氨基磺酸盐镀镍的微观织构与硬度

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）

氨基磺酸盐镀镍的微观织构与硬度

田 峰1，姬清华2

（1.河南科技学院，河南 新乡453003；2.新乡学院，河南 新乡 453003）

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：在镀液中不含添加剂的情况下，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。

氨基磺酸盐；三维形貌；微观织构；硬度

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）2·4H2O 420mL/L，H3BO337.5 g/L，NiCl2·6H2O 6g/L，pH 值4.0，1～7A/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25mm。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 5min —→稀氢氧化钠溶液中浸洗5min —→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3A/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7A/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。

图1 镀层的三维形貌

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1A/dm2提高至7A/dm2，镀层晶粒的平均尺寸由10μm降至4 μm，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0.05g/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。

图2 阴极电流密度对镀层微观结构的影响（无添加剂）

图3 阴极电流密度对镀层微观结构的影响（有添加剂）

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。

图4 XRD图谱

表1 镀层各晶面的择优取向度

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1A/dm2提高至7A/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 100MPa降至2 540MPa；在有添加剂的情况下，镀层硬度由3 370 MPa降至2 900MPa。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，抑制晶核长大，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）夹杂于镀层晶格空隙中，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］。

图5 阴极电流密度对镀层硬度的影响

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。

［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］ McGeough J A，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，et al.Role of overpotential on texture，morphology and ductility of electrodeposited copper foils for printed circuit board applications［J］.Journal of the Electrochemical 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.

Microstructure and Hardness of Nickel Coating Plated with Amino Sulfamate Solution

TIAN Feng1，JI Qing-hua2
（1.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，China；2.Xinxiang College，Xinxiang 453003，China）

The nickel coating was electrodeposited with amino sulfamate solution，and its three-dimensional morphology，microstructure as well as hardness were analyzed using WLI，SEM，XRD and MHT.The results show that，when the bath contains no additive，the coating grains become fine，but the coating compactness becomes worse and the hardness decreases almost linearly as cathode current density increases.After a proper amount of additive is added，the diffraction spectrum characteristics and preferred orientation degree are not evidently changed，but the coating obtained at the same cathode current density exhibits finer grain as well as higher hardness.

amino sulfamate；three-dimensional morphology；microstructure；hardness

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0009-03

2011-06-09

·电 镀·