Co-Ni-W合金镀层的制备方法及专用镀液 |
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| 申请号 | CN201710667668.5 | 申请日 | 2017-08-07 | 公开(公告)号 | CN107460510A | 公开(公告)日 | 2017-12-12 |
| 申请人 | 苏州大学; | 发明人 | 吕凡; 盛敏奇; 李洪玮; | ||||
| 摘要 | 电沉积 制备单一相 纳米晶 Co-Ni-W 合金 镀 层的方法及专用镀液，镀液包含CoSO4·7H2O、NiSO4·6H2O、Na2WO4·2H2O、H3BO3、NH4Cl、Na2SO4·10H2O、C16H36ClN、Na3C6H5O7·2H2O、NH4CH2NS2、NaC6H11O7、N2H4·H2O，余量为 溶剂 去离子 水 ，调节镀液PH值为7.0～9.5，静置陈化；置入 超 声波 恒温槽中，实施脉冲电沉积；放入气氛保护炉中保温处理，获得单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层。本 发明 通过结合脉冲电沉积和超声场，制备出W含量高且为Co 固溶体 单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层，具有高硬度、高耐 腐蚀 的良好性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的专用镀液，其特征在于，包含下述组分： |
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| 说明书全文 | Co-Ni-W合金镀层的制备方法及专用镀液技术领域背景技术[0002] 近年来，环保部门对含Cr6+废液和废气的管控愈加严格，使得Cr(铬)镀层的应用受到限制。于是人们致力于开发出能够替代Cr镀层的环保镀层。在众多金属材料中，W(钨)合金表现出高熔点、高硬度和高耐腐蚀等优良性能，将W合金作为特殊器件表面的“替代Cr”镀层已引起广泛关注。 [0003] 对于Co(钴)基W合金镀层而言，使其能够作为“替代Cr”镀层的主导性因素是镀层W含量。利用直流电沉积制备Co基W合金镀层时，提高镀液中W浓度可以使镀层W含量升高，但存在上限(约32atom.％)，并且镀层W含量高于20atom.％后，Co-W合金镀层易于呈现非晶态或非晶态/晶态混合的状况，并时常伴有Co3W出现。即便非晶态Co基W合金镀层的W含量较高，但其硬度却低于W含量少的晶态(Co固溶体单一相)Co基W合金镀层。此外，金属间化合物Co3W的存在会提高Co-W合金镀层的硬度，在腐蚀环境中它会成为点蚀的萌生区，导致镀层耐腐蚀性恶化。 [0004] 对于合金而言，除了通过调控其结构或现有成分比例来改善性能外，另一种方法是添加其它合金成分。Ni(镍)加入到Co当中可以促进Co表面形成致密的钝化膜，使所构成的Co-Ni合金耐腐蚀性显著高于金属Co；Co与Ni形成固溶体时会产生固溶强化作用，使Co-Ni合金拥有比金属Co更高的硬度；Ni属于Fe族元素，可以与W进行诱导共沉积。因此，Co-Ni-W三元合金镀层应当拥有更高的硬度和更优越的耐腐蚀性能。 [0005] 综上所述，提升Co基W合金镀层硬度和耐腐蚀性的关键在于：(1)提高镀层W含量；(2)控制镀层结构为纳米晶Co固溶体单一相的状态；(3)选择合适的合金成分配比。 [0006] 近年来，声电化学的相关研究表明：(1)超声场可以改善电沉积过程中电流效率低、电流微观分布不均、液相传质慢等问题；(2)超声场有利于细化镀层晶粒，并影响镀层结晶取向；(3)超声场还可对合金镀层的成分比例产生影响。 发明内容[0007] 本发明在前人的工作基础上，紧密结合金属表面电沉积技术、声电化学等热点研究领域，通过合理配制镀液，将超声场引入电沉积过程，利用脉冲电沉积手段，制备出单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层，以期获得高硬度、高耐腐蚀的良好性能。 [0008] 本发明的目的之一在于提供一种制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的专用镀液，通过合理的配置镀液为电沉积制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层做准备。 [0009] 本发明的制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的专用镀液，包含下述组分： [0010] [0011] [0013] 本发明的目的之二在于提供一种基于上述制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的专用镀液通过电沉积制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的方法。 [0014] 具体的，本发明的电沉积制备单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层的方法，包括下述步骤： [0015] (1)按照下述计量比配制镀液： [0016] [0017] [0018] 余量为溶剂去离子水；调节镀液的PH值为7.0～9.5，静置陈化，备用； [0022] 上述技术方案中，电沉积过程中，阴极与铂阳极之间的距离为1～6cm，温度为35～55℃，平均阴极电流密度20～160mA·cm-2，脉冲电流的占空比为30～70％，脉冲频率为80～ 1500Hz。 [0023] 上述技术方案中，超声波功率为50～200W，超声波频率为30～120kHz。 [0024] 上述技术方案中，将步骤(1)得到的镀液置入超声波恒温槽中，实施脉冲电沉积10～30min。 [0025] (3)将经过步骤(2)脉冲电沉积的镀层放入气氛保护炉中保温处理，最终获得单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层。 [0026] 上述技术方案中，气氛保护炉中的气氛为H2与Ar(氩气)的混合气。 [0027] 优选的，所述的混合气中H2与Ar的体积比为5～10％。 [0028] 上述技术方案中，温度为120～160℃，保温处理0.5～1.5小时。 [0029] 本发明利用Co、Ni、W三元镀液体系，通过脉冲电沉积手段，并将超声场应用到电沉积过程中，通过超声场作用加速W配合物的液相传质速率、促进W析出的界面反应发生、调控镀层的结晶过程，制备出W含量高且为Co固溶体单一相纳米晶Co-Ni-W合金镀层，其具有高硬度、高耐腐蚀的良好性能，可用以代替传统的Cr镀层。 具体实施方式[0030] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0031] 下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规生化试剂商店购买得到。 [0032] 实施例1 [0034] 使用去离子水配制镀液，镀液组成为：CoSO4·7H2O 0.4mol·L-1，NiSO4·6H2O 0.1mol·L-1，Na2WO4·2H2O 0.1mol·L-1，H3BO3 0.06mol·L-1，NH4Cl 0.01mol·L-1，Na2SO4·10H2O 0.03mol·L-1，C16H36ClN 0.02mol·L-1，Na3C6H5O7·2H2O 0.2mol·L- 1NH4CH2NS2 0.02mol·L-1、NaC6H11O7 0.1mol·L-1、N2H4·H2O 0.05mol·L-1。调节镀液pH值为 7.5，将镀液在105℃微波加热回流4个小时，而后在60℃静置陈化36h。 [0035] 将此前预处理的冷轧低碳钢板作为阴极，铂片作为阳极，阴极与阳极之间的距离为2cm，电沉积温度为40℃，平均阴极电流密度40mA·cm-2，脉冲电流的占空比为40％，脉冲频率为100Hz，超声波功率为50W，超声波频率为40kHz，电沉积时间为30min。 [0036] 再将电沉积获得的镀层放入气氛保护炉中保温处理，气氛为H2/Ar混合气[V(H2)/V(Ar)＝8％]，温度为150℃，保温时间为1小时。 [0037] 通过X射线衍射仪与电子能谱测定获得的Co-Ni-W合金镀层样品的物相、平均晶粒尺寸和W含量；用维氏硬度计测试样品的硬度；并将样品浸泡在5％氯化钠溶液中60min后，测试其腐蚀电流密度。测试结果见表1。 [0038] 实施例2 [0039] 按照实施例1的方法处理冷轧低碳钢板。 [0040] 使用去离子水配制镀液，镀液组成为：CoSO4·7H2O 0.5mol·L-1，NiSO4·6H2O 0.15mol·L-1，Na2WO4·2H2O 0.2mol·L-1，H3BO3 0.06mol·L-1，NH4Cl 0.02mol·L-1，Na2SO4·10H2O 0.03mol·L-1，C16H36ClN 0.03mol·L-1，Na3C6H5O7·2H2O 0.2mol·L- 1NH4CH2NS2 0.02mol·L-1、NaC6H11O7 0.1mol·L-1、N2H4·H2O 0.05mol·L-1。调节镀液pH值为 8，将镀液在105℃微波加热回流4个小时，而后在60℃静置陈化36h。 [0041] 将此前预处理的冷轧低碳钢板作为阴极，铂片作为阳极，阴极与阳极之间的距离-2为5cm，电沉积温度为40℃，平均阴极电流密度120mA·cm ，脉冲电流的占空比为60％，脉冲频率为1200Hz，超声波功率为120W，超声波频率为100kHz，电沉积时间为10min。 [0043] 样品的分析表征与性能测试方法同实施例1。测试结果见表1。 [0044] 实施例3 [0045] 按照实施例1的方法处理冷轧低碳钢板。 [0046] 使用去离子水配制镀液，镀液组成同实施例1。调节镀液pH值为7.5，将镀液在105℃微波加热回流4个小时，而后在60℃静置陈化36h。 [0047] 将此前预处理的冷轧低碳钢板作为阴极，铂片作为阳极，阴极与阳极之间的距离为5cm，电沉积温度为40℃。 [0048] 电沉积过程的平均阴极电流密度、脉冲电流的占空比、脉冲频率、超声波功率、超声波频率、电沉积时间同实施例2。 [0049] 保温热处理方法同实施例1。 [0050] 样品的分析表征与性能测试方法同实施例1。测试结果见表1。 [0051] 实施例4 [0052] 按照实施例1的方法处理冷轧低碳钢板。 [0053] 使用去离子水配制镀液，镀液组成同实施例2。调节镀液pH值为8，将镀液在105℃微波加热回流4个小时，而后在60℃静置陈化36h。 [0054] 将此前预处理的冷轧低碳钢板作为阴极，铂片作为阳极，阴极与阳极之间的距离为2cm，电沉积温度为40℃。 [0055] 电沉积过程的平均阴极电流密度、脉冲电流的占空比、脉冲频率、超声波功率、超声波频率、电沉积时间同实施例1。 [0056] 保温热处理方法同实施例1。 [0057] 样品的分析表征与性能测试方法同实施例1。测试结果见表1。 [0058] 实施例5 [0059] 按照实施例1的方法处理冷轧低碳钢板。 [0060] 使用去离子水配制镀液，镀液组成同实施例2。调节镀液pH值为8，将镀液在105℃微波加热回流4个小时，而后在60℃静置陈化36h。 [0061] 将此前预处理的冷轧低碳钢板作为阴极，铂片作为阳极，阴极与阳极之间的距离为2cm，电沉积温度为40℃。 [0062] 电沉积过程的平均阴极电流密度、脉冲电流的占空比、脉冲频率、超声波功率、超声波频率、电沉积时间同实施例1。 [0063] 再将电沉积获得的镀层放入气氛保护炉中保温处理，气氛为H2/Ar混合气[V(H2)/V(Ar)＝8％]，温度为120℃，保温时间为1小时。 [0064] 样品的分析表征与性能测试方法同实施例1。测试结果见表1。 [0065] 结果证明利用本发明技术可以获得ε-Co固溶体单一相的纳米晶Co-Ni-W合金镀层，且镀层硬度较高、腐蚀电流密度较低，将其电沉积在冷轧低碳钢板上可大幅提升冷轧低碳钢板的表面硬度和耐腐蚀性。 [0066] 表1.不同条件下获得的Co-Ni-W合金镀层样品的分析表征与性能测试结果[0067] [0068] 于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 [0069] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 |
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