钴阳极电流密度对摩擦辅助双阳极电铸镍-钴合金的影响

章勇 ，钱双庆，付新峰

（1.沙洲职业工学院机电工程系，江苏 张家港 215600；2.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

镍-钴合金镀层具有良好的磁性、机械性和电催化性，被广泛应用于电子、计算机、汽车、储能装置、航空航天等领域[1-3]。镍-钴合金电沉积的影响因素主要有镀液pH、组成、温度，以及电流密度等。Ignatova等[4]研究了在柠檬酸盐体系中Ni2+和Co2+的浓度比对镍-钴合金镀层元素组成和相结构的影响，发现随镀液中Co2+浓度增大，合金镀层的Co含量和晶粒尺寸增大，呈现出面心立方(fcc)和六方密排(hcp)晶格的混合结构。Radadi等[5]采用酸性氨基乙酸体系电沉积镍-钴合金，研究了镀液中Ni2+/Co2+浓度比、氨基乙酸浓度、pH、电流密度和温度对电流效率和镀层Co含量的影响。

目前电沉积镍-钴合金所采用的阳极主要有以下3种：(1)只使用镍阳极，这种最常见，优点是无需关注镍阳极的溶解情况，根据镀液中钴离子的消耗情况补充钴盐即可，但实际上，镀液中钴离子浓度难以测定和维护[6-7]；(2)同时使用镍阳极和钴阳极，可通过调整两个阳极的电流密度来控制镀液中镍离子和钴离子的浓度，对镀层中Ni、Co含量的控制相对容易[8-10]；(3)使用镍-钴合金阳极，所得合金镀层的元素组成与阳极接近，但对镀层成分的控制能力有限。

采用游离微珠摩擦辅助电铸时，游离微珠能有效驱除吸附在阴极表面的氢气泡，并起到细化晶粒的作用，所得电铸层的力学性能相较于传统电铸工艺更优[11]。本文采用镍、钴双阳极，在游离微珠摩擦辅助下电铸镍-钴合金，并研究了所得电铸层的微观组织结构。

1 实验

1.1 电铸装置

如图1所示，使用面积相同的不含硫镍板和钴板作为可溶性阳极，对称放置在阴极两侧。阴极位于阴极框内，周围充满游离微珠，在电沉积过程中阴极通过转动而与游离微珠之间不断发生摩擦。阴极框内侧包裹一层纱布，以防游离微珠漏出；侧面开有小孔，有利于电解液的流动。

阴极为阶梯形不锈钢圆柱体，直径12 mm、长15 mm区域的外表面为电沉积区，小圆柱端作为引电部分，用703硅胶屏蔽两个端面及浸入镀液的非沉积区。游离微珠是平均直径为1 mm的陶瓷球，使用前用去离子水洗净，烘干后装于阴极沉积框中。

1.2 电铸工艺

阴极经抛光、去离子水洗后入槽，采用直流稳压电源在氨基磺酸体系中进行电铸，电铸液组成为：Ni(NH2SO3)2400 g/L，Co(NH2SO3)240 g/L，H3BO330 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L。镍阳极电流密度固定为4.0 A/dm2，钴阳极电流密度为1.0、1.7、2.4或3.1 A/dm2，温度为45 °C，通过控制电铸时间，得到厚度约为10 μm和30 μm的电铸层。

1.3 性能检测

采用HXS-1000A型数字式智能显微硬度计测量电铸层的显微硬度，载荷0.49 N，保荷时间10 s，每个样品取6个不同部位测量值的平均值。采用JSM-6510型扫描电子显微镜(SEM)观察电铸层的形貌。使用K-Alpha+型X射线光电子能谱仪(XPS)和Ultima IV型X射线衍射仪(XRD)分析镀层的组分。

2 结果与讨论

2.1 钴含量及显微硬度分析

从图2可以看出，当镍阳极电流密度固定为4.0 A/dm2时，随钴阳极电流密度从1.0 A/dm2升高到3.1 A/dm2，Ni-Co合金电铸层中钴的质量分数由59.09%增大到61.31%，但整体变化较小。Ni-Co合金电铸层显微硬度的变化与之相反，随钴阳极电流密度升高而下降。可能是因为钴阳极电流密度增大时，游离微珠对阴极的摩擦作用被弱化，晶粒细化作用减弱，致使镀层的显微硬度下降。

2.2 SEM分析

从图3可以看出，在不同钴阳极电流密度下电铸所得Ni-Co合金表面都较光滑、平整和细致，整体差别不大。Ni-Co合金表面都有明显的摩擦痕迹，表明在电铸过程中游离微珠对阴极表面有摩擦作用。相对而言，钴阳极电流密度为1.0 A/dm2时电铸所得Ni-Co合金的摩擦痕迹最多，晶粒较细，3.1 A/dm2时所得的Ni-Co合金表面摩擦痕迹最少，晶粒较大。这表明随着钴阳极电流密度增大，游离微珠对电铸层表面的摩擦减弱，晶粒呈略微增大的趋势，与显微硬度的变化趋势吻合。

2.3 XRD分析

从图4可知，在不同钴阳极电流密度下电铸所得的Ni-Co合金都呈现出2种相结构，即面心立方结构的α-Co(Ni)和密排六方结构的ε-Co(Ni)。随着钴阳极电流密度的升高，(111)晶面的峰强略降，而其他晶面的峰强变化不大。

3 结论

(1) 在镍阳极电流密度固定为4.0 A/dm2时，随钴阳极电流密度增大，Ni-Co合金电铸层的Co质量分数略增，显微硬度减小。

(2) 在电铸过程中，游离微珠对阴极表面有明显的摩擦作用。随着钴阳极电流密度的增大，Ni-Co合金电铸层表面摩擦痕迹减少，晶粒呈略微增大的趋势。

(3) 钴阳极电流密度对Ni-Co合金电铸层相结构的影响不大。在不同钴阳极电流密度下所得Ni-Co合金电铸层都含有面心立方和密排六方两种相结构。

(4) 钴阳极电流密度为1.0 A/dm2时，Ni-Co合金电铸层表面晶粒最细致、平整，Co质量分数为59.09%，显微硬度为623 HV。