Ni-Cu合金脉冲电镀工艺及其耐腐蚀性能研究

摘要

镍及镍基合金具有较高的硬度和较强的耐腐蚀性能，在金属腐蚀与防护研究领域中正逐步取代铬镀层得到了广泛关注。为满足材料表面镀层结构致密、孔隙率低、抗蚀性能强等性能要求，脉冲电镀镍及镍合金技术正得到广泛研究。其中，Ni-Cu合金以其突出的优势，如良好的导电性能，极强的耐腐蚀性能，较好的柔韧性能，以及形状记忆能力等，成为极具发展潜力的耐腐蚀性合金镀层之一。
　　本文以柠檬酸盐镀液体系为基础，采用脉冲电镀技术在27SiMn基体上制备 Ni-Cu合金镀层，通过设计正交试验方案优化脉冲电镀工艺参数，包括平均电流密度（im）、镀液pH和温度。利用扫描电子显微镜（SEM）对镀层微观形貌进行观察，并通过电化学工作站等测试手段分析镀层的动电位极化曲线和电化学阻抗谱。以合金镀层的耐蚀性能为评价标准，实验结果表明，当脉冲平均电流密度为7.5A/dm2，镀液pH为4，电镀温度为65℃时，获得的Ni-Cu合金镀层耐腐蚀性能最优异。
　　利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光共聚焦显微镜、维氏硬度测试仪等测试方法研究了添加剂硼酸的浓度对Ni-Cu合金镀层微观形貌、成分、晶粒尺寸以及耐腐蚀性能的影响。研究结果表明，镀液中加入硼酸制备的合金镀层表面平整致密、无明显空隙、粗糙度值较低，说明硼酸的加入对合金镀层晶粒起到微细化的作用。随着硼酸浓度的增加，晶粒的尺寸先减小后增大，当硼酸浓度为15g/L时晶粒尺寸最小约为14.1nm，且镀层的维氏硬度值最高。对合金镀层进行耐腐蚀性能测试，结果表明镀液中添加15g/L硼酸制备的镀层的维钝电流密度（ip）最低，约为1.01μA cm-2，且点蚀电位与保护电位的差值（Eb－Ep）最小，仅为0.0845V。经过对镀层的微观形貌观察、晶粒尺寸分析、硬度及耐蚀性能测试分析，得出硼酸的最佳添加量为15g/L。
　　通过 XPS测试、Mott-Schottky理论及点缺陷模型（PDM）和零电荷电位（PZFC）测试技术对Ni-Cu合金镀层耐蚀机理进行研究，发现钝化膜中包含Ni、Cu、O元素，几乎不含有Cl元素。其中Ni主要以NiO的形式存在，Cu主要以Cu2O的形式存在且含量较少。钝化膜在低电位下显示n型半导体特征即为Cu2O，高电位下显示p型半导体特征即为NiO，Cu+掺杂到Ni2+中使p型半导体中的空穴载流子数目减少，从而降低氧化还原反应的速率。钝化膜中 Cu2O含量较低时，Cu+较稳定不易转化为 Cu2+，该钝化膜中载流子密度最低，点缺陷扩散系数最小，且其对 Cl-的吸附能力最弱，表明具有良好的耐腐蚀性能。通过纳米压痕测试探究钝化膜的力学性能，得出钝化膜的抗压能力越强、弹性模量越大，表明该钝化膜中裂纹和缺陷较少，使得钝化膜不易破裂形成点蚀，因此Ni-Cu镀层的耐点蚀性能更加优异。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 脉冲电镀技术

1.3 金属的共沉积

1.4 Ni基合金的研究进展

1.5 本文研究的主要内容

第2章 实验装置及方法

2.1 脉冲电镀实验装置及电化学原理

2.2 试样的制备

2.3 表征方法

2.4 镀层的耐腐蚀性能测试

2.5 硬度测试

2.6 粗糙度测试

2.7 本章小结

第3章 工艺参数的选择对Ni-Cu合金镀层性能的影响

3.1 引言

3.2 脉冲电源的平均电流密度和pH值正交试验

3.3 温度对Ni-Cu合金镀层性能的影响

3.4本章小结

第4章 添加剂硼酸对Ni-Cu合金镀层结构和性能的影响

4.1 引言

4.2 镀层的形貌、成分及微观结构

4.3 镀层晶粒尺寸分析

4.4 镀层的耐腐蚀性能测定

4.5 硬度测试

4.6 本章小结

第5章 Ni-Cu合金镀层耐蚀机理研究

5.1 引言

5.2 钝化膜成分分析

5.3 Cu2O对钝化膜性能的影响

5.4 钝化膜的力学性能

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢