電流密度對(duì)紫銅基體電沉積Fe-W合金的影響

【簡(jiǎn)介】

電流密度對(duì)紫銅基體電沉積Fe-W合金的影響

侯婷，郭志猛，王立生，方哲成

（北京科技大學(xué)粉末冶金研究所，北京100083）

[摘要]  針對(duì)目前Fe -W合金鍍層中W含量較低致使鍍層硬度不高的問題，通過電沉積法在銅表面沉積Fe -W合金，獲得了一種W含量較高、表面致密且高硬度的非晶合金涂層。用SEM，XRD和EDS表征了鍍層形貌、結(jié)構(gòu)和成分，并測(cè)定了鍍層的顯微硬度。結(jié)果表明：不同電流密度下鍍層均為非晶結(jié)構(gòu)，形貌為圓球狀顆粒；鍍層厚10～100 pdm；隨著電流密度增大，鍍層中孔隙增多，其中W質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)57%～61%；電流密度為10 A/dm²時(shí)，鍍層中孔隙較少，電流效率最高，顯微硬度達(dá)最大值681 HV，此后隨電流密度增大鍍層顯微硬度降低。

[關(guān)鍵詞]Fe-W鍍層；電沉積；紫銅；非晶合金；顯微硬度

[中圖分類號(hào)] TQ153.2   [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A   [文章編號(hào)]1001-1560( 2011) 01 - 0016 - 03

0前言

鉻鍍層以其良好性能得到了廣泛的應(yīng)用。但鍍鉻電流效率較低，鍍液分散能力和覆蓋能力差。更重要的是，Cr(Ⅵ)是致癌物質(zhì)，嚴(yán)重污染環(huán)境^[1]。研究發(fā)現(xiàn)，Fe-W合金鍍層可部分替代鍍鉻。

W的標(biāo)準(zhǔn)電位偏負(fù)，H在金屬W上的過電位很小，W不能單獨(dú)從含W的水溶液中沉積出來，只能和Fe族金屬(Fe，Ni，Co) -起發(fā)生“誘導(dǎo)共沉積”^[2]。通過誘導(dǎo)共沉積方法，選用適當(dāng)?shù)?SPAN lang=EN-US>W原子比例可以獲得性能優(yōu)異的非晶或納米晶Fe -W合金層^[3]。針對(duì)目前Fe -W合金鍍層中W含量較低致使鍍層硬度不高的問題，本工作研究了紫銅基體上電鍍Fe-W非晶合金的電沉積條件，探討了較大電流密度范圍(5～35 A/dm²)對(duì)鍍層形貌、結(jié)構(gòu)、成分、厚度、電流效率及顯微硬度的影響。

1試驗(yàn)

1.1基材處理

基材為紫銅板，尺寸為62 mm×19mm×2 mm。前處理：在10%NaOH溶液中煮沸，清洗15 min；用角磨機(jī)

除去表面氧化皮等缺陷，于400 g/L NaN0₃溶液中(pH=5～9)，電流密度為20 A/dm²下室溫刻蝕5 min，去離子水沖洗，吹干，備用。

1.2  電鍍Fe -W合金

電鍍Fe -W非晶合金的鍍液：65 g/L鎢酸鈉，60g/L酒石酸鉀鈉，80 g/L檸檬酸，45 g/L硫酸亞鐵，2g/L抗壞血酸，0.02 g/L十二烷基磺酸鈉。溶液配制：在燒杯中先加入適量的去離子水，再按比例、順序加入各種物質(zhì)，充分?jǐn)嚢瑁怪耆芙猓冒彼{(diào)節(jié)鍍液pH值至8。

陽極為不銹鋼板。將前處理好的陰陽極置于70℃鍍液中，施鍍1h，電流密度范圍為5～35 A/dm²。電源為TPR-3010D型直流電源。

1.3測(cè)試分析

用S-3500N型掃描電鏡觀察鍍層表面的顯微形貌，觀察拋光后鍍層截面形貌。用掃描電鏡攜帶的能譜儀測(cè)定鍍層成分。用Dmax - RC旋轉(zhuǎn)陽極式X射線衍射儀[銅靶，λ= 0.15406 nm，管電壓為40 kV，管電流為150 mA，步寬0.02⁰，掃描速度9(^o)/min，測(cè)量角度范圍10⁰ ～100⁰]測(cè)定鍍層結(jié)構(gòu)。用SJ 20129 - 92中的稱重法（FA2004型電子天平，精度為0.1 mg）計(jì)算鍍層厚度；用MH．6型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層表面拋光后顯微硬度。0.25 N恒定載荷下保載15 s，每個(gè)試樣選5點(diǎn)測(cè)量后取平均值。

    電流效率λ的計(jì)算：

λ= λw+λ_Fe=(ω_w·ΔG/E_w +ω_Fe·ΔG/E_Fe)／(I·t)式中

ω_w­——鍍層中W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

W_Fe——鍍層中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

ΔG——鍍層質(zhì)量，g

E_w——W(Ⅵ)的電化當(dāng)量，0.381×10^-3 g/C

E_Fe ——Fe²⁺的電化當(dāng)量，0.2894×10^-3 g/C，

I——沉積電流，A

t——沉積時(shí)間，s

2 結(jié)果與討論論

2.1  電流密度對(duì)鍍層形貌的影響

不同電流密度下Fe -W鍍層表面的SEM形貌見圖1。從圖1可看出，不同電流密度下鍍層的形貌均為圓球狀顆粒；電流密度不大于10 A/dm²時(shí)，鍍層顆粒間結(jié)合緊密，鍍層表面光潔平整；電流密度大于10 A/dm²后，鍍層顆粒明顯長(zhǎng)大，同時(shí)伴隨較多孔隙的產(chǎn)生，電流密度越大，顆粒間的圓形氣孔越多，顆粒間結(jié)合較疏松。其原因可能是：電流密度過高時(shí)，電極表面反應(yīng)粒子濃度已經(jīng)很小，從溶液深處擴(kuò)散來的反應(yīng)粒子最容易到達(dá)一些表面微小突起的地方，這些地方擴(kuò)散層厚度小，擴(kuò)散空間場(chǎng)大，擴(kuò)散傳質(zhì)速度快，而凹坑處則恰恰相反，所以電流密度過大時(shí)，顆粒迅速長(zhǎng)大，電流密度較大時(shí)，電極電位大大負(fù)移，使得H+在陰極上放電析氫，造成鍍層顆粒間結(jié)合疏松，孔隙較多^[4]。