电沉积方法制备纳米晶Ni_W合金工艺研究

V o.l 38 No .2 A pr .2009 SURFACE TECHNOLOGY

电沉积方法制备纳米晶N i W 合金工艺研究

吴化1

,韩双1

,吴一

2

(1.长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春130012;2.空军航空大学基础部,吉林长春130022)

[摘 要] 为了进一步优化镀液成分和工艺参数,为制备W 含量可在较大范围内变化的块状纳米晶N i W 合金提供依据,采用不含任何氨根离子(NH +4)的镀液通过电沉积方法制备纳米晶N i W 合金镀层。采用XRD 、SEM 和EDS 对镀层的结构、形貌和成分进行观察和分析。结果表明:电沉积过程中电流密度、电源类型、p H 值及搅拌方式对镀层的W 含量都会产生较大的影响。试验中所得到的N i W 合金镀层的W 含量为2.15%~30.31%(质量分数),其结构均为W 溶于N i 晶格所形成的置换式固溶体,平均晶粒尺寸为14~19n m;随着镀层中W 含量的增加,镀层的显微硬度也随之逐渐提高。

[关键词] N i W 合金;纳米晶;电沉积[中图分类号]TQ 153.2

[文献标识码]A

[文章编号]1001-3660(2009)02-0065-05

Study on Process Cond iti ons of E lectrodepositi on of N anocrystalli ne N i W A ll oys

WU H ua 1

,HAN Shuang 1

,WU Yi

2

(1.Depart m ent o fM aterial Sc i e nce and Eng i n eeri n g ,Changchun Un iversity of Techno logy ,Changchun 130012,Ch i n a ;

2.Depart m ent of Foundation ,The A ir Force A v i a ti o n Un iversity ,Changchun 130022,Ch i n a)

[A bstract] I n order to opti m ize the bath co m positi o n and process para m eters ,a lso to provide a basis for prepar i n g bulk nanocrystalline N i W all o ys w ith w ide content range ofW,plati n g bath w ithout any for m s o fNH +

4w as utilized to synthesize nanocrystalli n e N i W coa ti n g .XRD (X ray d iffracti o n),SE M (scann i n g electr on m icroscope)and EDS(en er gy dispersi v e spectroscopy)w ere used to characterize the structure ,surface m orphology and co m positi o n o f t h e coating .The resu lt sho w s that current density ,po w er type ,p H value and ag itati o n conditi o n have si g nificant effect on theW con tent of the coati n g .The W content o f the N i W coati n g obta i n ed is 2.15% 30.31%(m ass fraction).The N i W coati n g is a disp lace m ent solid solution m ade up o f so l v entN i and so l u teW,w ith the average gra i n size of 14~19n m.W it h the i n creasi n g of the W conten,t t h e m icrohardness o f the coati n g also increases .

[Key w ords] N i W a ll o ys ;Nanocr ystalli n e ;E lectrodepositi o n

[收稿日期]2008-11-19

[作者简介]吴化(1957-),男,吉林长春人,教授,博士,研究方向为材料表面改性、材料强韧化。

0 引 言

N i W 合金具有较高的熔点和硬度及较好的耐磨性和耐蚀性,且抗高温氧化,易脱膜,不粘着,对环境没有污染,因此作为镀铬层的替代镀层被广泛应用于轴承、气缸、活塞和铸造模具、热锻模具等的表面强化[1 4]。此外,N i W 电沉积层还可作为功能性镀层应用于微电子系统、微电子机械系统和超大规模集成电路(U LSI)中[5]。

随着纳米材料成为材料领域内的研究热点,电沉积方法作为制备纳米材料的基本方法之一,具有投入少,生产率高,受形状和尺寸的限制较小,可制备出接近于完全致密的纳米材料以及便于由实验室研究向工业化大规模生产转化等优点,逐渐成为大量制备纳米材料的最有前途的方法之一

[6]

。在常规电沉

积方法制备N i W 合金工艺的基础上,通过加入添加剂或适当控制温度、电流密度和p H 值等工艺参数,便可以制备出纳米晶

N i W 合金[7]。纳米晶N i W 合金除具有常规N i W 合金的优点

外,还兼具纳米材料的很多特性,具有更为广泛的应用前景,特别是由于N i W 合金本身的特点,还可以作为模型用于研究纳米金属材料的变形机理[8]。

由于在还原过程中存在电化学阻力,W 无法单独从钨盐的水溶液中沉积出来。但在铁族金属Fe 、Co 和N i 的存在下,W 很容易从其含氧阴络离子(即钨酸阴离子)中与N i 、Co 等共同析出,形成具有良好外观及优异性能的二元或三元合金镀层[9]。用于进行N i W 合金电沉积的镀液通常采用柠檬酸(盐)体系、酒石酸盐络合剂体系、焦磷酸盐体系、酸性体系和氨基磺酸盐体系[10 14]。在这些镀液体系中,常添加氨水或氨盐来调节镀液的p H 值以及提高法拉第效率。但需要注意的是,NH +4本身作为一种络合剂,也可以与镍离子形成二元络合物:

N i 2++n NH 3 [N i(NH 3)n ]2+

(1)

其中,n =2~6。

研究表明,在N i W 合金电沉积的过程中,W 仅能从钨酸根离子与镍离子及柠檬酸根离子形成的三元络合物[(N i)(HWO 4)(C it)]2-或[(N i)(H 2W O 4)(C it)]-中沉积出来(络离子所带电荷数与镀液的p H 值有关),而N i 除了可从上述2种

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