CN102337569B - 一种钴-钨纳米合金镀层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，以白金钛或钴-钨合金为阳极，待镀工件为阴极，采用硫酸钴100-200g/l、钨酸钠10-70g/l、硫酸钠50-150g/l、硼酸15-50g/l、糖精钠1-4g/l、表面活性剂0.01-0.1g/l和络合剂40-120g/l的混合溶液为电解液，进行电镀。合金镀层为纳米晶结构，晶粒尺寸为20～40nm；纳米合金镀层中钨含量为13.2～25.1wt％。本发明优点在于：镀层制备方法简单，不仅具有硬铬镀层的硬度，而且具有比硬铬镀层更好的耐磨和减摩性能。适用于要求高硬度、高耐磨和低摩擦系数的部件，具有广泛的应用。

Description

一种钴-钨纳米合金镀层及其制备方法
技术领域
发明公布了一种钴-钨纳米合金镀层及其制备方法。本发明镀层不仅具有高的硬度，而且具有非常优异的耐磨和减摩性能。适用于要求高硬度、高耐磨和低摩擦系数的部件，能够代替传统环境污染的硬铬镀层，在汽车、机械、精密制造和航天航空领域具有广泛的应用。
背景技术
随着现代汽车工业、机械工业及航空、航天工业的飞速发展，在干摩擦及液压和润滑油介质作用下使用的高承载汽缸活塞、滑动部件越来越多。在滑动部件表面电镀高硬度、耐高温、耐腐蚀以及抗疲劳磨损的镀层材料是解决摩擦过程中由于温度升高，零件表面发生烧结拉伤，以至于失效的有效途径，可以大大提高设备使用寿命，增加经济成本。
硬铬镀层具有良好的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，在工件表面镀硬铬是解决这一问题的重要途径。但从环境角度考虑，电镀硬铬严重污染环境、危害人类的身体健康，世界各国环保部门对此工艺进行限制和禁止。在替代功能性硬铬镀层方面，钴和镍及他们的合金镀层由于具有其优异的性能而备受关注。但是，镍基合金镀层在耐磨性能和硬度还达不到硬铬镀层的要求。镍基合金为面心立方晶格，在与对偶金属对摩过程中，往往会与对偶金属发生严重粘着，从而加剧磨损，耐磨性较差。同时，镍基合金镀层的硬度也不高，对镍-钨合金来说，当合金镀层中钨含量超过30％时，其显微硬度值为400-600Hv，须经过高温热处理(300-500℃)才能使其硬度达到1000Hv左右，而经过热处理后，镍-钨镀层脆性显著增加，镀层与基体材料结合力很差，容易剥落，难有实际的应用价值。而钴基合金具有比镍基镀层更高的硬度和更优异的减摩与抗磨性能[Materials Chemistry and Physics 99(2006)96]。因此，与镍基镀层相比，钴基镀层更具有替代环境污染硬铬镀层的潜力。可惜，目前国内外关于有关钴基合金镀层，特别是耐磨和高硬度钴-钨纳米合金镀层，还很少见到相关专利和论文报道。
发明内容
本发明专利的目的在于解决现有技术存在的缺陷，利用优化电镀工艺和电镀液组分，提供一种具有高硬度、高耐磨和低摩擦钴-钨纳米合金镀层及其制备方法。本发明的合金镀层不需要热处理就可以直接达到850～1050Hv的显微硬度，且镀层耐磨和减摩性能优异。而且制备方法简单，能够代替传统环境污染的硬铬镀层，在汽车、机械、精密制造和航天航空领域具有广泛的应用。
本发明的目的通过以下方式来实现：
一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，以白金钛或钴-钨合金为阳极，待镀工件为阴极，采用硫酸钴100-200g/l、钨酸钠10-70g/l、硫酸钠50-150g/l、硼酸15-50g/l、糖精钠1-4g/l、表面活性剂0.01-0.1g/l和络合剂40-120g/l的混合溶液为电解液，进行电镀。
优选地，电镀时控制温度20-70℃，Ph值3-8。
优选地，电镀时磁力搅拌速度为100-300转/分，电镀时间为1-3h。
优选地，电镀采用双脉冲电镀法，正向平均电流密度为2-8A/dm2，反向平均电流密度为0.2-0.8A/dm2，正反向电镀频率为500-1500hz。
优选地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。
优选地，所述络合剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸铵或EDTA二钠。
优选地，所述待镀工件的材料为铜、铁和钛中的一种或任意两种的合金或三种的合金。
上述方法制备的钴-钨纳米合金镀层为纳米晶结构，晶粒尺寸为20～40nm；纳米合金镀层中钨含量为13.2～25.1wt％。镀层显微硬度为900～1100Hv。干摩擦磨损试验表明(UMT-3M摩擦磨损试验机，对偶钢球，室温和5N条件下，摩擦30min)，镀层摩擦系数为0.20～0.40，磨损率为2.5～4.0×10-6mm3/N·m。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
用钢铁或铜等金属基材制备钴-钨纳米合金镀层的方法简单，操作工艺稳定，且投资小成本低。制备的钴-钨纳米合金镀层不仅具有硬铬镀层的硬度，且具有比硬铬镀层更好的耐磨和减摩性能。适用于要求高硬度、高耐磨和低摩擦的部件，能够代替传统环境污染的硬铬镀层，在汽车、机械、精密制造和航天航空领域具有广泛的应用，可以延长零件的使用寿命，降低动力消耗，节约能源，有利于环境保护。
附图说明
图1是本发明实施例1～4制备的钴-钨纳米合金镀层的XRD谱图。
具体实例方式
实施例1
一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，具体步骤如下：
制备钴-钨纳米合金镀层的电镀液，其组分为每升镀液中包括：112g硫酸钴，33g钨酸钠，19g硼酸，0.06g十二烷基苯磺酸钠，59g柠檬酸钠，100g硫酸钠，1g糖精钠。将上述镀液进行电镀，阳极为白金钛网，阴极为经过除油-清洗-酸活化的黄铜基材。电镀采用双脉冲电镀方法，正反向平均电流密度分别为为4A/dm2和0.4A/dm2，正反向脉冲频率1000hz，磁力搅拌速度为100转/分，控制温度20℃，Ph值3，电镀1h，制备得到钴-钨纳米合金镀层，其XRD谱图如图1所示，性能如表1所示。
实施例2
一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，具体步骤如下：
制备钴-钨纳米合金镀层的电镀液，其组分为每升镀液中包括：100g硫酸钴，30g钨酸钠，20g硼酸，0.05g十二烷基苯磺酸钠，60g柠檬酸钠，100g硫酸钠，1.5g糖精钠。将上述镀液进行电镀，阳极为白金钛网，阴极为经过除油-清洗-酸活化的黄铜基材。电镀采用双脉冲电镀方法，正反向平均电流密度分别为6A/dm2和0.6A/dm2，正反向脉冲频率800hz，磁力搅拌速度为100转/分，控制温度70℃，Ph值8，电镀3h，制备得到钴-钨纳米合金镀层，其XRD谱图如图1所示，性能如表1所示。
实施例3
一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，具体步骤如下：
制备钴-钨纳米合金镀层的电镀液，其组分为每升镀液中包括：120g硫酸钴，33g钨酸钠，30g硼酸，0.06g十二烷基苯磺酸钠，59g柠檬酸钠，100g硫酸钠，1g糖精钠。将上述镀液进行电镀，阳极为白金钛网，阴极为经过除油-清洗-酸活化的黄铜基材。电镀采用双脉冲电镀方法，正反向平均电流密度分别为8A/dm2和0.8A/dm2，正反向脉冲频率1500hz，磁力搅拌速度为200转/分，控制温度50℃，Ph值5，电镀2h，制备得到钴-钨纳米合金镀层，其XRD谱图如图1所示，性能如表1所示。
实施例4
一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，具体步骤如下：
制备钴-钨纳米合金镀层的电镀液，其组分为每升镀液中包括：112g硫酸钴，50g钨酸钠，40g硼酸，0.10g十二烷基硫酸钠，80g柠檬酸钠，100g硫酸钠，1g糖精钠。将上述镀液进行电镀，阳极为白金钛网，阴极为经过除油-清洗-酸活化的黄铜基材。电镀采用双脉冲电镀方法，正反向平均电流密度分别为4A/dm2和0.4A/dm2，正反向脉冲频率1000hz，磁力搅拌速度为150转/分，控制温度40℃，Ph值7，电镀1.5h，制备得到钴-钨纳米合金镀层，其XRD谱图如图1所示，性能如表1所示。
表1本发明制备的钴-钨纳米合金镀层与硬铬镀层的性能对比数据
Figure BDA0000092317680000041
(其中硬铬性能数据来源于Surface Coating and Technology 200(2006)3719和Wear267(2009)934)
从图1和表1可以看出，实施例1-4制备的钴-钨合金镀层均为纳米晶结构，镀层不仅具有硬铬镀层的硬度，而且具有比硬铬镀层更好的耐磨和减摩性能。能够代替传统环境污染的硬铬镀层，在汽车、机械、精密制造和航天航空领域具有广泛的应用，适用于要求高硬度、高耐磨和低摩擦系数的零件部件，可以延长零件的使用寿命，降低动力消耗，节约能源，有利于环境保护。

Claims (6)

1.一种钴-钨纳米合金镀层的制备方法，其特征在于，以白金钛或钴-钨合金为阳极，待镀工件为阴极，采用硫酸钴100-200g/L、钨酸钠10-70g/L、硫酸钠50-150g/L、硼酸15-50g/L、糖精钠1-4g/L、表面活性剂0.01-0.1g/L和络合剂40-120g/L的混合溶液为电解液，进行电镀，电镀采用双脉冲电镀法，正向平均电流密度为2-8A/dm2，反向平均电流密度为0.2-0.8A/dm2，正反向电镀频率为500-1500Hz。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电镀时控制温度20-70℃，pH值3-8。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，电镀时磁力搅拌速度为100-300转/分，电镀时间为1-3h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述络合剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸铵或EDTA二钠。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述待镀工件的材料为铜、铁和钛中的一种或任意两种的合金或三种的合金。
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