CN101532150A - 电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液及其镀覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电沉积铜－氮化铝高性能复合涂层镀液及其镀覆方法，电沉积铜－氮化铝高性能复合涂层镀液包括下列原料：硫酸铜、络合剂丙酸、络合剂乳酸、缓冲剂硼酸、稳定剂乙酸铅、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和氮化铝；除氮化铝和乙酸铅外，取其它原料混合均匀制得铜离子基础镀液；在氮化铝中加入100ml无水乙醇和乙酸铅混合配制成悬浊液，超声波振荡0.5h，添加到铜离子基础镀液中，得到复合涂层镀液。本发明复合涂层硬度、耐磨性能得到大幅度提高，同时导热系数较铜没有明显下降，从而保证铜－氮化铝电沉积复合镀层在结晶器等表面处理领域更具实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面电沉积铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层制备方法，具体地说是通过复合电沉积方法制备具有高硬度、高耐磨、高导热率的铜-氮化铝(Cu-AlN)功能涂层。
背景技术
在金属材料的表面强化工艺中，使用涂层来提高其使用性能的方法被广泛采用。由于铜的硬度、导热性能能好，被广泛用做涂层的基体材料。但是纯铜涂层硬度低，耐磨性较差，因此用在材料表面处理中不能大范围应用。由于氮化铝AlN硬度高、耐磨性能好，而且导热系数高，化学稳定性能优异，在材料的设计领域中被广泛应用。将其与铜用复合电镀的方法，共沉积于金属表面得到的复合涂层，其硬度和耐磨性能有很大提高，导热系数与铜维持在相当的水平。将其应用到结晶器材料的表面处理等工艺中，具有良好市场应用前景。
复合电镀是指在电镀基础液中添加固体颗粒，通过搅拌使之充分悬浮，在沉积液中金属离子被还原剂还原的同时，可以将固体颗粒嵌入金属涂层中，从而制备具有特殊性能的复合功能涂层。随着对复合材料的研究开发，越来越多的金属和合金可用作复合涂层的基质，用于复合沉积的不溶性颗粒也大大扩展了。人们通过在电沉积液中加入不同的颗粒(Al2O3、石墨、等)获得具有耐腐蚀、耐磨损、高导热等功能性复合涂层。
发明内容
为了制得高硬度高耐磨性能的镀层，本发明提供了一种电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液及其镀覆方法。
实现上述目的的技术解决方案如下：
电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液包括下列配比的原料：
硫酸铜180～200g/L；络合剂丙酸2g/L；络合剂乳酸20ml/L；缓冲剂硼酸4.5g/L；稳定剂乙酸铅3mg/L；表面活性剂十二烷基苯磺酸钠100mg/L；氮化铝4～8g/L；
除氮化铝和乙酸铅外，取其它原料混合均匀制得铜离子(Cu2+)基础镀液；
在氮化铝中加入100ml无水乙醇和乙酸铅混合配制成悬浊液，超声波振荡0.5h，添加到铜离子(Cu2+)基础镀液中，得到pH值为5.0复合涂层镀液。
所述氮化铝颗粒度为0.5～5μm。
在温度70℃，将被镀工件放入上述所得复合涂层镀液中，施镀时间2h，所得涂层基体为铜和氮化铝，氮化铝复合量为5.45-10.86wt％。
本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：
1、本发明针对铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层，在镀液中分别加入无水乙醇，阴离子表面活性剂，克服了氮化铝AlN在镀液中的团聚现象，使氮化铝AlN在镀层中均匀分散，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层中氮化铝AlN复合量，相比较现有同类型电化学复合镀层提高了10％。
2、本发明制备的氮化铝AlN复合镀层相比较基础镀液制备的铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层，其硬度较纯铜镀层提高50％，磨损量仅为纯铜镀层的20％，同时导热系数较铜没有明显下降，从而保证氮化铝AlN电沉积复合镀层在结晶器等表面处理领域更具实际应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
在45号钢基体(30×20×3mm)上制备铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层。
电化学沉积铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层镀液包括下列配比的原料：
硫酸铜 180g/L；
络合剂丙酸 2g/L；
络合剂乳酸 20ml/L；
缓冲剂硼酸 4.5g/L；
稳定剂乙酸铅 3mg/L；
表面活性剂十二烷基苯磺酸钠 100mg/L
氮化铝 4g/L；
氮化铝颗粒粒径 0.5μm；
铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层镀液的制备步骤如下：
A、配制Cu2+基础镀液
按上述配方，除氮化铝(AlN)和乙酸铅外，取其它原料混合均匀配制取得铜离子基础镀液；
B、添加氮化铝(AlN)颗粒
在氮化铝(AlN)加入100ml无水乙醇、乙酸铅混合均匀配制成悬浊液，超声波振荡0.5h，添加到配制好的铜离子基础镀液中，得到pH值5.0铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层镀液。
在工件表面镀覆复合涂层镀液
将工件在电化学沉积前先进行预处理，预处理过程主要包括：工件打磨→水洗→化学除油→水洗→酸洗→水洗→酸性活化→水洗。
电镀过程中，将工件悬挂于铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层镀液中，温度70℃，在超生分散型水浴锅中开始施镀，同时在施镀过程中使用电动搅拌器搅拌，搅拌速度200r/min；施镀时间2h，在45号钢基体(30×20×3mm)工件上制得铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层基体。
电沉积后工件经60℃热水反复清洗，干燥后即可。
复合镀层中氮化铝AlN复合量采用EDS能谱仪测量；复合镀层的导热系数利用HOTDISK热物分析仪测量；显微硬度在MH-6型显微硬度计上测试，工作载荷50g；磨损试验在端面磨损试验机上测定，采用环盘状试样，对磨环采用外径24mm、内经16mm的45号钢，Ra0.3，淬火+回火后硬度52HRC，载荷200N，转速100r/min，磨损时间1h，用电子分析天平称量镀层磨损前后质量，通过磨损量评价耐磨损性能；
铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层中氮化铝AlN复合量为5.45wt％，较现有同类型电化学复合镀层中粒子的复合量有较大提高。
铜(Cu)镀层导热系数为85W/m-1K-1，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的导热系数为82W/m-1K-1。
铜(Cu)镀层热处理前显微硬度为342.4Hv，400℃热处理后显微硬度为546.7Hv；铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层热处理前显微硬度为420.7Hv，400℃热处理后显微硬度为775.8Hv。
铜(Cu)镀层磨损量为24.5mg，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层磨损量为5.3mg，本实施例中铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的硬度和耐磨性能均有较大的提高，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层为氮化铝AlN提供一种切实可行的负载方法。
实施例2：
1、镀液组成：
硫酸铜 180g/L；
络合剂丙酸 2g/L；
络合剂乳酸 20ml/L；
缓冲剂硼酸 4.5g/L；
稳定剂乙酸铅 3mg/L；
表面活性剂十二烷基苯磺酸钠 100mg/L；
氮化铝 6g/L；
氮化铝颗粒粒径 5μm；
得到pH值5.0铜-氮化铝(Cu-AlN)复合涂层镀液。
镀覆工艺条件：
温度65℃，搅拌速度100r/min，其它同实施例1。
验证结果：
铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层中氮化铝AlN复合量为10.86wt％。
黄铜(Cu)镀层导热系数为90W/m-1K-1，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的导热系数为88W/m-1K-1。
铜(Cu)镀层热处理前显微硬度为320Hv，400℃热处理后显微硬度为580.5Hv；铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层热处理前显微硬度为550.8Hv，400℃热处理后显微硬度为770.5Hv。
铜(Cu)镀层磨损量为20.35mg，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层磨损量为4.58mg，本实施例中铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的硬度和耐磨性能均有较大的提高。
实施例3：
1、镀液组成
硫酸铜 200g/L；
乳酸 20ml/L；
丙酸 2g/L；
硼酸 4.5g/L；
乙酸铅 3mg/L；
表面活性剂十二烷基苯磺酸钠 100mg/L；
氮化铝 8g/L；
氮化铝颗粒粒径 3μm；
镀覆工艺条件：
搅拌速度200r/min，温度75℃，pH值5.5。
其它同实施例1。
验证结果：
铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层中AlN复合量为8.68wt％。
铜(Cu)镀层导热系数为87W/m-1K-1，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的导热系数为85W/m-1K-1。
铜(Cu)镀层热处理前显微硬度为330.7Hv，400℃热处理后显微硬度为486.8Hv；铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层热处理前显微硬度为445.8Hv，400℃热处理后显微硬度为769.8Hv。
铜(Cu)镀层磨损量为22.15mg，铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层磨损量为5.28mg，本实施例中铜-氮化铝(Cu-AlN)复合镀层的硬度和耐磨性能均有较大的提高。
Claims (3)
1、电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液，其特征在于：包括下列配比的原料：
硫酸铜180～200g/L；络合剂丙酸2g/L；络合剂乳酸20ml/L；缓冲剂硼酸4.5g/L；稳定剂乙酸铅3mg/L；表面活性剂十二烷基苯磺酸钠100mg/L；氮化铝4～8g/L；
除氮化铝和乙酸铅外，取其它原料混合均匀制得铜离子基础镀液；
在氮化铝中加入100ml无水乙醇和乙酸铅混合配制成悬浊液，超声波振荡0.5h，添加到铜离子基础镀液中，得到pH值为5.0复合涂层镀液。
2、根据权利要求1所述的电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液，其特征在于：所述氮化铝颗粒度为0.5～5μm。
3、根据权利要求1所述的电沉积铜-氮化铝高性能复合涂层镀液的镀覆方法，其特征在于：在温度70℃，将被镀工件放入上述所得复合涂层镀液中，施镀时间2h，所得涂层基体为铜和氮化铝，氮化铝复合量为5.45-10.86wt％。
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