实验室规模的制造流程优化薄壁空心形状镍的电沉积

默罕默德舍希德^1*,奥萨马本Aslam¹阿迪尔马利克,欧麦尔¹,Muzammil侯赛因¹穆罕默德费萨尔拉索尔教授²纳瓦斯,法赫德汗³

¹化学和材料工程部门,国立大学的科学和技术,伊斯兰堡,巴基斯坦

²机械和材料工程系,吉达,沙特阿拉伯的吉达大学

³化学和材料工程学系GIK工程科学和技术研究所的遮阳帽,巴基斯坦

*通讯作者:: 默罕默德舍希德
化学和材料工程学系
国立大学的科学和技术,
伊斯兰堡,
巴基斯坦
电子邮件:mshahid@scme.nust.edu.pk

收到:2022年- 7月19日,手稿。joms - 23 - 69625;编辑器分配:25 - 7月- 2022年前质量控制。joms - 23 - 69625 (PQ);综述:08 - 8月- 2022年质量控制。JOMS-23 - 69625;修改后:02 - 1月- 2023手稿。joms - 23 - 69625;发表:30 - 1月- 2023,2321 - 6212.11.1.001 DOI: 10.4172 /

访问更多的相关文章rayapp0

文摘

电铸是一个扩展的金属电沉积过程中沉积到阴极几何形状的要求称为“芯”。沉积在芯棒被优先溶解后留下一个空心薄壁结构的熔敷金属。电铸制造轻质被认为是强有力的竞争者,薄壁(几微米)组件尺寸精度高、复杂的形状,表面与微型几何细节的精确复制。本研究的目的是生产薄壁复杂形状的组件和探讨镍效果的工艺参数包括电解溶液组成、表面形态和力学性能的产品。小心控制的成分以及加工参数导致壁厚从40到130微米与抗拉强度不同的400至1100 MPa最大硬度750高压。

关键字

镍;电沉积;电铸;晶粒尺寸;化学镀;微观结构;机械性能;电化学反应

介绍

电铸是一个新兴的制造技术生产薄壁金属部分所需的大小,形状和属性。电铸的支柱理论依赖于某些金属的电解沉积在导电和可移动衬底/模具称为“芯”。电铸是一种改性电沉积技术起源于电镀。过程的主要组件包括阳极、阴极电解液,芯棒/镀的基质和电源。特定的金属盐溶液的金属离子所必要的外部电场向阴极迁移和减少存款后,原子在其表面。离子和衬底之间不存在空间,造成表面损伤。然而,边缘和优惠获得厚外套因为收到更大的电流1]。电极的相对位置在一个合适的距离可能克服电沉积的厚度变化在这个过程的概念模型表面均匀的电流分布。最重要的吨电铸成形材料的使用能力,是薄金属箔的发展。有趣的是冲压板材印刷钞票还从事镍电铸,最初报道的沃森。航空工业广泛推断电铸的实用性,从生产的低体重精密零件例如天线和波导,大火箭燃烧室内置冷却通道。脉冲电流技术和糖精作为氨基磺酸盐添加剂((Ni (NH的解决方案₂所以₃)₂:450 g / l, H₃薄₃:30 g / l, NiCl₂:15 g / l和糖精3 g / l)细化晶粒结构的镍的电沉积;研究者们采用了一种高电流密度20 / dm²在50岁±1°C,以减少沉积时间(2]。

试验研究是由电铸成形的长宽比的提高镍网(厚度的增长的比率减少microvia直径)2-aminoethanethiol和半胱氨酸作为添加剂在电解浴的解决方案。光学观察和电化学行为这两种添加剂进行分析通过使用光学显微镜,线性扫描伏安法(LSV)和恒电流测量使用旋转圆盘电极(RDE)。不同浓度(0 mg / l-20 mg / l) 2-aminoethanethiol和半胱氨酸的使用,以评估他们的表现进一步增强纵横比(3]。

兆声波波是一个非常有效的设备开发保持视图的声辐射方向结合其他功能模块为了克服电铸过程中表面生成不均的问题。观察到几个因素可能导致不均匀的表面电铸可以声流,声音低空化效应和高强度,可以控制使用兆声波的波。提高电铸过程基于危害®,使用兆声波波,由于抵抗结构被观察到的小破坏,尽管这是一个优势在电铸过程中使用超声波振动。在电沉积过程中,目的是进一步提高离子运输,可以生产存款高纵横比,并删除不需要的泡沫形成过程中,兆声波波。在1980年代初德国联赛过程设计的监督下办法(卡尔斯鲁厄研究中心)。联赛过程的结合塑料成型、电铸和光刻技术,生产的优势微组件以相对低的成本。微型组件的生产是可行的只有电铸结合光刻(4]。在2016年的COMSOL®多重物理量软件检查电解液对流的影响镍离子浓度分布和流场,在微/纳米蛀牙。竹叶是用作模板在电铸实验中保持在微/纳米层次结构视图。仿真进行电铸过程表明,阴极表面附近的对流增强提高了传质。进行电镀镍的电铸实验探讨微结构磨料援助的概念。结果表明,水平阴极给friction-induced的均匀的微观结构电铸过程。与阴极的线速度的增加,更好的表面光洁度和细粮的镍电沉积结构。本文解释逐步过程使用硫酸镍和镍电铸镍的氨基磺酸盐电解的解决方案,以及流程变量的影响在组织和由此产生的机械性能的镍电铸5]。

材料和方法

电铸镍

一个流程图制造复杂形状的薄壁镍电铸按ASTM标准,所示图1所示。抛光后,铝基板被蚀刻在氢氧化钠溶液(氢氧化钠)和碳酸钠(Na₂有限公司₃)使用一个优化浓度维持在50°C,一段25 - 30秒。执行这个步骤去除空气形成氧化铝(Al₂O₃)层的表面。腐蚀是紧随其后的是明亮的浸渍中和铝衬底。这是在硝酸(7% HNO₃在室温下为90秒)解决方案。这将导致使铝衬底明亮和闪亮的6,7]。

图1:电铸过程的流程图。

后浸亮剂、化学镀镍是由雇佣主要电解溶液在铝基板上,产生一个光灰色金属镍涂料。这个非常薄层镍协助后续的发展的镍层沉积的二次电解溶液;它还有助于清除铝衬底的最后开发的镍电铸,在后期。执行这种化学镀镍电镀槽。过程的温度一直到85°C±2°C。溶液的pH值维持在5,通过使用氢氧化镍或盐酸。沉积时间是25分钟。表1显示了化学镀的优化组合解决方案(8]。

化学物质	浓度
顺丁烯二酸	34 g / l
硫酸镍	34 g / l
硫脲	1 ppm
次磷酸钠	35克/升
Succanic酸	10 g / l

表1。主要的化学镀镍溶液的组成和浓度。

一旦主要镍层是发达在铝基板上然后下降到次要或明亮的镀镍溶液长时间的时间取决于所需的电铸镍的厚度。mi - 151生产的台式酸度计马提尼®是用来测量溶液的pH值;pH值会影响光亮电镀范围,阴极效率、杂质、均镀能力、压力和也会影响涂层的物理性能。在正常操作条件下的pH值会上涨必须控制的稀硫酸或盐酸。如果pH值下降这将表明带入的酸(如从酸浸)、阳极行为异常,或不溶性阳极的使用。氢氧化镍的解决方案是用于提高pH值(9]。

一旦铝基板上涂有自我维持的厚层镍,它被使用抛光机烧伤科镍沉积提供了一个额外的光泽/发光。抛光后的镍层,铝芯棒是远离化学用氢氧化钠溶液(浓度:150 g / l)。为了执行机械测试(即微硬度、%伸长率和拉伸试验),检查电沉积的表面粗糙度,样本准备按照相关的ASTM标准。化学成分用于明亮的镀镍的电解液和优化的工艺参数表2和3分别为(10]。

化学物质	浓度
硫酸镍(你₄)	300克/升
硫酸钠(Na₂所以₄)	90克/升
月桂酰磺酸钠(C1₂H₂₅所以₃Na)	105毫克/升
食盐(氯化钠)	10 g / l
丁炔二醇(C₄H₆O₂)	0.4 g / l
硼酸(H₃薄₃)	40 g / l

表2。明亮的镀镍溶液成分和浓度。

参数	浓度
伏	2 - 3 V
当前的	1安培/ dm²
温度	50°C
pH值	5
空气搅拌	连续
沉积时间	4小时
电铸层厚度	150 - 200年µm

表3。优化工艺条件为明亮的镀镍。

结果与讨论

扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)

图2显示表面电镀镍使用硫酸镍电解液在两个不同的电流密度。观察,晶粒尺寸随着电流密度的增加,进而增加了潜在的成核速率,导致更大的晶粒大小和增强的表面粗糙度;最终影响机械性能的电铸成形镍。

图2:开发的SEM显微图的表面镀层镍两种不同电流密度)1 / dm²;6 b) / dm²。

温度对显微组织的影响的电铸成形镍在展出图3。是观察到的粒度增加随着工作温度的增加。晶粒尺寸的图3(一个)所示的晶粒尺寸明显小于图3 (b)。粒度,反过来,强烈影响机械性能的电铸成形镍、Hall-Petch明显的效果。

图3:开发的SEM显微图的表面镀层镍两种不同温度)30°C;b) 60°C。

扫描电镜显微图图4演示的pH值对晶粒尺寸的影响的电镀镍;观察到,pH值增加从4到6对电沉积的晶粒尺寸的影响轻微即。晶粒尺寸增加高博士观察明显对力学性能的影响;抗拉强度和硬度和碱度下降,反之亦然。这种奇特的变化的可能的原因可能是纯镍金属氢的脆化作用导致提供更多的硬度和抗拉强度。然而,很明显图4对晶粒尺寸的影响,温度和电流密度增加,相比之下,pH值的影响更加突出(11]。

图4:开发的SEM显微图的表面镀层镍两种不同的酸碱值a) = 4;b) pH = 6。

沉积时间对沉积厚度的影响层所示图5。32的一种变体μm获得的118μm不同时间从1到5小时。图6和图7显示能量色散x射线(EDX)光谱的镍电铸成形样品准备使用氨基磺酸镍和硫酸镍溶液,分别给出相应的元素组成表4和表5所示。数据显示镍为基础材料和少量的碳、氧等杂质;氧气可能是由于大气暴露而碳含量的可能的原因可能是镀镍溶液中使用添加剂的存在。杂质的含量相对较高的硫酸镍溶液(12]。

图5:SEM显微图显示镀镍样品的横截面在不同沉积时间期限:(a) (b) 1小时2小时(c) 3小时(d) 4小时(e) 5个小时

图6:SEM图像和EDS氨基磺酸镍样品的结果。

图7:SEM图像和EDS氨基磺酸镍样品的结果。

元素	重量%	原子%
C	4.56	18.51
O	0.98	2.98
倪	94.47	78.51

表4。元素使用镍电铸镍的合成氨基磺酸盐的解决方案。

元素	重量%	原子%
C	7.87	28.47
O	1.67	4.54
倪	90.47	66.99

表5所示。使用硫酸镍溶液电铸镍的元素成分。

x射线衍射(XRD)

XRD模式使用硫酸镍和镍的电铸成形镍氨基磺酸盐电解质所示图8。分析使用标准的PDF卡通过使用X-pert高分软件,(卡no.01 - 087 - 0712),揭示了在45°和53°最强的衍射峰对应于(111)和(200)晶面指示fcc结构镍;其他衍射峰是不可见的(13]。

图8:镍沉积的XRD模式使用硫酸镍和镍氨基磺酸盐电解质。

拉伸试验

拉伸试验的进行使用各种线材硫酸盐纯镍电解浴操作条件如温度、电流密度和pH值采用日本岛津公司AGS-X系列精密UTM 20 kN负载细胞应变速率为0.5毫米/分钟,按照ASTM E8标准。各种参数对拉伸强度的影响电铸成形镍的总结图9。多个样本进行一致性测试的误差图。这是观察到电流密度和温度的增加导致晶粒尺寸的增加的电镀镍如扫描电镜和光学显微镜图所示,相应减少电的力量。进一步注意到一个高电流密度的增加导致了氢进化负责增强的表面粗糙度,较大的晶粒大小和较小的伸长Hall-pitch支持的效果。

此外,明显图9 (c),增加4 - 6的pH值下降导致镍矿的抗拉强度,较高的酸性浓度(低pH值)的解决方案会导致氢包含存款导致氢脆的样本有较高的抗拉强度值(14]。

图9:抗拉强度电铸成形镍)的温度变化的结果;b)电流密度;c)电解液的pH值。

微硬度试验

电铸成形镍表面的显微硬度测试了在不同的电化学使用维氏显微硬度机工艺参数。图10 (a - c)展品的不同趋势的三个主要参数电流密度、温度和博士虽然完成工艺参数没有被描述的图10然而,硬度的下降趋势观察通过增加个人参数。这一趋势在不同显微硬度也支持其他描述技术由于工艺条件主要是影响合成的晶粒尺寸相应的力学性能的变化引起的。例如,通过增加温度和电流密度的晶粒尺寸增加,因此镍线材硫酸盐的硬度下降。此外,由于更高的电流密度,增强观察氢进化也造成了对高硬度的存款。类似的观察结果pH值和显微硬度作为电解质的高酸度增加硬度和脆性的电铸成形镍,如图所示图10 (c)。

图10:增加的影响)电流密度;b)加工温度;c)显微硬度电铸成形镍电解液的pH值。

一个详细的文献调查是为了填补空缺在电铸的研究领域。1994年迈克尔。讨论了方法,材料和商品电铸和突出显示重要的电铸的解决方案和存款的性质;如发现抗拉强度在415 MPa - 620 MPa的范围,而注意到显微硬度是170高压- 230高压(300 g负载)使用镀镍电镀镍盐和硼酸。高品质镍电影细晶粒形态使用一种新的电镀方法涉及超临界二氧化碳的乳液、电镀溶液和表面活性剂。镀电影使用这种方法有维氏硬度范围550高压- 705高压(100 g负载)。的属性和操作参数的影响综述了镀镍的抗拉强度值报告345 MPa - 485 MPa范围和显微硬度范围是130高压- 200高压(100 g负载)使用硫酸镍的电镀镍电解溶液。硬度测量的电沉积镍是在2018年,它被发现在476 - 496 (200 g负载)。镍沉积的显微硬度值是568高压。此外,他们扩大他们的工作- Ni-Co合金、复合涂料,以调查他们的微观结构、性能和应用。与文献相比机械测试镀层镍、当前的研究提供了增强了广泛深入的机械性能,如拉伸强度(414 MPa - 1117 MPa)和显微硬度(254 - 756年:负载300克)。 However, the wide variation was based on changing various processing parameters for the purpose of optimization the processing. The quest for electrodeposition of nickel etc. is still continuing leading to further useful applications.

结论

在调查过程中一个突出的温度对晶粒尺寸的影响观察镍矿床如最大粒径(13μm -14μm) 60°C。增强演进的氢气,在高电流密度较高的沉积速率即。6安培/ dm2也被观察到。可怜的力学性能在大颗粒大小被拉伸和显微硬度测试验证。机械搅拌和脉动电压不足导致坑的形成。无聊的镀镍观察到温度高于60°C和pH值为5.5。因此通过控制这些参数,机械性能如抗拉强度和显微硬度提高。例如,根据工艺参数,电铸成形镍之间不同的抗拉强度411 MPa - 1117 MPa,显微硬度254高压- 756高压的范围。

确认

作者感谢NESCOM(国家科学和工程委员会),巴基斯坦,为这个应用研究项目提供资金。

引用

唯一的乔丹。电铸:方法、材料、和商品。JOM。1994;46:29-35。
(谷歌学术搜索]
黄C, et al。电铸的研究现状和新趋势。:机械工程硕士2013;278:401 - 405。
(谷歌学术搜索]
谭YJ, et al。理解和改善电沉积的均匀性。冲浪外套抛光工艺。2003;167:255 - 262。
(Crossref][谷歌学术搜索]
McGeough JA, et al。电解液流的一些影响电铸的铁箔。Proc机构机械台北,C部分:J机械Eng Sci . 1986; 200:111 - 122。
(Crossref][谷歌学术搜索]
McGeough JA, et al。电铸过程和应用微观/宏观制造业。CIRP史册。2001;50:499 - 514。
(Crossref][谷歌学术搜索]
王,等。比较研究2-Aminoethanethiol和l -新添加剂对电铸镍网。Electrochim学报。2018;282:728 - 734。
(Crossref][谷歌学术搜索]
翟K, et al。研究megasonic电铸设备基于电铸过程的均匀性。Ultrason Sonochem。2018; 42:368 - 375。
(Crossref][谷歌学术搜索][PubMed]
刘G, et al。通过使用megasonic辅助电铸制造伤害。Microsyst抛光工艺。2008;14:1223 - 1226。
(谷歌学术搜索]
科斯特洛年代,et al。电沉积铜的高纵横比印刷电路板微孔使用megasonic风潮。Microsyst抛光工艺。2013;19:783 - 790。
(谷歌学术搜索]
翁C, et al。改善复制质量的电铸成形镍模具插入微/纳米结构。质量将Int Commun热量。2016;75:92 - 99。
(Crossref][谷歌学术搜索]
吉田H,等。新电镀镍乳液的超临界二氧化碳法和电镀的解决方案来提高镀膜的均匀性和硬度。薄固体电影。2004;446:194 - 199。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Biondani F, et al。加法制造的模具插入镜面表面。Procedia CIRP。2018;68:369 - 374。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Karimzadeh,等。回顾镀层Ni-Co合金和复合涂料:微观结构、性能和应用。冲浪外套抛光工艺。2019;372:463 - 498。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Mieszkowska M,等。水电解质的电化学沉积镍的目标医疗放射性同位素生产加速器:复习一下。J固态Electrochem。2021; 25:1699 - 1725。
(谷歌学术搜索]