交变磁场下脉冲电沉积镍-钴纳米合金镀层

黄志伟， 王 琳， 李云东， 卢汇洋

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封475004；2.蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠233030；3.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州450002）

0 前言

用电镀法制备的金刚石工具在使用过程中，镀层胎体材料对金刚石微粒起支撑和结合作用，它决定着金刚石微粒能否充分发挥切削作用。镀层性能应满足高硬度、高耐磨性和高韧性的要求。近年来，随着金刚石工具在超硬材料加工领域应用范围的扩大，对镀层性能也提出了更高的要求。普通镀层已经满足不了特殊领域的使用需求，造成镀层对金刚石微粒的把持力不足。在磨削过程中，容易造成金刚石松动脱落，降低了金刚石工具的使用寿命［1-4］。因此，改进镀层胎体材料的性能成了当务之急，同时提高镀层性能也一直是电镀科研的核心课题。

笔者在脉冲电镀镍-钴纳米合金镀层的过程中引入垂直于离子沉积方向的外加交变磁场，并对所得镀层的微观形貌、性能进行了观察与测试，为制备出性能优异的电镀制品及其金刚石工具提供一种新途径。

1 实验

1.1 实验材料及仪器

镀槽用PVC 焊条焊接塑料板材制成。阳极采用纯度为99.9%的镍板，阴极采用30＃钢板。

其他设备：SMD-120 型数控双脉冲电镀电源，交流电磁铁，HVST-1000Z 型显微硬度计，QUANT200型扫描电子显微镜，DX-2800 型X 射线衍射仪，AZ8685型pH值测试仪，BWD-3K320B型温度指示控制仪。

1.2 电镀工艺规范

采用Watt型镀液，通过脉冲电沉积获得镍-钴纳米合金镀层，并利用外加交变磁场提高镀层质量。具体规范为：NiSO4·7H2O 290～310g／L，NiCl2·6H2O 40～50g／L，CoSO4·6H2O 2～14g／L，糖精3～5g／L，H3BO335～45g／L，十二烷基硫酸钠0.05g／L，pH值3.0±0.1，电流导通时间Ton=2 ms，电流断开时间Toff=30ms，电极间距6～8cm，温度（60±1）℃，峰值电流密度Jp=110A／dm2，平均电流密度Jm=6A／dm2。所有试剂均为分析纯，用蒸馏水配制。

1.3 磁场装置

实验所用的交变磁场来自自制的电磁线圈，匝数5 300，铜线直径0.1mm，共10层。实验中磁场强度的相对大小用线圈两端的电压来表示。磁力线分布与金属离子的沉积方向垂直，有利于影响离子的沉积状态，实现晶粒生长的抑制。

1.4 试样制备流程

1.5 测试方法

采用HVST-1000Z型显微硬度计测定镀层的显微硬度，载荷为250g，加载12s。取6个较分散的点进行测定，求出平均值作为测试结果。采用扫描电镜和X 射线衍射仪分析镀层的表面形貌和微观结构。

2 结果与讨论

2.1 外加交变磁场对镀层微观形貌的影响

图1为有、无外加交变磁场影响下所得镀层的微观形貌。图1（a）中晶胞直径大都在5μm 左右；而图1（b）中虽然大的晶胞直径较大（超过10μm），但其中进一步细化的晶胞直径大都在1μm 左右。 图2为不同外加交变磁场电压下所得镀层的微观形貌。图2（b）所示镀层较图2（a）所示镀层平整，且其晶界内部有进一步细化的趋势，但不是很明显。图2（c）所示镀层的晶界较为明显，其晶界内部进一步细化的趋势又较图2（b）所示镀层的明显。图2（d）所示镀层又较为平整，其晶界不明显，表明其单位面积晶胞数量减少，晶粒有粗化趋势。

图1 有、无外加交变磁场影响下所得镀层的微观形貌

这种变化与外加交变磁场对离子沉积状态的影响有关。制备镍-钴纳米合金镀层的过程中引入磁场后，洛伦兹力在镀液中产生的磁流体力学改变了离子的沉积速率［5］，这种磁流体力学效应的宏观效果就是镀液被搅拌。在外加磁场作用下，镀液中的阳离子在电场力与磁场力的双重作用下，运动轨迹发生了变化。在离子沉积的过程中，受电场力的大小和方向不变，但受磁场力的大小和方向均发生变化，离子改变了正常的沉积状态，做近似曲线运动，如图3所示。当外加磁场强度增加到一定程度时，离子的沉积速率变大，离子沉积时对镀层生长层的冲刷作用使阴极晶粒的形核率大于生长率，致使晶粒得到细化，如图3（c）所示。

2.2 外加交变磁场对镀层显微硬度的影响

图4为不同外加交变磁场电压下所得镀层的显微硬度。由图4可知：随着外加交变磁场电压的增加，镍-钴纳米合金镀层的显微硬度增大；当外加交变磁场电压增加到150V 时，镍-钴纳米合金镀层的显微硬度达到最大值；之后，随着外加交变磁场电压的继续增加，镀层的显微硬度下降；当外加交变磁场电压增加到200V 时，镍-钴纳米合金镀层的显微硬度比无磁场时的还要低。

图3 在磁场作用下离子的沉积状态分析

图4 不同外加交变磁场电压下所得镀层的显微硬度

由于金属离子的沉积受电场力和磁场力的双重作用，在磁场强度不大的时候，减少了金属离子在洛伦兹力下对沉积层的冲刷作用，所以此时沉积状态相对于无磁场时的变化不大。当磁场强度增大时，由于金属离子在受到洛伦兹力作用时已经有了很大的初速度，那么周期变化的磁场力对其运动状态的改变就不是很明显了，离子冲刷沉积层表面，抑制晶粒的生长，达到了细化晶粒的作用，此时镀层的显微硬度明显增大。当磁场强度继续增大时，沉积离子对沉积层的冲刷加剧，抑制了晶核的生长与形核，同时由于金属离子此时难以沉积，造成阴极电流密度增大，电极极化现象严重，最终导致镀层粗化，显微硬度明显下降。

选取无外加交变磁场影响下制备的镀层与外加交变磁场电压为150V 时制备的镀层作为样品，做XRD 分析，结果如图5所示。由图5可知：引入外加交变磁场后，镀层的晶粒结构没有发生变化，都为面心立方结构；衍射峰明显宽化，晶粒尺寸减小，约为原来的60%。

图5 镍-钴纳米合金镀层的XRD 谱图

3 结论

（1）在脉冲电沉积镍-钴纳米合金镀层的过程中引入垂直于离子沉积方向的外加交变磁场，可以细化镀层晶粒，使镀层表面平整、致密，镀层的显微硬度先增大后减小。当外加交变磁场电压为150V时，镀层的显微硬度达到最大值，为6 320 MPa。

（2）引入外加交变磁场后，镀层的晶粒结构没有发生变化，都为面心立方结构；衍射峰明显宽化，晶粒尺寸减小，约为原来的60%。

［1］郭鹤桐，张三元.复合镀层［M］.天津：天津大学出版社，1991.

［2］王秦生.超硬材料及制品［M］.郑州：郑州大学出版社，2006.

［3］黄志伟，卢汇洋，李立波，等.金刚石工具中金刚石与胎体结合力的提高方法［J］.金刚石与磨料磨具工程，2007（3）：15-17.

［4］黄志伟，刘文生，卢汇洋，等.电镀金刚石工具的改进研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2007（5）：27-30.

［5］NIKOLIC N D，WANG H，CHENG H，etal.Influence of the magnetic field and magnetoresistance on the electrodeposition of Ni nanocontacts in thin films and microwires［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2010，272：2436-2438.