| 田 峰,姬清华 (1.河南科技学院，河南新乡453003;2.新乡学院，河南新乡453003) 摘要：采用氨基磺酸盐镀液电沉积镍层，通过WLI，SEM，XRD和MHT对镀层的三维形貌、微观织构及硬度进行分析。结果表明：在镀液中不舍添加剂的情况下，随着阴极电流密度的增加，镀层晶粒细化，但镀层致密性变差且硬度呈近似线性关系降低;镀液中加入适量添加剂后，镀层衍射谱特征和各晶面的择优取向度无明显改变，但在相同阴极电流密度下所得镀层的晶粒更加细小且硬度有所提高。 关键词：氨基磺酸盐;三维形貌;微观织构;硬度 中图分类号：TQ 153 文献标识码：A 文章编号：1000-4742(2012)04-0009-03 0前言 镍是电镀工艺中常用的金属之一，因其具有良好的综合性能，已被成功地用于火箭发动机喷管、破甲药型罩、精细金属滤网、微波器件和电解加工用电极等诸多功能性零部件的制造[1-2]。氨基磺酸盐镀液具有分散能力和均镀能力强、镀层内应力低等优点，是制备高质量镀层的首选镀液类型。本文采用氨基磺酸盐镀液电沉积镍层，并对所得镀层的三维形貌、微观织构及硬度进行分析。 1 实验 1.1镀液组成及工艺条件 Ni(NH2SO3)2·4H20 420 mL/L, H3BO3 37.5g/L, NiCl2·6H2O 6 g/L,pH值4.0,1～7 A/dm2,55℃。 1.2实验方法 采用双电极体系，阳极为电解镍板，阴极为紫铜片，阴阳极水平正对布置，间距为25 mm。阴极前处理工艺流程：粗磨—→精磨—→超声波除油—→稀盐酸溶液中浸洗5 min—→稀氢氧化钠溶液中浸洗5 min—→丙酮冲洗—→去离子水冲洗—→真空干燥。电镀后，将镀层与基体分离。 1.3性能检测 采用白光干涉仪( WLI)观察镀层的三维形貌。采用扫描电子显微镜(SEM)观察镀层的微观结构。采用X射线衍射仪( XRD)测试镀层的显微织构。采用显微硬度仪(MHT)测试镀层的硬度。 2 结果与讨论 2.1三维形貌
图1为在不同阴极电流密度下所得镀层的三维形貌。由图1可知：当阴极电流密度为3 A/dm2时，镀层上存在少量的缺陷，表面略有起伏，形态舒缓;当阴极电流密度为7 A/dm2时，镀层上几乎布满缺陷，表面高低起伏明显，呈现出峰谷交替的形态。其原因为：随着阴极电流密度的增加，阴极还原过程加快，消耗掉的Ni2+增多，但又难以及时得到补充，致使液相传质受限的可能性提高，析氢量增大，镀层表面的整平性变差。
2.2微观结构 图2为阴极电流密度对镀层微观结构的影响。 由图2可知：随着阴极电流密度从1 A/ dm2提高至7 A/dm2，镀层晶粒的平均尺寸由10 μm降至4μm，且晶粒分布趋于均匀。其原因为：随着阴极电流密度的增加，阴极过电位增大，晶核的生成速率加快而长大速率减慢[3]，此时镀层的致密性明显变差。分析认为：针孔、积瘤等缺陷增多造成结晶位错出现的几率升高，是导致镀层微观结构随阴极电流密度增大明显恶化的原因所在。 在上述实验条件不变的基础上，加入0. 05 g/L十二烷基硫酸钠，所制得的四种镀层的微观结构，如图3所示。对比图2和图3可知：在阴极电流密度相同的条件下，加入适量添加剂后所得镀层晶粒更加细小、结构更加紧致。尽管如此，镀层微观结构随阴极电流密度的变化趋势仍未改变。 2.3 XRD谱图 图4为在不同工艺条件下所得镀层的XRD谱图。与PDF卡对照可知：两种镀层均有(111)，(200)，(311)和(400)四个晶面，最高强度衍射峰均为(200)面，呈现出几乎相同的面心立方结构。这说明添加剂对镀层衍射谱特征影响甚微。 进一步计算两种镀层各晶面的择优取向度(计算公式详见文献[4])，实验结果，如表1所示。由表1可知：添加剂对各晶面的择优取向度无明显影响，前后各晶面的择优取向度差别不大且都不高，镀层呈现无明显取向织构。这与文献[5]的研究结果几乎吻合。
2.4硬度
图5为阴极电流密度对镀层硬度的影响。由图5可知：随着阴极电流密度由1 A/dm2提高至 7 A/dm2，两种镀层的硬度均呈近似线性关系降低;在无添加剂的情况下，镀层硬度由3 100 MPa降至2540 MPa;在有添加剂的情况下，镀层硬度由3370MPa降至2 900 MPa。其原因为：随着阴极电流密度的增加，镀层上的缺陷增多，结晶位错的可能性增大，致使组织致密性变差，硬度降低。但相比而言，采用相同阴极电流密度，加入添加剂后所得镀层的硬度明显增大。一方面，添加剂吸附于阴极双电层紧密层内活性生长点上，占据Ni2+还原反应生长位置，抑制品核长大，细化晶粒，致使Ni2+还原后在结晶过程中的相互作用力增强，晶界密度增大，镀层致密性提高;另一方面，添加剂可能参与阴极反应而被还原，部分分解产物(如S，P等)夹杂于镀层品格空隙中，形成结晶的点或面缺陷，致使镀层产生夹杂应力，硬度增大[6]。 3 结论 (1)在镀液中不含添加剂的情况下，提高阴极电流密度能明显细化晶粒，但也会恶化镀层微观结构，降低硬度。 (2)适量添加剂对镀层衍射谱特征及各晶面的择优取向度无明显影响，但可进一步细化晶粒，同时增大硬度。 参考文献： [1] Zhu D,Qu N S, Chan K C. Development of joint electroforming [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 63(1): 844-847. [2] McGeoughjA, Leu M C, Rajurkar K P, et “al.Electroforming process and application to micro/macro manufacturing[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001, 50(2): 499-514. [3]熊毅，荆天辅，喷射电沉积纳米晶镍的研究[J].电镀与精饰，2000, 22(5)：1-4. [4]杨防祖，黄令，许书楷，等.添加剂的整平能力及其对Cu电沉积层结构的影响[J].厦门大学学报：自然科学版，2003,42(1)：56-59. [5]Ye X P,Bonte M D,Celis J P.“al. Role of overpotential on texture, morphology and ductility of electrodeposited copperfoils for printed circuit board applications[J]. Journal of theElectrochemical Society,1992 ,139(6):1 592-1 600. [6]王庆浩.铜镀层质量对电子雕刻的影响[J].电镀与环保，2009, 29(3)：10-14. |
