》(GB 5934—1986),采用显微硬度法测量镀层和基体的显微硬度。
(4)根据《轻工产品金属镀层和化学处理层的耐腐蚀试验方法》(GB 5938—1986),采用中性盐雾试验法对试样的施镀部分进行腐蚀,测定腐蚀速率。
(5)根据《轻工产品金属镀层的结合强度测试方法》(GB 5933—1986),采用锉刀法和弯曲法定性检测镀层的结合强度。
图1 实验装置示意图
图2为温度对镀层沉积速率的影响。由图2可知:随着温度的升高,镀层的沉积速率逐渐增大。这是由于镀铁液的温度越高,Fe2+的运动速率和离子扩散速率加快,阴极极化作用降低,这样有利于铁的析出,因而镀铁层的沉积速率增大。
图2 温度对镀层沉积速率的影响
图3为不同温度下所得镀层的SEM 照片(×100)。由图3可知:当温度为70℃时,镀层表面比较光滑,胞状体较少;当温度为80℃时,镀层粗糙,而且胞状体增多;当温度为90℃时,镀层表面沟痕凸显,胞状体明显增多;当温度达到95℃时,胞状体数量较90℃时的显著增加,表面粗糙不平。可见,低温时容易得到致密性好、表面光滑的镀层。
图4为温度对镀层显微硬度的影响。由图4可知:随着温度的升高,镀层的显微硬度下降。这是由于温度升高时,吸附在镀层表面的原子态氢渗入晶格的量减少,使镀层晶格畸变减弱、位错密度减小,即晶格畸变和位错强化作用随温度的升高而减弱。
图3 不同温度下所得镀层的SEM 照片(×100)
图4 温度对镀层显微硬度的影响
图5为不同温度下所得镀层的XRD图。由图5可知:(110)衍射峰远高于(200)和(211)衍射峰。随着温度的升高,(200)和(211)衍射峰的峰值逐渐减弱,而(110)衍射峰的峰值逐渐增大。这说明随着温度的升高,晶粒的生长存在择优取向,晶面的择优取向为(110)。
图5 不同温度下所得镀层的XRD图
图6为温度对晶粒尺寸的影响。由图6可知:当温度为70℃时,(110)、(200)和(211)衍射面的晶粒尺寸分别为19nm、14nm 和13nm;当温度升至80℃时,三个面上的晶粒尺寸分别为25nm、19nm和17nm。随着温度的升高,这三个衍射面的晶粒尺寸有逐渐增大的趋势。
图6 温度对晶粒尺寸的影响
图7为不同温度下的刻刀形貌。由图7可知:当温度为80℃时,刻痕周围和交叉处基体均无起皮现象,说明结合力非常好;当温度为70℃时,刻痕及刻痕交叉处的基体稍微有局部起皮现象;当温度为90℃和95℃时,刻痕周围的基体无起皮现象,但刻痕交叉处基体有少量的起皮。在刻刀试验中,温度为80℃时,镀层的结合力最好。
图7 不同温度下的刻刀形貌
将镀铁层加热到500℃,保温一段时间后,再在20~30℃的水中激冷至室温,取出试样进行观察,均无起皮脱落现象。这说明镀层的结合力都比较好。反复将镀铁层加热、水激冷20次,80℃下得到的镀层均不起皮脱落。
图8为不同温度下所得镀层的孔隙率。由图8可知:随着温度的升高,镀层的孔隙率呈上升趋势。当温度为70℃时,镀层的孔隙率最低;当温度为80℃时,隙率增大到1个/cm2;当温度为90℃时,孔隙率为2个/cm2;当温度达到95℃时,孔隙率变为4 个/cm2,增加的幅度较大。因此,在电镀铁过程中,提高镀液的温度使沉积速率适中,有利于镀铁层的形成。而温度过低,使沉积速率过低,晶核成长速率过慢,不利于镀铁层的形成,也会导致镀铁层的孔隙率升高。所以电镀铁时应对镀液温度的下限有所控制。
图8 不同温度下所得镀层的孔隙率
图9为不同温度下所得镀层在3.5%的NaCl溶液中的腐蚀速率。由图9可知:70℃下所得镀层在NaCl溶液中放置一段时间后,腐蚀严重,镀层表面被腐蚀出密密麻麻的细小裂纹;随着温度的升高,裂纹数量有所增加,但并不明显;当温度为90℃时,表面坑坑洼洼,腐蚀较严重;当温度继续升至95℃时,镀铁层表面已经被腐蚀出许多小孔洞。可见,随着温度的升高,镀层的耐蚀性逐渐变差。这是由于随着温度的升高,晶粒逐渐粗化,孔隙率逐渐增加,表面变得越来越粗糙,从而造成耐蚀性越来越差。镀铁层本身在3.5%的NaCl溶液中的耐蚀性就很差。这是由于与盐水形成原电池造成的。所以镀铁层的耐蚀性并不好,但比原磁体的耐蚀性要好很多,说明镀铁层能提高耐蚀性,可以对镀铁层进行后期处理来提高磁体的耐蚀性。
图9 不同温度下所得镀层的腐蚀速率
随着温度的升高,沉积速率逐渐增大,显微硬度逐渐减小,孔隙率逐渐升高,晶粒逐渐粗化,表面越来越粗糙,结合力先增大后减小。
[1]CHANG K E,WARREN G W.The electrochemical hydrogenation of NdFeB sintered alloys[J].Journal of Applied Physics,1994,76(10):6262-6264.
[2]SCHULTZ L,BARKLEIT G,MUMMERT K,etal.Corrosion behaviour of Nd-Fe-B permanent magnetic alloys[J].Materials Science and Engineering,1999,267(2):307-313.
[3]KIM Y B,KIM M J,YANG J H,etal.Effects of Nd/Fe ratio on the microstructure and magnetic properties of NdFeB thin films[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2001,234(3):489-493.
[4]MA Y G,LI R S,YANG Z,etal.Effects of additive elements(Cu,Zr,Al)on morphological and magnetic properties of NdFeB this films with perpendicular magnetic anisotropy[J].Materials Science and Engineering:B,2005,117(3):287-291.