·790· 北京科技大学学报 第36卷 后下降的趋势.并且施加0.6T磁场后，在低电流密 垂直磁场与电场相互作用，产生磁流体力学效应，引 度（≤2A·dm-2)时7比无磁场下稍低，而高电流密 起电镀液流动，能够有效地提高单位时间内输送到 度(>2Adm-2)时7则比无磁场下略高.这可能是 阴极表面Si颗粒的数量，根据Guglielmi复合电沉积 由于在低电流密度（≤2A·dm2)下，铁的还原过程 模型圆，达到阴极的颗粒数量越多，被生长的金属 中电化学反应速率慢，因此电化学反应步骤是铁还 镀层捕获的Si颗粒几率越大，因此镀层Si颗粒含量 原的控制步骤，而氢的析出受扩散过程控制，因此施 上升.当B为0.2T时，镀层Si颗粒的质量分数达 加磁场产生的磁流体力学效应主要促进氢的析出， 到最大值20.17%，这与无磁场下18.27%相比增加 )降低：而在高电流密度（>2A·dm-2)时，铁还原过 了10.4%，说明施加垂直磁场可以有效地提高镀层 程中电化学反应速率快，造成阴极区F2+浓度小， Si含量，因此在低硅钢薄带上电沉积获得高硅复合 因此控制步骤变为扩散传质过程，磁流体力学效应 镀层，再经过热处理环节，完全有可能使得整个基体 主要促进F2+传质速率，因此电流效率)高于无磁 材料Si均匀地达到6.5%，这证明了磁场下电沉积 场的数值.由于电流密度J增大，增大了阴极过电 制备高硅钢方法团具有可行性.另一方面，当B继 位，有利于氢的析出，因此在无磁场下4Adm2比3 续增强，磁流体力学效应引起的流动过强，冲刷阴极 Adm2的7值略低 表面，使得Si颗粒在阴极表面吸附停留的时间过短 2.2磁场对镀层Si颗粒含量的影响 不利于被生长的金属镀层包覆，以致与金属镀层结 图3显示磁场强度B和电流密度对镀层中Si 合不牢固的颗粒重新被冲入到镀液中，从而镀层S 颗粒含量的影响.从图3(a)中可以看出，施加垂直 颗粒含量又下降.如图3(b)所示，由于0.6T垂直 磁场后，镀层中Sǐ颗粒的质量分数随着磁场强度B 磁场产生的磁流体力学效应引起的流动过强，冲刷 的增大呈现先上升后下降的趋势，这与很多其他学 阴极表面，不利于颗粒在阴极表面的吸附，因此镀层 者研究磁场下复合电镀的规律相吻合1，切.一方面 Si颗粒含量与无磁场相比都明显降低 22 a 28(b 20 26 0T 18% 电流密度.J=2Adm2 3以 四0.6T 14 20 210 8 12 6 10 8 6 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 磁场强度，B/T 电流密度，J(A·dm 图3磁场强度()和电流密度(b)对镀层Si颗粒质量分数的影响 Fig.3 Effect of magnetic flux density (a)and curent density (b)on the content of silicon particles in the coatings 2.3磁场对镀层表面形貌的影响 图5是“山脊”表面和横截面形貌及其对应的 图4为磁场强度对镀层表面及横截面形貌影响 图谱分析.从图5(a)和5(b)中可以看出，在“山 的扫描电镜照片.如图4(a)和4(e)所示，无磁场下 脊”表面两侧散落着大量的深色圆颗粒，而在“山 复合镀层表面和横截面形貌都较平整：而施加垂直 脊”横截面内部也存在许多深色的圆点.再从 磁场对镀层表面形貌产生了显著影响，如图4(b)、 图5(c)~(D能谱分析可知，大量散落在“山脊”两 (c)和(d)所示，在镀层表面形貌上呈现出很多沿着 侧的深色颗粒和分布在“山脊”横截面两侧的深色 磁流体力方向延伸的凸起，称之为“山脊”，并且随 圆点均是Sⅰ颗粒.分析认为磁流体力学效应是形 着磁场强度增大，其延伸长度变长以及分布数量增 成“山脊”形貌的主要因素.为了研究在垂直磁场下 多.图4()所示在0.6T下获得的镀层横截面，图 F一Si复合镀层的沉积过程，考察电沉积时间的影 中三个红色箭头标示出“山脊”的位置. 响是必不可少的.图6显示了在0.6T、2Adm2条北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 后下降的趋势． 并且施加 0. 6 T 磁场后，在低电流密 度( ≤2 A·dm － 2 ) 时 η 比无磁场下稍低，而高电流密 度( ＞ 2 A·dm － 2 ) 时 η 则比无磁场下略高． 这可能是 由于在低电流密度( ≤2 A·dm － 2 ) 下，铁的还原过程 中电化学反应速率慢，因此电化学反应步骤是铁还 原的控制步骤，而氢的析出受扩散过程控制，因此施 加磁场产生的磁流体力学效应主要促进氢的析出， η 降低; 而在高电流密度( ＞ 2 A·dm － 2 ) 时，铁还原过 程中电化学反应速率快，造成阴极区 Fe 2 + 浓度小， 因此控制步骤变为扩散传质过程，磁流体力学效应 主要促进 Fe 2 + 传质速率，因此电流效率 η 高于无磁 场的数值． 由于电流密度 J 增大，增大了阴极过电 位，有利于氢的析出，因此在无磁场下 4 A·dm － 2 比 3 A·dm － 2 的 η 值略低． 2. 2 磁场对镀层 Si 颗粒含量的影响 图 3 显示磁场强度 B 和电流密度对镀层中 Si 颗粒含量的影响． 从图 3( a) 中可以看出，施加垂直 磁场后，镀层中 Si 颗粒的质量分数随着磁场强度 B 的增大呈现先上升后下降的趋势，这与很多其他学 者研究磁场下复合电镀的规律相吻合［11，17］． 一方面 垂直磁场与电场相互作用，产生磁流体力学效应，引 起电镀液流动，能够有效地提高单位时间内输送到 阴极表面 Si 颗粒的数量，根据 Guglielmi 复合电沉积 模型［18］，达到阴极的颗粒数量越多，被生长的金属 镀层捕获的 Si 颗粒几率越大，因此镀层 Si 颗粒含量 上升． 当 B 为 0. 2 T 时，镀层 Si 颗粒的质量分数达 到最大值 20. 17% ，这与无磁场下 18. 27% 相比增加 了 10. 4% ，说明施加垂直磁场可以有效地提高镀层 Si 含量，因此在低硅钢薄带上电沉积获得高硅复合 镀层，再经过热处理环节，完全有可能使得整个基体 材料 Si 均匀地达到 6. 5% ，这证明了磁场下电沉积 制备高硅钢方法［7］具有可行性． 另一方面，当 B 继 续增强，磁流体力学效应引起的流动过强，冲刷阴极 表面，使得 Si 颗粒在阴极表面吸附停留的时间过短 不利于被生长的金属镀层包覆，以致与金属镀层结 合不牢固的颗粒重新被冲入到镀液中，从而镀层 Si 颗粒含量又下降． 如图 3( b) 所示，由于 0. 6 T 垂直 磁场产生的磁流体力学效应引起的流动过强，冲刷 阴极表面，不利于颗粒在阴极表面的吸附，因此镀层 Si 颗粒含量与无磁场相比都明显降低． 图 3 磁场强度( a) 和电流密度( b) 对镀层 Si 颗粒质量分数的影响 Fig． 3 Effect of magnetic flux density ( a) and current density ( b) on the content of silicon particles in the coatings 2. 3 磁场对镀层表面形貌的影响 图 4 为磁场强度对镀层表面及横截面形貌影响 的扫描电镜照片． 如图 4( a) 和 4( e) 所示，无磁场下 复合镀层表面和横截面形貌都较平整; 而施加垂直 磁场对镀层表面形貌产生了显著影响，如图 4( b) 、 ( c) 和( d) 所示，在镀层表面形貌上呈现出很多沿着 磁流体力方向延伸的凸起，称之为“山脊”，并且随 着磁场强度增大，其延伸长度变长以及分布数量增 多． 图 4( f) 所示在 0. 6 T 下获得的镀层横截面，图 中三个红色箭头标示出“山脊”的位置． 图 5 是“山脊”表面和横截面形貌及其对应的 图谱分析． 从图 5 ( a) 和 5 ( b) 中可以看出，在“山 脊”表面两侧散落着大量的深色圆颗粒，而在“山 脊”横截面内部也存在 许多深色的圆点． 再 从 图 5( c) ～ ( f) 能谱分析可知，大量散落在“山脊”两 侧的深色颗粒和分布在“山脊”横截面两侧的深色 圆点均是 Si 颗粒． 分析认为磁流体力学效应是形 成“山脊”形貌的主要因素． 为了研究在垂直磁场下 Fe—Si 复合镀层的沉积过程，考察电沉积时间的影 响是必不可少的． 图 6 显示了在 0. 6 T、2 A·dm － 2 条 ·790·