磁场下电沉积镍晶微铸件表面形貌与织构研究

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复合电铸技术利用金属电沉积的方法，在电铸液中加入-种或多种不溶性固体颗粒，实现固体颗粒与金属离子的共沉积形成复合铸层↑年来众多学者利用该技术研究了加入SiC、A1203、Ti02等纳米颗粒获得在硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能上更加优良的纳米复合铸层 。时代的发展对电铸行业不仅要求高质量、高可靠、高效率，还要节能节耗和保护环境，由此高效节能而又无或少污染的电铸新工艺[6l-磁电化学应运而生，并得到众多研究学者极大关注和深人研究 。目前对磁场的研究大多都集中在关于磁场的施加方式和施加磁场对合金镀层性能的影响Ⅱ ，而施加磁场对电沉积制备微构件的物理性能的影响鲜有报道-展了磁场作用下电沉积制备镍晶微构件的实验研究，利用SEM和XRD分别分析了工艺参数对微铸件的表面形貌及组织结构的影响规律，为磁场作用下电沉积制备特种材料的深人研究和实际应用提供有益的参考。

2实验方法2.1基本电铸液与工艺参数实验以覆铜板为基底，采用光刻法制作电铸掩膜，掩膜图案为模数 m0.2，齿数z6的渐开线齿轮，如图 1所示。齿轮掩膜模具制作工艺过程为：清洗覆铜板，光刻胶经喷胶、前烘、曝光和显影，在覆铜板上制作出设计好的图形。

图 1微构件图案Fig.1 Picture of Mierocasting电铸液主要成分为：氨基磺酸镍450 g/L、氯化镍 10 g/L、硼酸30 g/L、TiN纳米颗粒8 g/L。所用试剂均为分析纯，电铸过程之前，需对铸液进行超声波搅拌2h的分散预处理，以令纳米颗粒充分均匀地与电铸液混合。磁场方向采用垂直于阴极表面。电铸工艺参数为：磁场强度为(0.2加.8)T、超声功率为(120-360)W、阴极电流密度范围为(1-3)Mdm 、电铸温度为50℃、pH变化范围为3.8-4.5。

来稿日期：2012-03-14基金项目：国家自然科学基金项[(50975034)；：iT.宁势技计划项目(2010223006)作者简介：贾卫平，(1971-)，女，吉林通化人，副教授，硕士，研究方向：从事微制造领域研究256 机 械 设计 与 制造No.1Jan.2013所示。电铸条件为超声功率240W、占空比20%、温度50℃、 3.2。2磁场强度对织构的影响pH4.1，电流密度分别为 l Mdm2，2 Mdm2、3Mdm2。由图4可以看出在 2 为 44。、76。附近出现两个衍射峰，对应于面心立方镍晶格的(1l1)和(220)晶面。基底对电铸件织构的影响主要在电沉积初期，由于微铸件电沉积厚度较大，因此铸件的织构不再受基底的影响，主要撒于电沉积条件 。从图4可以看出电流密度较小时，微铸件衍射峰(111)晶面的强度大于(200)晶面的强度，说明小电流密度条件下适于(111)织构生长，沉积层主要沿着(111)晶面法线方向生长。随着电流密度的增大，衍射峰(111)晶面的强度与(200)晶面的强度均逐渐增强，其中衍射峰(200)晶面增强程度远大于(111)晶面。当电流密度较大时，衍射峰(200)晶面的强度超过衍射峰(111)晶面占据主导，由此可以得出电流密度对电沉积微铸件的织构有很大的影响，随着电流密度的增加，铸层的织构发生改变，择优取向由(111)方向变为(200)方向。

lO 20 3O 40 5O 6020/(。)(a)1A，dm220/(。)(b)2Mdm20/(。)(c)3Mdm图4不同电流密度下制备的微铸件的XRD图谱Fig.4 X-Ray Diffraction Patterns of Mieroeastingunder Diferent Curent Densities不同磁场强度下电沉积制备的微铸件的XRD图谱，如图5所示。电铸条件为电流密度 2Mdm。、超声功率 240W、占空比20%、温度50%、pH4.1，磁场强度分别为0T、0.43"、0.8T。由图5可以看出，随着磁场强度的增加，微铸件衍射峰(1 1 1)晶面的强度逐渐增强，(200)晶面的强度逐渐减弱。微铸件衍射峰(1 1 1)晶面的强度明显大于(200)晶面，由此可以得出电沉积过程中晶粒的生长方式受到外加磁场的影响。磁场对电沉积层的(200)衍射峰有抑制作用，磁场促使电沉积层织构(111)晶面为优先生长方向。

20/(。)(a)20/(o)(b)0.4 T201(。)(C)0.8T图5不同磁场强度下制备的微铸件的XRD图谱Fig.5 X-Ray Diffraction Patterns of Mierocastingunder Diferent Magnetic Intensities3.3机理探索3.3.1电沉积层表面形貌机理探讨金属电结晶过程是-个复杂的过程，至少包括金属离子的 日) s日Ir日) 口尝 -No.1Jan.2013 机械设计与制造 257放电过程与长入晶格的过程，其中电流密度 、电极电位以及表面结合能等因素均能影响电沉积过程○属离子放电后向周围迁移以降低表面能，经过双电层迁移的离子在阴极表面放电后-起形成晶核○属离子迁移的距离受双电层与扩散层的厚度的影响，当双电层与扩散层较厚时，金属离子迁移的距离较远，消耗的能量只能使它们必须与最近的原子结合形成新的晶核，继而与周围的原子结合成为-个大晶核。而通过施加磁瞅者选择适当的电流密度，均能降低双电层与扩散层的厚度从而降低带电离子的扩散能，令原子有机会有较远距离的迁移从而与其他原子结合形成-个晶核，进而形成的沉积层晶粒得到细化，表面质量得到改善。此外，施加磁场引起的MHD效应能够在阴极表面产生冲刷作用，不仅有利于阴极反应产生的气泡的逸出，而且能够将表面形成的晶粒打碎，打碎的晶粒继而成为新的晶核，从而使电沉积层晶粒更加细轩匀。无磁嘲低电流密度下，镍离子消耗速率小，电结晶过程由电化学步骤控制。电流密度提高后，由于镍离子消耗速度加快，镍的电结晶反应的控制步骤转变为传质控制步骤。外加磁丑，由于MHD效应增强了镍的传质速度，从而使镍电结晶反应的控制步骤转为电化学过程控制步骤，同时也降低了阴极氢离子的数量，有利于抑制氢气的析出，从而获得表面致密平整的电沉积层。

3.3.2电沉积层织构机理探讨理想情况下，电沉积过程中在阴极表面还原的镍离子有足够的时间进行表面扩散 ，达到最稳定状态。实际电沉积过程中，随着电流密度的增加，阴极还原反应速度增加。阴极表面的金属原子尚来不及扩散到最稳定状态即被随后还原的原子 占据扩散通道，从而阻碍其进-步的扩散，导致电沉积层(200)晶面所 占的比例增加，使该晶面发生择优取向。施加磁场之后，电铸液体系的自由能增加，更多的吸附原子能够迁移到稳定状态，高能量的(200)晶面向低能量的晶面迁移，从而(200)晶面所占的比例减少∩见，施加磁场能够影响电沉积层的择优取向。另-方面，电沉积层择优取向的改变可从阴极表面pH的变化角度来解释。随着 pH值的增加，(111)晶面择优取向指数减少，而(200)晶面的择优取向指数增加。当pH值增加到-定程度，择优取向晶面将从(1L1)晶面向(200)晶面转变。电沉积过程中，随着电流密度的增加，阴极表面反应速度加快，消耗的氢离子来不及补充，致使电铸液 pH值增加，(200)晶面发生择优取向。施加磁场作用后，阴极表面产生MHD效应，促进了氢离子的传输，增加了阴极表面氢离子的浓度 ，pH值降低，因此有利于(111)晶面发生择优取向。

随着电流密度与磁感应强度的增加，带电离子受到的洛伦兹力也增大，MHD效应更加强烈从而导致磁场的作用效果越发明显。

4结论电流密度与磁场强度均可对微铸件的表面形貌及织构取向产生影响。其中，微铸件的表面晶粒随着电流密度的增大呈现出先细化后粗化的趋势；沉积过程中施加磁场，沉积层的表面晶粒得到细化 ，并且随着磁场强度的增大，沉积层的质量得到持续优化。此外，电流密度与磁场强度对电沉积微铸件的织构也产生很大影响，随着电流密度的增加，铸层的织构发生改变，择优取向由(1 1 1)方向变为(200)方向；随着外加磁场强度的增加，晶粒的生长方式产生变化，电沉积层的(200)衍射峰受到抑制作用，而电沉积层织构(1l 1)晶面得到加强。