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Ni-P-金刚石化学复合镀层与钢基的扩散

Ni-P-金刚石化学复合镀层与钢基的扩散
Ni-P-金刚石化学复合镀层与钢基的扩散

复合电镀工艺的简介

复合电镀工艺的简介 现代电镀网讯: 1、复合电镀的发展历程及特点 复合电镀是20世纪20年代发展起来的一种新的电镀镀种,到1949年才出现了第一个专利,这就是美国人西蒙斯(Simos)利用金刚石与镍共沉积制作切削工具的金刚石复合镀技术。此后复合镀获得各国电镀技术工作者的重视,研究和开发都十分活跃,发展到今天则成为电镀技术中一个非常重要的分支领域。 复合电镀的特点是以镀层为基体而将具有各种功能性的微粒共沉积到镀层中,来获得具有微粒特征功能的镀层。根据所用微粒不同而分别有耐磨镀层、减摩镀层、高硬度切削镀层、荧光镀层、特种材料复合镀层、纳米复合镀层等。 几乎所有的镀种都可以用作复合镀层的基础镀液,包括单金属镀层和合金镀层。但是常用的复合镀基础镀液多以镀镍为主,近来也有以镀锌和合金电镀为基础液的复合镀层用于实际生产。 复合微粒早期是以耐磨材料为主,比如碳化硅、氧化铝等,现在则发展为有多种功能的复合镀层。特别是纳米概念出现以来,冠以纳米复合材料的复合镀层时有出现。这正是复合镀层具有巨大潜力的表现。 2、复合电镀原理 复合电镀也叫包覆镀、镶嵌镀,是在金属镀层中包覆固体微粒而改善镀层性能的一种新工艺。根据被包覆的固体微粒的性质,而制作出不同功能的复合镀层。 在研究复合电镀共沉积的过程中,人信曾提出3种共沉积机理,即机械共沉积、电泳共沉积和吸附共沉积。目前较为公认的是由N.Guglielmi在1972年提出的两段吸附理论。Guglielmi提出的模型认为,镀液中的微粒表面为离子所包围,到达阴极表面后,首先松散地吸附(弱吸附)于阴极表面,这是物理吸附,是可逆过程,微粒逐步进入阴极表面,继而被沉积的金属所埋入。 该模型对弱吸附步骤的数学处理采用Langmuir吸附等温式的形式。对强吸附步骤,则认为微粒的强吸附速率与弱吸附的覆盖度和电极与溶液界面的电场有关。一些研究耐磨性镍金刚石复合镀层的共沉积过程显示,镍-金刚石共沉积机理符合Guglielmi的两步吸附模型,其速度控制步骤为强吸附步骤。到目前为止,复合电沉积和其他新技术、新工敢一样,实践远远地走在理论的前面,其机理的研究正在不断的发展中。 3、复合电镀的添加剂 复合电镀的基体镀层往往可以采用本镀种原有的添加剂系列,比如镀镍为载体的复合镀层,可以用到低应力的镀镍光亮剂等。但是根据复合电镀的原理,复合电镀本身也需要用到一些添加剂,以促进复合和微粒的共沉积,这些添加剂依其作用而分别有微粒电性能调整剂、表面活性剂、抗氧化剂、稳定剂等。 (1).电荷调整剂 由于微粒在电场作用下与镀层共沉积是复合镀的重要过程,让微粒带有正电荷有利于共沉积,但是大多数微粒是电中性的,需要通过一定处理让其表面吸附带正电荷的离子,从而成为荷电微粒,某些金属离子如Ti+、Rb+等可以在氧化铝等表面吸附,从而形成带正电荷的微粒,有利于与镀层共沉积。某些络盐、大分子化合物也有调整微粒电荷的功能。为了使微粒表面能与相应的化合物有充分的结合,所有复合镀都要求添加到镀液中的微粒进行表面处理,类似电镀过程中的除油和表面活化,以利以获得有利于共沉积的电性能。 (2).表面活性剂 在以碳化硅为复合微粒的复合镀中,加入氟碳型表面活性剂,有利于微粒的共沉积。因此有些表面活性剂也是一种电位调整剂。但表面活性剂还有分散剂的作用,这对于微粒在镀液中的均匀分布也是很重要的。还有一些表面活性剂由于有明显的电位特征而在特定的电位下才有明显的作用,这对梯度结构的复合镀是有利的。 (3).辅助添加剂 还有一些络合剂、抗氧化剂等对基础液有稳定作用的添加剂,在有利于复合镀液的稳定性的同时,可以有利于微粒的共沉积。同时,电镀过程中的添加剂与许多复配添加剂一样,

纳米金刚石复合镀层制备工艺的研究

纳米金刚石复合镀层制备工艺的研究 王立平,高燕,刘惠文,徐洮 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) [摘要]纳米金刚石复合镀层具有金刚石和纳米颗粒的双重特性,应用前景广阔。采用复合电镀法制备了Ni-纳米金刚石复合镀层,考察了阴极电流密度、镀液pH值以及搅拌强度对纳米复合镀层显微硬度的影响,并分析了Ni-纳米金刚石复合镀层的共沉积过程。结果表明,选择适当的共沉积工艺参数,可以制备出同底材结合牢固,金刚石微粒弥散较均匀的高硬度纳米复合镀层,基质Ni中金刚石粒子的含量与镀面的机械俘获粒子的能力有关。 [关键词]复合镀层;纳米金刚石;显微硬度;工艺参数 0引言 纳米复合镀层所表现出的诸多优异性能已使纳米复合镀技术迅速成为电镀技术发展的又一热点[1]。目前,已经开发出各种纳米结构的耐磨减摩、装饰防护、耐高温以及电子复合镀层[2]。利用炸药爆炸法合成的纳米金刚石是目前所有方法中得到的最细的金刚石超粉,它不仅具有金刚石固有的高硬度、高耐磨特性,而且具有比表面积大、量子尺寸等特殊效应,金刚石和纳米颗粒的双重特性,使其在制备功能性纳米复合镀层中显示出广阔的应用前景[3]。采用普通瓦特镀液,添加纳米金刚石微粉制备了镍基纳米复合镀层,考察了工艺参数对复合镀层硬度的影响,得到了纳米金刚石复合共沉积的最佳工艺条件。 1试验部分 (1)复合电镀工艺流程:45钢→打磨、抛光→超声波除油→活化处理(表面强活化和弱活化)→纳米复合电镀→镀后处理。 (2)复合镀液以普通瓦特型光亮镀镍液为基础液,纳米金刚石添加量为10 g/L;镀液温度45℃,电流密度1~6A/dm2,pH=2~6 ,搅拌方式为磁力搅拌。电镀前将纳米金刚石粉与适量的有机分散剂混合后加入镀液,经超声波分散一定时间后,开始复合电镀。 (3)采用MV-5-VM型显微硬度仪测定复合镀层的显微硬度,用来判断纳米金刚石颗粒对复合镀层的强化效果。用光学显微镜和JSM-5600LV型扫描电子显微镜对镀层的表面形貌进行观察。采用WS-97型自动划痕仪对纳米复合镀层与底材的结合强度进行了测试。以镀层剥落时的最小临界载荷Lc作为镀层结合强度的度量。 2结果与讨论 2.1工艺参数对复合镀层硬度的影响 2.1.1阴极电流密度的影响 在电沉积其他工艺条件不变的情况下,阴极电流密度与镍-纳米金刚石复合镀层显微硬度关系见图1。图1电流密度对纳米复合镀层硬度的影响由图1中可见,随着阴极电流密度的增加,纳米复合镀层的硬度呈现出先缓慢增大后急剧减小的趋势,当电流密度大于 5 A/dm2后,复合镀层的硬度几乎与纯镍镀层硬度相当。原因是随着阴极电流密度的增大,金属镍对纳米金刚石颗粒的包裹能力增强,同时电沉积过程中的电场力增强,即阴极对吸附着少量正离子的纳米金刚石的静电引力增强,对金刚石和基质金属镍的共沉积有一定的促进作用。 当电流密度继续提高时,镍的沉积速度将会显著加快。然而,纳米金刚石被输送到阴极附近并被嵌入镀层中的速度,随电流密度而增大的速度,常赶不上基质镍沉积速度的提高[4],所以当阴极电流密度太大时,金刚石沉积量反而减少,复合镀层的硬度自然下降。同时电流密度过大时,阴极表面析氢加剧,阻碍了纳米金刚石与阴极表面的吸附。这也说明金刚石颗粒到达阴极表面并不是主要靠电场力的作用。综合其他复合镀工艺[5]发现,与微米级颗粒相比,对于纳米颗粒的共沉积,最优化的施镀电流密度大幅下降,这可能是由于纳米颗粒的特有的小尺寸等特性所影响的。

金刚石涂层

化学气相沉积法制备金刚石涂层 金刚石是硬度最高的固体物质(HV= 100GPa),性质稳定,耐磨,但却难以加工成各种所需的零件和制品。采用气相沉积法制备金刚石涂层,可以使金刚石性质得以从分利用,同时也节约了成本。下面以金刚石涂层拉拔模具的制备为例,简单介绍化学气相沉积法金刚石涂层的制备方法。 金属线材行业是我国的主要传统产业,而金属线材生产企业重要的易消品就是拉拔模具,其使用方式如图1所示,拉拔模具的性能决定了金属线材的质量、生产效率和生产成本。目前线材行业所用的模具主要为硬质合金模具和聚晶金刚石模具两大类。硬质合金模具寿命短,易粘料,生产效率低;聚晶金刚石模具价格高,制作较大尺寸模具和异形模具非常困难,且韧性较差。本文应用化学气相沉积 (chemicMvaperdepsdition,CVD)金刚 石涂层技术,制成金刚石涂层拉拔模 具,克服了硬质合金拉拔模具不耐磨 和聚晶金刚石拉拔模具韧性较差的缺 点,成为新一代的拉拔模具。 金刚石涂层拉拔模具的制备过 程:金刚石涂层拉丝模具是以YG6 硬质合金模具为基体,经过特殊的表 面处理后,用气相沉积方法,在硬质合金拉丝模具基体工作区域表面沉积10—30p,m的多晶金刚石膜。经修整、抛光、镶套后制作成成品,具体过程如图2所示。 (1)准备工作 选择YG6牌号硬质合金模具,坯料孔型和尺寸与所要制备的成品模具相适应,通过内孔研磨修整工艺将模具坯料修整为合适的形状,预留30u m 左右的尺寸余量,以配合涂层厚度尺寸。将修整完毕的硬质合金模具进行喷砂处理,去除表面的污染物和疏松层,再使用蒸馏水、酒精在超声波清洗机中清洗。最后将模具在配制好的酸、碱液中进行表面腐蚀处理,并采用蒸馏水、酒精超声波清洗,完毕后将试件装入自制的热丝CVD金刚石沉积设备中。 (2)涂层沉积

银基金刚石超细微粒复合镀层的制备及表征

文章编号:iool973l(2001)0l0¨O03 银基金刚石超细微粒复合镀层的制备及表征‘ 余妮,施智祥,于海梁,宋锦柱 (东南大学材料系,江苏南京2l0096) 1引言 2制备方法 附褂雕3制备工艺对镀层结构的影响 ,收稿日期t1999一09—25 O重要。制备工艺决定了复合镀层的结构特征,从而影响了复台镀层的功能特性‰“。本工作主要研究了电镀工艺对复合镀层中颗粒音量、分布均匀性及Ag基结晶形貌的影响。 表1复台电镀工艺规范 Table1Thetechniccriterionofcompositeelectroplate 试剂名称含量(g/L) AgN0370~90 KcN(总)100~125 KCN(游离)45~75 KNOx70~90 童刚石微粒0~】8 甘油0~lO 3.1微粒含量殛分布 3.1.1搅拌的影响 搅拌前后,金刚石微粒在复合镀层中的分布如图2所示。经搅拌制各的复合镀层不仅比未搅拌所制各的复合镀层金刚石微粒分布均匀一些,而且金刚石微粒在复舍镀层中的含量也较高;但是,搅拌并没有使金刚石微粒充分分散。通过搅拌作用,仅仅可以将大块的金雕石微粒团聚物分裂成小块的团聚物。 图Z搅拌对叠刷石散粒在复台镀层中分散的作用 Fig2Effectofdisturbingonthedisperseofdiamondpowdersinthecomp08itecoadng 3.1.2分散剂的影响 为了使金刚石微粒能在复合镀层中均匀分布以获得良好的性能,必须在镀液中加入分散剂.使得金刚石微粒在镀液中即处于分散状态。 耳前国内常用的分散剂有:阿拉伯树胶、丹柠酸、硅酸钠和甘油等化学试剂。本文选用甘油作为金刚石微粒的分散剂。 分散剂属于表面活性剂,是复合电镀申的主要添加剂。由于它的加^t可以改变微粒的分散性能、亲水性和电极电位。经过分散剂的加人使得金刚石微粒在复合镀层中的分布非常均匀,未加人或少量加入分散剂的复合镀层中金刚石微粒的分布 《功能材料》2001,32(1)  万方数据

金刚石复合镀层的研究现状

金刚石复合镀层的研究现状 工业上应用的材料经常是根据对强度的要求来选用的,但其表面性能,例如耐磨损性、抗腐蚀性、耐擦伤性、导电性不一定能满足要求。因此,需要选择不同的镀层以满足表面性能的要求。镀层的制备可通过机械镀、摩擦电喷镀、流镀、激光镀、浸镀、电泳涂装、复合电镀等技术来实现。近年来,高速发展起来的复合镀层以其独特的物理、化学、机械性能成为复合材料的新秀,得到广泛的关注,并已经被公认为一种生产技术。复合镀层是通过金属电沉积或共沉积的方法,将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层。以超硬材料作为分散微粒,与金属形成的复合镀层称为超硬材料复合镀层。文中介绍的金刚石复合镀层就属于这一类。金刚石复合镀层的制备方法主要有化学复合镀和复合电沉积法。 1 金刚石颗粒与金属离子共沉积机理 在复合镀液中加入的金刚石颗粒具有很强的化学稳定性,施镀过程中它不参与任何化学反应,只是与化学(电化学)反应产生的金属离子共同沉积在基体的表面上。故化学镀和电沉积复合镀层都可用相同的机理来解释。在研究复合电镀共沉积过程中,人们曾提出3种共沉积机理,即机械共沉积、电泳共沉积和吸附共沉积。目前较为公认的是由N.Guglielmi在1972年提出的两段吸附理论。Gugliemi提出的模型认为,镀液中的微粒表面为离子所包围,到达阴极表面后,首先松散地吸附(弱吸附)于阴极表面,这是物理吸附,是可逆过程。其次,随着电极反应的进行,一部分弱吸附于微粒表面的离子被还原,微粒与阴极发生强吸附,此为不可逆过程,微粒逐步进入阴极表面,继而被沉积的金属所埋入。 该模型对弱吸附步骤的数学处理采用Langmuir吸附等温式的形式。对强吸附步骤,则认为微粒的强吸附速率与弱吸附的覆盖度和电极与溶液界面的电场有关。王森林等研究耐磨性镍金刚石复合镀层的共沉积过程,结果表面:镍金刚石共沉积机理符合Guglielmi的两步吸附模型,其速度控制步骤为强吸附步骤。到目前为止,复合电沉积和其它新技术、新工艺一样,实践远远地走在理论的前面,其机理的研究正在不断的发展之中。2金刚石复合镀层的制备及应用 2.1 化学复合镀金刚石 化学镀是不外加电流,在金属表面的催化作用下经控制化学还原法进行的金属沉积过程。在镀液中加入不溶性微粒,使之与金属共沉积,即可得到复合镀层。化学复合镀不需电源和辅助阳极,不受基体材料形状的影响,可在材料的各部位均匀沉积,镀层致密硬度高,以及自润滑性、耐热性、耐腐蚀性和特殊的装饰性。在航空、机械、化工、冶金及核工业等方面有广泛的应用。复合化学镀镍镀层的性质随着选用微粒种类不同而异。金刚石有多种类型,大致可分为两类:单晶和多晶。制备复合材料所选用的金刚石类型取决于复合材料的最终用途。单晶金刚石适用于研磨和磨削,因其表面特征是具有尖锐的边角。 金刚石锉和砂轮等是用复合镀层作为功能面,易采用天然单晶金刚石。耐磨的复合材料不能含有单晶金刚石,因其粗糙的表面易磨损配对面,一般采用爆炸法人造多晶金刚石。化学镀镍-多晶金刚石复合材料具有良好的表面防护和抗擦伤性能。薄层的化学镀镍-金刚石作为中间层可以提高镍铬电镀沉积物的抗腐性,是最早镀制的化学镀复合材料之一,现在此种镀层则主要用于抗磨。表1是Taber实验机测定金刚石镀层耐磨性结果[6],较对比试样硬铬高4倍,也优于工具钢及硬质合金。

金刚石表面Ti-Ni复合镀层的成分及界面分析

?110? 材料导报B:研究篇2012年8月(下)第26卷第8期金刚石表面Ti-Ni复合镀层的成分及界面分析。 刘世敏1,马瑞娜2,杨雪3 (1天津商业大学商学院,天津300134;2河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130; 3三一路面机械有限公司,长沙410100) 摘要采用真空微蒸发镀钛和化学镀镍相结合的方法,在金刚石表面制备了Ti~Ni复合层,观察了镀层的表面形貌以及界面结构,分析了镀层的相成分。结果表明:金刚石表面镀层比较完整;Ti层和金刚石之间以及Ti层和Ni层之间结合都较为致密,界面之间分别有TiC和TiNi化合物生成,形成冶金结合。 关键词金刚石复合镀层表面金属化成分界面 中图分类号:TQl64文献标识码:A AnalysisontheCompositionandInterfaceofTi—NiComposite CoatingonDiamondSurface LIUShiminl,MARuina2,YANGXue3 (1BusinessSchool,TianiinUniversityofCommerce,Tianiin300134;2SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130;3SanyRoadMachineryCo.,I。td.,Changsha410100) AbstractTi—Nicompositecoatingwaspreparedondiamondsurfacebyvacuumslowvapordepositioncombinedwithelectrolessplating.Surfacemorphologyandinterfacestructureofthecoatingwereobserved.Thephaseeomposi—tionofthecoatingwasinvestigated.Theresultsshowthatthecoatingonthediamondsurfaceisrelativelycomplete. Therearecompactcombinations,betweenthediamondandTi-layeraswellastheTi—layerandNi-tayer.TiCandTiNicompoundsformatinterface,sogoodmetallurgicalbondingcanbeobtained. Keywordsdiamond,compositecoating,surfacemetallization,composition,interface 金刚石/铜复合材料无论在微电子领域还是在金刚石锯切和钻进工具中使用都十分广泛[1’2]。由于金刚石与基体金属之间的界面能很高,金刚石颗粒仅被机械地镶嵌在金属基体之中,导致复合材料两相间易产生微缝隙,使得界面结合强度降低,进而影响到复合材料的导热性能、力学性能等。在金刚石工具中,在磨削力的作用下,金刚石颗粒极易脱落,使金刚石的作用得不到充分发挥而造成大量浪费[3—5]。因此,改善金刚石与基体之间的润湿性能、提高它们之间的界面结合强度是提高金刚石/铜复合材料性能的关键。 金刚石表面金属化是改善金刚石与基体金属润湿性的有效途径[6]。金刚石表面金属化就是采用物理或化学方法在金刚石表面形成金属、合金、金属碳化物或它们的混合层,使金刚石表面具有金属性质,以达到提高界面结合性能的目的[7],可分为有界面反应的金刚石表面金属化和没有界面反应的金刚石表面金属化。其中,能够在金刚石表面生成碳化物层的称为有界面反应的金刚石表面金属化,强碳化物形成元素有Ti、W、Cr、Mo等。因为形成了冶金结合,与没有界面反应的金刚石表面金属化相比,可以实现金刚石和镀层的牢固粘结[8舟]。虽然无界面反应发生的金刚石表面金属化(如化学镀Ni)与金刚石的粘结性能较差,但是镀层与铜基体材料的润湿性较好。 本实验首先采用真空微蒸发镀技术在金刚石表面制备一层Ti,考虑到Ni与Cu有较好的润湿性,在Ti层表面再化学镀一层Ni,制备了复合镀层,既能保证金刚石与镀层的牢固粘结,又可以实现镀层与基体材料的有效润湿。研究了镀层的化学成分和界面结构,希望对提高金刚石/铜复合材料的性能有所贡献。 1实验 本实验采用人造金刚石,其粒度为70/80,Ti粉为小于300目。首先采用真空微蒸发镀的方法,在金刚石表面制备Ti层。其施镀温度为750℃,炉内真空度为6~7Pa,保温时间为0.5h,真空炉冷。然后采用化学镀的方法,在镀Ti的金刚石表面再制备一层Ni层。镀液的主要组成及工艺条件为:359/LNiS04?6H20、359/LNaH2P02?H。O,溶液的pH值维持在4。8左右、温度90℃。 在电子扫描电镜下观察镀覆后金刚石的表面形貌,分析镀层之间以及镀层与金刚石之间的界面结构。采用X射线衍射仪分别对真空微蒸发镀Ti、Ti—Ni复合镀的金刚石进行分析,确定反应产物。 *河北省自然基金(E2009000077) 刘世敏:女,1976年生,讲师,博士,主要从事对材料表面改性的研究E-mail:lshml216@163.com万方数据

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