雪金海， 吳蒙華

(1.平高集團(tuán) 表面處理及金屬防腐實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467001; 2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001; 3.大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

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超聲波微電鑄鎳件組織及性能研究

雪金海1,2， 吳蒙華3

(1.平高集團(tuán) 表面處理及金屬防腐實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467001; 2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001; 3.大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

為了研究超聲波對(duì)微鑄件表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度的影響，在ITO導(dǎo)電玻璃上采用超聲-脈沖電沉積方法制備出Ni微鑄件。利用電子掃描顯微鏡觀察微鑄件的微觀形貌，利用X-射線衍射分析超聲波對(duì)微鑄件微觀結(jié)構(gòu)的影響，利用納米壓痕法測(cè)試顯微硬度。結(jié)果表明，超聲波不僅能改善鑄件微觀形貌、細(xì)化晶粒，而且能提高鍍層的顯微硬度。

超聲波； 微電鑄鎳； 組織性能

引言

微細(xì)電鑄技術(shù)因具有高精度、精確復(fù)制和適于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)成為制造復(fù)雜微型結(jié)構(gòu)和器件的主要手段而備受關(guān)注，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[1-3]。呂文龍等[4]利用微電鑄鎳的方法制備微機(jī)械隧道陀螺儀中的懸臂梁、擋板。Weng F T[5]在電鑄銅時(shí)使用超聲攪拌來(lái)提高鑄銅層的性能。明平美等[6]通過(guò)在電沉積過(guò)程中向電鍍液施加適量聲強(qiáng)功率的超聲攪拌來(lái)改善微細(xì)電鑄器件的形貌質(zhì)量，提高金屬的充填能力。陳華茂等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)超聲波的作用使鍍層表面更均勻細(xì)致，優(yōu)化了操作條件。上述學(xué)者的研究表明，超聲波對(duì)電沉積有改善顯微結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，提高形貌質(zhì)量和顯微硬度的作用。盡管國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就超聲波對(duì)鍍層性能的研究較多，但針對(duì)于ITO導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行超聲波-脈沖微電鑄的研究還比較少。

為了探討超聲波對(duì)微鑄件性能的影響，本文在超聲波作用下采用脈沖電沉積方法在ITO導(dǎo)電玻璃微小區(qū)域內(nèi)制備Ni微鑄件。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主要討論了超聲波功率對(duì)微鑄件的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及工藝

陰極為ITO導(dǎo)電玻璃，微鑄件試樣尺寸為20mm×10mm×0.4mm；陽(yáng)極為鎳板，尺寸為60mm×40mm×3mm，純度大于99.99%。

陰陽(yáng)極板垂直放置，陰陽(yáng)極間距25mm。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)使用的超聲波頻率為28kHz，超聲功率0～600W連續(xù)可調(diào)，在電沉積過(guò)程中，超聲波持續(xù)作用。

微電鑄鎳鍍液組成及工藝條件。

Ni(NH2SO3)2·4H2O

300～700g/L

NiCl2·6H2O

30～50g/L

H3BO3

30～40g/L

表面活性劑

少量

θ

40～60℃

pH

3.5～4.5

超聲波功率

0～600W

脈沖波形

方波

占空度

30%

脈沖寬度

0.15ms

Jκ

5A/dm2

t

60min

1.2 基體前處理

基體的前處理，首先使用丙酮將ITO導(dǎo)電玻璃表面清洗干凈，然后把ITO導(dǎo)電玻璃放入盛有去離子水的燒杯中用超聲波清洗器清洗10min，再使用去離子水反復(fù)沖洗三次，然后電吹風(fēng)吹干。

1.3 微電鑄鎳

微電鑄鎳工藝流程為

除油→水洗→活化→水洗→電沉積→水洗→乙醇洗→烘干→分離→測(cè)試。

1.4 鑄件測(cè)試

利用JSM-6460LV型掃描電鏡觀察微鑄件的表面形貌；

利用SGMT 60M型精密光柵測(cè)微儀測(cè)量鑄件厚度，其測(cè)量精度為0.1μm。按實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)制備的微鑄件經(jīng)測(cè)量平均厚度δ為37.2μm。

利用D/max-2400型X-射線衍射儀(XRD)對(duì)微鑄件微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。測(cè)試條件：Cu靶，后單色器，管電壓40kV，管電流100mA，掃描速度6 °/min，步長(zhǎng)0.02°，掠射角1 °。

利用MTS納米壓痕儀對(duì)微鑄件硬度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試所用nano indenter XP型納米壓痕儀，采用Berkovich型壓頭，系統(tǒng)的載荷分辨率為50nN，位移分辨率為0.01nm。在微鑄件不同位置打點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試3次，每個(gè)顯微硬度數(shù)值取3次測(cè)試結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波對(duì)微電鑄鎳微觀形貌的影響

圖2為不同超聲波功率(其他工藝參數(shù)相同)條件下所制備微電鑄鎳件的表面形貌。通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn)，超聲功率在360W以下時(shí)，隨著超聲波功率的增大，微鑄件表面變得致密均勻、結(jié)晶細(xì)致。其原因在于，超聲波攪拌作用可使鍍液中的金屬鎳離子均勻分布在電鍍液中，且隨著超聲波功率的加大，分散效果越明顯。此外超聲波產(chǎn)生的空化作用伴隨的湍動(dòng)效應(yīng)、擾動(dòng)效應(yīng)以及沖擊作用，提高電沉積過(guò)程中金屬離子的傳質(zhì)速度，降低了工件表面附近溶液的濃度極化，提高電流密度上限和電流效率，加上超聲波空化作用產(chǎn)生的微射流不斷沖洗著陰極表面，促進(jìn)工件表面氫氣的析出，減少了微鑄件表面針孔、麻點(diǎn)等缺陷的產(chǎn)生[8-9]。當(dāng)超聲功率超過(guò)360W時(shí)微鑄件表面的平整度降低，這與超聲波的功率過(guò)大有關(guān)。功率過(guò)大的超聲波導(dǎo)致電化學(xué)結(jié)晶的感應(yīng)時(shí)間減少,促使晶核快速生長(zhǎng),從而導(dǎo)致鍍層的晶粒尺寸增大。

圖2 不同超聲波功率制備微鑄件的表面形貌

2.2 超聲波對(duì)電鑄鎳件微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

圖3為在不同超聲波功率下微鑄件的XRD譜圖。從圖3中對(duì)峰寬及峰高進(jìn)行比較后可知，采用360W功率超聲波所得微鑄件的衍射圖譜中Ni(111)峰和(200)峰比無(wú)超聲波(超聲波功率為0W)所得微鑄件的低，峰較寬。說(shuō)明在電沉積過(guò)程中，基質(zhì)鎳晶粒組織發(fā)生了細(xì)化，晶粒取向也發(fā)生了改變，由擇優(yōu)取向趨于隨機(jī)取向[10]。這是由于超聲波的機(jī)械剪切作用對(duì)較大晶粒進(jìn)行了破碎，空化作用產(chǎn)生的高溫高壓及微射流打斷了正常發(fā)育的晶粒，使之成為新的、更多的或更小的晶核，引起形核增殖，減小了臨界晶核半徑，從而提高了結(jié)晶形核率。當(dāng)晶粒的形核速率超過(guò)晶粒的生長(zhǎng)速率時(shí)，晶粒就得到了細(xì)化[11]。

圖3 不同超聲波功率下微鑄件的XRD譜圖

2.3 超聲波對(duì)微鑄件顯微硬度的影響

圖5為不同超聲波功率所制備的微電鑄鎳件的顯微硬度。

圖4 不同超聲波功率制備微鑄件的顯微硬度

從圖4中可以看出，微鑄件的顯微硬度隨著超聲波功率的增大先增加后減小。在無(wú)超聲的情況下(超聲波功率為零)，微鑄件的顯微硬度都處于較低的水平。當(dāng)超聲波功率在一定范圍內(nèi)(360W以下)增加時(shí)，微鑄件的顯微硬度顯著提高。這是由于超聲波的作用起到彌散強(qiáng)化和細(xì)化基質(zhì)晶粒的效果；而超聲波的機(jī)械剪切作用對(duì)于較大晶粒和空化作用對(duì)形核率的影響也進(jìn)一步細(xì)化了鎳金屬晶粒[9]。因此，微鑄件的顯微硬度在一定程度上有所提高。

當(dāng)超聲波功率超過(guò)360W時(shí)，微鑄件的顯微硬度略有降低。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是過(guò)大的超聲波功率會(huì)對(duì)電鍍液產(chǎn)生過(guò)量的攪拌作用，制備的電鑄鎳層的應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，壓應(yīng)力使鍍層硬度值增加，而拉應(yīng)力導(dǎo)致鍍層顯微硬度下降[12]。實(shí)驗(yàn)證明，超聲波功率在360W時(shí)，微電鑄鎳件的顯微硬度較高。

3 結(jié) 論

1)在微電鑄過(guò)程中施加一定功率的超聲波可以改變微鑄件的表面形貌，提高鑄件表面致密度和平整度。超聲波功率在360W時(shí)，微鑄件的表面形貌最佳。

2)超聲波條件下微鑄件的晶粒得到細(xì)化。

3)超聲波功率在360W時(shí)，微鑄件的顯微硬度較好。

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Study on Microstructure and Properties of Ultrasonic Micro Electroforming Nickel Parts

XUE Jinhai1,2， WU Menghua3

(1.Lab of Surface Treatment and Metal Anti-corrosion of Ping Gao Group,Pingdingshan 467001,China;2.Henan Ping Gao Electric Co.,Ltd.,Pingdingshan 467001,China; 3.College of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China)

In order to study the effects of ultrasonic wave on the surface morphology,microstructure and micro hardness of the micro electroforming parts,the micro electroforming nickel parts were prepared on Indium Tin Oxides(ITO) conducting glass substrate by ultrasonic pulse eletrodeposition method.The surface morphology and microstructure were observed by SEM,the effects of the micro wave on the microstructure were analyzed by X-ray diffraction and the micro hardness was tested by nano indentation method.The results showed that the application of ultrasonic wave not only could improve the microstructure and refine the grain size,but also could increase the micro hardness of the coating.

ultrasonic wave; micro electroforming Ni; microstructure properties

2016-04-28

2016-06-02

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.12.003

TQ153.4

A