Fe-36％Ni軟磁合金電沉積條件的研究.pdf

關(guān)鍵詞： 合金電鍍；Fe—Ni軟磁性合金；薄膜

中圖分類號： TGI32．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001—9731(2007)O1—0032—04

1 引 言

Fe-36 %Ni磁性合金，也稱因瓦合金，其鎳含量為35 %～37 %。這種材料不僅具有軟磁材料的一般性能，而且具有高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)的特性，因此它作為磁性材料或低膨脹合金廣泛用于電子設(shè)備的電磁屏蔽膜以及多種電子元器件和儀器、儀表的工業(yè)生產(chǎn)中，已成為新材料和高技術(shù)的重要組成部分。

Fe-36 %Ni磁性合金的制備方法包括冷塑性變形、真空蒸鍍、濺射成膜、熔煉鑄造法、雙輥超急冷法等，但國內(nèi)外目前尚未見到用電沉積法制備Fe-36％Ni磁性合金薄膜的報道，大多集中于鎳含量為70%～80%和1%～10%的Fe-Ni合金電沉積研究^[2,3]。本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計優(yōu)化Fe-36%Ni合金電沉積條件，研究工藝參數(shù)對合金成分的影響及規(guī)律，不僅具有很高的科學(xué)研究價值，而且為開發(fā)Fe-36%Ni合金箔的連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)提供重要的參考。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2．1  Fe-Ni合金電鍍工藝參數(shù)

參考相關(guān)電鍍Fe-Ni合金的工藝參數(shù)^[4,6]，選擇150～200g／L硫酸鎳，80～120g／L硫酸亞鐵，30～40g／L硼酸，15~25g／L氯化鈉，40～55g／L穩(wěn)定劑C，2~3g／L添加劑D，pH值2.5～4.0，電流密度(D_c)2～8A／dm²，溫度(T)50~60℃ ，電鍍時間(t)10min。

2．2 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計

用正交試驗(yàn)法對影響電沉積Fe-Ni合金成分的Fe²⁺／Ni²⁺摩爾比、鍍液pH值、電流密度和鍍液溫度等4個因素各取3個水平，如表1所示。本試驗(yàn)選用L₉(3⁴)正交設(shè)計方案，以Fe-Ni合金化學(xué)成分為考察目標(biāo)，并考慮到薄膜的外觀質(zhì)量。

2．3 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

選用不銹鋼板為陰極材料，鈦板為陽極材料。單面電鍍一定時間后剝離薄膜待用；pH值由pHS-25型酸度計測量；電流由PAB18-3A型直流電源提供；鍍液溫度由DSY-2電子恒溫水浴鍋控制；用Zakeshore480型磁通儀測量薄膜的磁滯回線；薄膜中鐵、鎳含量由EDS測定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3．1 Fe-36 9，6Ni合金電沉積工藝的優(yōu)化

通過正交試驗(yàn)，用極差法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得

到優(yōu)化后的電沉積工藝參數(shù)為：n(Fe²⁺)：n (Ni²⁺ )=0.55；pH=3．5；電流密度D_e為6A／dm²；溫度T為60～65℃ 。

同時由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，各因素對薄膜中鐵含量的影響大小順序?yàn)椋簆H>n(Fe²⁺)：n(Ni²⁺ )>D^e>T。

3．2 工藝因素對Fe-36%Ni合金成分的影響

在上述優(yōu)化工藝其它條件不變的情況下，進(jìn)行單因素的試驗(yàn)，研究各工藝參數(shù)對Fe-36%Ni磁性合金成分及表面質(zhì)量的影響和作用規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化組合Fe-36% Ni磁性合金電沉積的最佳工藝。

3．2．1 Fe²⁺／Ni²⁺摩爾比的影響

改變鍍液中Fe²⁺／Ni²⁺摩爾比可得到不同成分的Fe-Ni磁性合金。隨著Fe²⁺／Ni²⁺離子濃度比的增加，合金鍍層中的鐵含量呈增加趨勢。這是因?yàn)镕e-Ni合金的電沉積機(jī)理屬于合金的“異常共沉積”，即電位較負(fù)的鐵比鎳優(yōu)先在陰極還原析出。根據(jù)Hiroaki提出的Fe-Ni合金異常共沉積理論^[7]，認(rèn)為金屬離子[M²⁺：Fe，Ni]一步還原的可能性較小，而是分步進(jìn)行，即：

電沉積時，電極表面pH 值升高，同時產(chǎn)生氫氧化物離子FeOH⁺率和NiOH⁺，并經(jīng)中間吸附絡(luò)合物MOH_ad的放電析出金屬原子M，其還原反應(yīng)速度受中間吸附產(chǎn)物吸附位置的限制。由于FeOH⁺的離解常數(shù)(5.78×10^-8)，比NiOH⁺的(4.50×10^-5)小得多，在相同的pH值條件下，F(xiàn)eOH⁺的濃度約是NiOH⁺的1000倍，故NiOH_ad吸附在陰極表面上的位置將部分為FeOH_ad所占據(jù)，使鎳的沉積受到抑制。可見在Fe-Ni合金電沉積中鐵的沉積相對于鎳要快一些。文獻(xiàn)^[8]報道，在低鐵的合金鍍液中，鍍層中的鐵含量隨鍍液中鐵離子濃度的增加呈線性增加趨勢。本實(shí)驗(yàn)研究表明，在高鐵的合金鍍液中，合金鍍層中鐵含量并不一定是隨鍍液中Fe²⁺／Ni²⁺離子濃度比的增加呈線性增加。當(dāng)鍍液中n(Fe²⁺ )：n(Ni²⁺ )>0．60時，鍍層中的鐵含量的增加呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，如圖1所示(圖中理論曲線是根據(jù)鍍液中鐵鎳離子濃度比計算繪制)。這是因?yàn)殄儗又需F含量與溶液中遷移至陰極表面上放電的Fe²⁺相對數(shù)量有關(guān)。在曲線初始階段Fe²⁺ 濃度增加，遷移至陰極表面放電的Fe²⁺數(shù)量增加，因此鍍層Fe含量升高。當(dāng)Fe²⁺濃度進(jìn)一步增加時，溶液中正負(fù)離子間庫侖作用力增加，離子氛的影響作用也增大。離子氛的影響通過馳豫效應(yīng)和電泳效應(yīng)降低了Fe²⁺遷移速度，使得一定時間內(nèi)遷移至陰極表面放電的Fe²⁺ 數(shù)量相對減少，因而鍍層中鐵含量提高有減緩趨勢。從圖1還可以看出，n(Fe²⁺)：n(Ni²⁺ )=0．6得到的鍍層成分較為理想。

3．2．2 鍍液pH值的影響

鍍液pH值變化對合金鍍層組成的影響非常顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鍍層中的鐵含量隨pH值的升高呈增加趨勢，如圖2所示。這一結(jié)果同Dahma提出的關(guān)于雙電層中FeOH⁺或Fe(OH)₂生成并優(yōu)先吸附而阻化鎳的沉積機(jī)理是一致的。因?yàn)樵谙嗤碾娏髅芏认拢円簆H的升高有利于生成Fe(OH)₂，這種產(chǎn)物吸附在陰極表面而抑制Ni²⁺的還原。隨著電極表面附近Fe(OH)₂濃度增大，其覆蓋效應(yīng)增強(qiáng)，Ni²⁺放電越發(fā)困難，而Fe的析出量則增加。但實(shí)驗(yàn)還證明當(dāng)pH值升高時，因Fe ²⁺容易氧化生成Fe(OH)₃沉淀夾雜在合金中使合金的機(jī)械性能下降，此外，由于鐵離子的絡(luò)合劑檸檬酸是有機(jī)弱酸，隨鍍液pH值升高其電離度增大，不帶質(zhì)子的絡(luò)合基團(tuán)羧基增多，導(dǎo)致鍍液中游離Fe²⁺離子數(shù)隨之減少，鍍層中的鐵含量相應(yīng)減少^[9]。因此雖鍍液pH值升高，鍍層中的鐵含量增加趨緩，并且很難獲得光亮平整的薄膜，而當(dāng)鍍液pH值較低時，一般都能獲得光亮平整的鍍層，但也存在少量氫致氣泡，因?yàn)榇藭r析氫反應(yīng)嚴(yán)重，受之影響電流效率也會下降，所以鍍液pH值以3.5較為理想。

3．2．3 電流密度的影響

電流密度對Fe-Ni磁性合金成分的影響也是十分明顯的。本實(shí)驗(yàn)表明，隨著電流密度的增大，合金鍍層中的鐵含量增大，但達(dá)到6A／dm²后，所得鍍層中的鐵含量則呈緩慢下降趨勢，如圖3所示。