·788 北京科技大学学报 第36卷 大于6.5%)，继而通过热处理工艺使硅均匀地分布 粒度小于1μm的A山03颗粒，这种磁场的效应不明 于整个钢带，从而制备出近终型的高硅钢带.但是 显.Wamg等在10T磁场下获得的Ni纳米A,0, 该技术仍然存在能耗大、易污染环境、设备要求高、 复合镀层中，纳米A山，03颗粒在镍基体中同样可以 无法大规模生产等局限性.为解决这一问题，已有 蜂窝状分布，说明对于纳米复合电镀过程而言，磁场 学者提出利用复合电沉积获得高硅镀层结合热处理 的影响机理更为独特 来制备高硅钢的新型技术-).该方法具有简单、高 基于复合电沉积铁一纳米硅颗粒的复合镀层用 效、易操作等优点.然而，上述方法中，硅的传输过 于制备高硅钢的设想，本文针对稳恒磁场下在低硅 程一直缺乏深入的研究，如何强化硅的复合过程，相 钢带上镀覆铁一纳米硅颗粒复合镀层这一过程，研 关研究则更为少见 究了垂直稳恒磁场对阴极电流效率、镀层表面形貌 由于电沉积过程中施加磁场能形成独特的磁流 以及成分的影响规律，并对磁场的作用机制进行了 体力学效应(HD),而这对电沉积过程将产生显著 讨论 的影响，因此磁场下电沉积过程近年来受到广泛关 注.Thiemig等图探讨了磁场下镍基纳米复合电镀 1实验方法及设备 过程的影响，发现施加平行磁场明显提高纳米C0 1.1复合镀液组成及电沉积工艺条件 或者Fe,O,颗粒的含量；同时由于颗粒相的存在，镍 本实验所使用的基础镀液主要成分如表1所 薄膜的硬度得到了显著提高.Peipmann等对磁场 示，实验所用试剂均为分析纯.镀液中K,SO,作为 中NiH3nmAl,O,颗粒复合电沉积过程进行了研究， 支持电解质，提高镀液的导电性能.无机物稳定剂 结果发现磁场不仅可以提高镀层的纳米氧化铝颗 和少量铁粉的添加是为了防止镀液中F2+的氧化. 粒，并且能有效提高电流效率.Yamada和Asai o研 纳米Si颗粒购于上海超威纳米科技有限公司，平均 究发现，微米AL,03颗粒在0~7T平行磁场下进行 粒度为30nm,纯度为99.9%以上.镀液pH值为 电沉积后呈现蜂窝状分布在镍金属基体中，但是对 2.6~3.0,阴极电流密度为1~4Adm2 表1Fe纳米Si复合镀液组成及含量 Table 1 Composition of the Fe-nano Si particle bath solution gL-I FeSO,7H2O K2S04 无机物稳定剂 Si粉 分散剂 还原铁粉 200~500 80-200 6 11 1.2 少量 图1为磁场复合电沉积实验装置示意图.电镀 程中无外加搅拌，以便于考察磁场的影响.为了保 装置为一个水平电极体系，阳极在上，阴极在下，借 证每次镀液成分一致，每做完一个试样则需要更换 此可以利用重力效应有效地提高镀层中硅颗粒的含 一次镀液 量.实验中将工业纯铁片作为阳极，Si质量分数为 热电偶 3%的低硅钢片作为阴极材料，尺寸为20mm× 通氨气、 20mm,两极之间的距离为20mm.实验中稳恒磁场 由水冷电磁铁产生，该装置的磁极面直径为 加热装置 温控仪 130mm,可在85mm的气隙空间内可以产生0~ 1.5T的稳态磁场.该设备由磁场发生器、电控系统 电磁铁 阳极 阴极 和冷却系统三部分组成.复合镀液配置过程为：首 石英玻璃管 先是将纳米Si粉颗粒加入到含有分散剂的基础镀 铁液中，先利用机械搅拌混合镀液30min,然后利用 超声波(100W,5.7MHz)分散30min,即可得到均匀 图1磁场下实验装置示意图 分散的复合镀液，用稀H,SO,溶液调节镀液pH值 Fig.I Diagrammatic sketch of the experimental equipment under 在2.6~3.0.在开始电镀之前，向镀液中通入纯N2 static magnetic field 搅拌l0min,以降低镀液中溶解氧的含量.镀液的 温度控制在(85±1)℃，沉积时间为60min.电镀过 实验步骤：先将低硅钢薄片打磨、活化(5%稀北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 大于 6. 5% ) ，继而通过热处理工艺使硅均匀地分布 于整个钢带，从而制备出近终型的高硅钢带． 但是 该技术仍然存在能耗大、易污染环境、设备要求高、 无法大规模生产等局限性． 为解决这一问题，已有 学者提出利用复合电沉积获得高硅镀层结合热处理 来制备高硅钢的新型技术［5--7］． 该方法具有简单、高 效、易操作等优点． 然而，上述方法中，硅的传输过 程一直缺乏深入的研究，如何强化硅的复合过程，相 关研究则更为少见． 由于电沉积过程中施加磁场能形成独特的磁流 体力学效应( MHD) ，而这对电沉积过程将产生显著 的影响，因此磁场下电沉积过程近年来受到广泛关 注． Thiemig 等［8］探讨了磁场下镍基纳米复合电镀 过程的影响，发现施加平行磁场明显提高纳米 Co 或者 Fe3O4颗粒的含量; 同时由于颗粒相的存在，镍 薄膜的硬度得到了显著提高． Peipmann 等［9］对磁场 中 Ni-13 nm Al2O3颗粒复合电沉积过程进行了研究， 结果发现磁场不仅可以提高镀层的纳米氧化铝颗 粒，并且能有效提高电流效率． Yamada 和 Asai ［10］研 究发现，微米 Al2O3颗粒在 0 ～ 7 T 平行磁场下进行 电沉积后呈现蜂窝状分布在镍金属基体中，但是对 粒度小于 1 μm 的 Al2O3颗粒，这种磁场的效应不明 显． Wang 等［11］在 10 T 磁场下获得的 Ni-纳米 Al2O3 复合镀层中，纳米 Al2 O3 颗粒在镍基体中同样可以 蜂窝状分布，说明对于纳米复合电镀过程而言，磁场 的影响机理更为独特． 基于复合电沉积铁--纳米硅颗粒的复合镀层用 于制备高硅钢的设想，本文针对稳恒磁场下在低硅 钢带上镀覆铁--纳米硅颗粒复合镀层这一过程，研 究了垂直稳恒磁场对阴极电流效率、镀层表面形貌 以及成分的影响规律，并对磁场的作用机制进行了 讨论． 1 实验方法及设备 1. 1 复合镀液组成及电沉积工艺条件 本实验所使用的基础镀液主要成分如表 1 所 示，实验所用试剂均为分析纯． 镀液中 K2 SO4 作为 支持电解质，提高镀液的导电性能． 无机物稳定剂 和少量铁粉的添加是为了防止镀液中 Fe 2 + 的氧化． 纳米 Si 颗粒购于上海超威纳米科技有限公司，平均 粒度为 30 nm，纯度为 99. 9% 以上． 镀液 pH 值为 2. 6 ～ 3. 0，阴极电流密度为 1 ～ 4 A·dm － 2 ． 表 1 Fe-纳米 Si 复合镀液组成及含量 Table 1 Composition of the Fe-nano Si particle bath solution g·L － 1 FeSO4 ·7H2O K2 SO4 无机物稳定剂 Si 粉 分散剂 还原铁粉 200 ～ 500 80 ～ 200 6 11 1. 2 少量 图 1 为磁场复合电沉积实验装置示意图． 电镀 装置为一个水平电极体系，阳极在上，阴极在下，借 此可以利用重力效应有效地提高镀层中硅颗粒的含 量． 实验中将工业纯铁片作为阳极，Si 质量分数为 3% 的低硅钢片作为 阴极材料，尺 寸 为 20 mm × 20 mm，两极之间的距离为 20 mm． 实验中稳恒磁场 由水冷电磁铁产生，该 装 置 的 磁 极 面 直 径 为 130 mm，可 在 85 mm 的 气 隙 空 间 内 可 以 产 生0 ～ 1. 5 T的稳态磁场． 该设备由磁场发生器、电控系统 和冷却系统三部分组成． 复合镀液配置过程为: 首 先是将纳米 Si 粉颗粒加入到含有分散剂的基础镀 铁液中，先利用机械搅拌混合镀液 30 min，然后利用 超声波( 100 W，5. 7 MHz) 分散 30 min，即可得到均匀 分散的复合镀液，用稀 H2 SO4 溶液调节镀液 pH 值 在 2. 6 ～ 3. 0． 在开始电镀之前，向镀液中通入纯 N2 搅拌 10 min，以降低镀液中溶解氧的含量． 镀液的 温度控制在( 85 ± 1) ℃，沉积时间为 60 min． 电镀过 程中无外加搅拌，以便于考察磁场的影响． 为了保 证每次镀液成分一致，每做完一个试样则需要更换 一次镀液． 图 1 磁场下实验装置示意图 Fig． 1 Diagrammatic sketch of the experimental equipment under static magnetic field 实验步骤: 先将低硅钢薄片打磨、活化( 5% 稀 ·788·