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分享:热处理温度对电镀 Ni-Sn-Cu合金镀层组织及 性能的影响

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浏览:- 发布日期:2022-09-15 14:11:05【

罗雪芳,,

(贵州大学化学与化工学,550025

摘 要:采用电镀工艺在镀锌铁片上制备 Ni-Sn-Cu合金镀层,然后在氮气保护下对镀层进行 300~500 保温1h,状态耐腐蚀性:,结构,并析出 NiCu3SnNi3Sn2 ;300 400 ,合良好,当温度高400;,高后下降,自腐蚀电流密度先减小后增大,,, 电荷转移电阻先增大后减小;400热处理后镀层的综合性能最优,表面质量最佳,与基体的结合良 ,显微硬度最高,328.7 HV,自腐蚀,10.9μA·cm-2,自 腐 蚀 电 位 最 高,-0.689V,,电荷,1.031·cm2

关键词:;Ni-Sn-Cu;;;

中图分类号:TG178 :A :1000-3738(2022)06-0091-07

0 引 言

电镀作为表面处理中最常见实用且不被基材形状所限制的一项技术在工业生产中表现出巨大的 应用潜力Ni-Sn合金镀层可以据其变化而获得多变的颜色,并且具有的耐耐磨性能和焊接性能,在五金自行车汽车器及电子配件锂离子电池负极等产品上有着广泛 的应用[1-5]同时,黑色 Ni-Sn合金也具有良好的光 学性能而成为太阳能收集器的有力候选材料,采用 黑色 Ni-Sn合金硬化涂层的太阳能热水系统的总效 率可达到28%~33%[6-7]此外,研究人员还发现 Ni-Sn合金中使黑珍珠般光泽,较大程度的提高[8],Ni-Sn-Cu合金镀层的耐腐蚀性能仍难以满足产品性能的要求,且在过程中的析氢反应也导致镀层的脆性较大。 

研究[9]发现,随着热处理温度的提高,采用化学 镀方法制备的开孔 Ni-Sn-P层逐晶结构转变为晶态结构,的结都有较大改善在低于400 理后电沉积 Ni-Sn-P合金仍保持非晶态结构[10-11]KIM [12] 研究发现,热处理使真空电弧熔炼工艺制备 Cu-Ni- Si合金的力学性能有所改善,这归因于通过形成更 小和更致密的δ-Ni2Si了镍和硅基体中的固溶度[13],处理温度或时间的延长会使铸态 Cu-Ni-Sn的硬出现先上升后下降的变化趋势,温度,峰值所 需 的 时 间 越 短此 外,有 大 量 研 究[14-15],化学沉积的 Ni-Sn-Cu合金镀层是一种很有前途 的锂离子电池负极材料,220 ×6h, 合金镀层具有非晶态结构,此时镀层学性能但是目前将热处理应用于电镀 Ni-Sn-Cu 合金镀层方面的相关研究很少为此,作者采镀工艺在镀锌铁片上制备 Ni-Sn-Cu金镀层,然后 在氮气保护下对镀层进行300~500 ℃保温1h热处理,研究不同温度热处理后镀层的微观形貌相组成与基体的结合状态硬度耐腐蚀性能等,定最佳的热处理温度,以期为电镀 Ni-Sn-Cu合金镀 层的拓展应用提供一定的理论指导

1 试样制备与试验方法

电镀试 验 用 阴 极 材 料 选 择 尺 寸 为 50 mm× 65mm×1mm 的镀锌铁片,阳极材料选择尺寸为 50mm×70mm×2.5mm 石墨进行打磨,(36% 200~ 250g·L-1,3~5g·L-1,OP-1010~ 15g·L-1,65~75 ,1~2min),(体积分数 30% 过氧化氢 30~50g·L-1,25~40g·L-1,36%0.1g·L-1,10~30 ,2~30 min),(分数36%浓硫酸50g·L-1,25~30 ,时间 2min)。Ni-Sn-Cu合金镀氰化物和焦磷酸3大体系[16-18],耗低污染小,对环境,为镀[19]组成33.28g·L-1氯化镍29.33g·L-15g·L-120mL·L-1265g·L-140g·L-1 6g·L-1L-0.4g·L-11-4 3.5g·L-1 0.06g·L-1 0.35g·L-1 CapstoneFS-31000.06g·L-1拉通 X-1000.4g·L-1,pH 8.5,镀 液 40 ,DDK10A/12V 型数字恒流电源进行电镀,度为1.3A·dm-2,5minNi-Sn-Cu,40g·L-1 +2 mL·L-1 ,30~60s,(100±5)15~ 30minSKGL-1200300,350,400,450,500 1h ,后随冷却,。 

EV018型扫描电镜(SEM)对不同温度热处 理 镀 层 表 面 的 微 观 形 貌 进 行 观 察采 用 smartlab9K X线多晶(XRD),,Kα线,0.1546nm,40kV,40 mA,0.02 (°)·s-1Zetium-UltimateX 线荧光仪(XRF)JMHVS-1000AT 型精显显镀层,0.98 N,间 为 10s,在镀层的 4 个角及中部各测 1 点取平均值MK-QFH 的剥测试,并根据 GB/T92861998定镀合力等级利用 CHI760E 型电化学工作站对所制 备镀层的电化学性能进行测试,在质量分数5.0% NaCl溶液中使用三电极体系进行试验,工作电 极为镀层试样,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),;,为了(OCP),30min; 交流阻抗谱测试时的频率范围为0.01~10000Hz, 扫描速率为10mV·s-1,交流振幅为5mV;线测试时的电位范围为-1.0~0V (对于SCE), 扫描速率为10mV·s-1,10mV。 

2 试验结果与讨论 

2.1 微观形貌

由图1可 以 看 出:热 处 理 前 镀 层 表 面 存 量凹陷凸起以及细小孔洞,说明镀层中因残余 的氢存在而 发 生 一 定 的 析 氢 现 象;当 热 处 理 温 度 300,350,400 ,,速率加快,残 余 氢 ,,使被填,因此,层结,,, 400 ;理温度进一 步 升 高 至 450 ,现脱落现象,表面粗糙,粒粗大;500 理后镀层 大 量 脱 落,晶 粒 团 聚 现 象 严 重中镀 ,温度,,400 ,镀 层 的 压 应 力 降 低 速 率 大 于 内应力 降低,与基体的结合力降低,致使 与基[20]


2.2 物相组成 

由图2可以看出:热处理前镀层的XRD发现明显的衍射峰,说明镀层具有非晶态,XRF测得此时镀 层 的 化 学 成 分 (质 量 分 数/%)42.6Ni,48.9Sn,8.5Cu;随 着 热 处 理 温 度 的 升 高, XRD谱中 逐 渐 出 现 越 来 越 尖 锐 的 衍 射 峰,说 明 Ni-Sn-Cu合金镀层由非结构当热处理温度为300 ,2θ 44.出现 Ni(002)衍射峰(PDF:45-1037)理温度从300 400 ,Ni(002)来越尖锐,镀层,和重排而出现结构弛豫现象当热处理温度达到 450 ,除存在 Ni(002),2θ 43.5°处 出 现 了 Cu3Sn (2120)(PDF: 01-1240),以及2θ30.4°43.6°处出现了 Ni3Sn2 (110)衍射峰(PDF:07-0256)。500热处理后镀 ,Ni+Cu3Sn+ Ni3Sn2 [21-22]之间可形成连续固溶体,因此在热处理后镀层中未 现镍,[23-24]验结,Ni-Sn- Cu,,。 

2.3 态 

1,当热处理度不400 ,镀层的剥离度均低于 5%,GB/T92861998,ISO 1,ASTM 4B,450,500,,450 时 镀 层 与 基 体 结 合 力 的ISO 等 级 为 3, ASTM 等级为2B,500 ISO 4, ASTM 等级为1B,镀层镀层 内应力与镀层和基体间的结合 状 态 密 切 相 关[25]在电沉积阴极过程中析氢行为会导致镀层内应力过 ,通过合适温度和保温时间的热处理可以有效去 除镀层中的氢,从而消除内应力,同时有利于镀层与 基体间金属原子扩散而形成金属键,从而提高镀层 与基体间的结合力[26]但在过高的温度和较长时 间的热处理条件下,由于基体与镀层的热膨胀系数 不同而产生较大的热应力,导致镀层与基体间微小 间隙被扩大,反而不利于镀层与基体间金属键的形 ,使镀层与基体间的结合力降低[27]镀层结构的 改变也会影响其内应力[28],当热处 理 温 度 不 高 于 400 ,镀层的,占主导,内应力,;但当热处理温度高于400,晶化较高,组织中析出了大量晶相,镀层积收了很高的内应力,此时镀层与基体间的结合力下降。 


2.4 显微硬度 

由表2可以看出,随着热处理温度的升高,镀层 的显微硬度呈先升高后下降的趋势当热处理温度300 350 ,硬度较小400 ,的显达到最大值,328.7 HVXRD 谱推测,在热处理300,350,化析出硬质相镍,表面孔洞消失,有小幅度提升当热处理温度升高到400 ,层的晶化程度提高,硬质相镍含量增多,有较高密度的晶界和一定的位错,同时镀层表面最 为平整光滑,从而使镀层具有最高的硬度当热处 理温度高于400,,的硬度急剧下降值后镀层中析出新相 Cu3SnNi3Sn2,降低了硬质 相镍,,,,脱落,从而导致镀层的硬度降低。 


2.5 耐腐蚀性能 

2.5.1 线

3镀层Tafel线,线[29]的在 NaCl液中 Ni-Sn-Cu腐蚀 电位见表333:自腐蚀32.0μA·cm-2,-0.839V;300 400 , 镀层的自腐蚀电流密度降低,理温 度 为 400 时 镀 层 的 自 腐 (10.9μA·cm-2),自腐蚀电位最(-0.689V),热处理温400℃时镀层的耐腐蚀性能最好热处理温度不高于400 ,的升使表面更加致密平整,晶相是镍 及非晶态结构,从而使镀层的耐腐蚀性能变好热处理温度为450,500,镀层的组成相增多,,,[30];与基,,自腐蚀电流密度变大,自腐蚀电位越来越低,表明镀 层的耐腐蚀性能越来越差,并且在热处理500 的自腐蚀电流密度比热处理前的镀层更大,位更低,可知此时镀层的耐腐蚀性能比热处理前的 镀层差。 


2.5.2 电化学交流阻抗谱

交流阻抗谱的容抗弧半径可直接反映镀层的耐 腐蚀性能,容抗弧半径越大,镀层的耐腐蚀性能越 由图4可以看出,随着热处理温度的,的交流阻抗容抗弧半径先增大后减小,400 理后镀层的交流阻抗容抗弧半径最大,表明此条件 下镀层的耐腐蚀性能最好,这与 Tafel极化曲线分 析结果一致。 


通过 Zsimpwin Ni-Sn-Cu 金镀层的交流阻,电路图,如图5所示,其中:R1 L1 分别表示电极和参比电极之间溶液的电阻和电感;具有一定的粗糙度导致其存在一定的弥散效应,弥散指数n 不为1,所以Q1 位角元件,吸附量越大,[31];R2 层的电荷转移电阻,其电阻 R2 与镀层的腐蚀速率 成反比关系,R2 越大,镀层表面电阻越大,即在镀层 表面转移电子的阻碍越大,镀层的耐腐蚀性能越好; R3 C1 分别表示 NaCl阻和双电层电容;R4 L2 因腐蚀产物掉落而引起的电阻和电感;R5 C2 表示化层[19]电路合后,拟合 结果如表4所示,表中Yθ 表示 Q1 4 可以看出,随着热处理温度的升高,电阻先增大后减小,400 热处理后镀层的电荷转 移电阻最大(1.031·cm2),表明此时镀层的耐腐 蚀性能最好


3 论 

(1)随着热处理温度由300 升高到400 , Ni-Sn-Cu合金镀层表面越来越均匀平整,当温度高 400,;400 ;渐转变态结,NiCu3SnNi3Sn2

(2)理温400 ,体结合力的ISO 等级为1,ASTM 4B,基体,450 ISO3,ASTM2B,500 热处 理 时 镀 层 与 基 体 结 合 力 的 ISO 等 级 为 4, ASTM 1B,与基。 


(3),微硬度 先升高后下降,当热处理温度为400,镀层的显 微硬度最大,328.7 HV;自腐蚀电流先减小,自腐蚀电位先升后降,交流阻抗容抗弧半大后减小,电荷转移电阻先增大后减小;当热处理温 度为 400 ,,10.9μA·cm-2,,-0.689 V,流阻抗 容 抗 弧 半 径 最 大,,1.031·cm2,此时镀层的耐腐蚀性能最好;电沉 Ni-Sn-Cu合金镀层的最佳热处理温度为400

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