CN104846409A - 高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层及电镀液和电镀工艺 - Google Patents

Abstract

一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其钨的含量在30~63Wt%。通过调控电镀液中的硫酸镍和钨酸钠的比例，获得高钨含量的钨镍合金镀层；利用不溶性颗粒释放钨镍合金的内应力，避免裂纹现象的发生。本发明所提出的电镀液因没有其它电分解产物的累积，而具有维护方便，易于再生的特点，使用成本低；电镀工艺能够直接取代现有镀镍、镀铬工艺中电镀工位，取代成本低廉，工艺简便，易于被现有电镀技术工人掌握，利用推广。

Description

高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层及电镀液和电镀工艺

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种从水溶液中电沉积获得高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，及其所用的电镀液和电镀工艺。

背景技术

钨镍合金本身具有非常优良的耐蚀和耐磨性能，在表面处理领域得到广泛应用，尤其在石油机械领域展现出该合金无可替代的优势，发展势头迅猛。

高钨含量的合金镀层的耐蚀性和耐磨性更加优异，如能够耐硫化氢介质的腐蚀，完全满足深井、海洋井采油输油中高耐蚀性和耐磨性的要求，应用前景非要喜人。

但是由于钨合金难以成形、加工，进十几年科技人员专注于从水溶液中电沉积获得钨合金镀层，提高各类机械工件的耐蚀性。从文献资料(Sanghyeon Lee, Minyoung Choi, Subeen Park, et al. Electrochimica Acta 153 (2015) 225-231) 中可知，当钨含量大于30%时，钨镍合金表面有多条裂纹（这里的裂纹包括国标GB-T232-1988所定义的微裂纹和裂纹），如上述文献中的电镜图3所示，31.2、31.4和40.3 %的钨镍合金镀层表面都观察到裂纹的存在。这必然导致对基体保护能力的下降、如果与基体相比钨合金标准电位更负的话还会加速基体腐蚀。因此大大限制了高钨含量的钨镍合金镀层的实际应用。

针对上述缺点，现在的专利技术是向镀液加入其它元素，最终形成三元，如Ni-W-P(公开号CN 101445946 A) 、Ni-W-B(公开号CN 101532153 A)，或四元钨合金，如Co-W-Ni-P(公开号CN 101928967 A)，减少因钨合金内应力而产生的裂纹现象，但是合金镀层中的钨含量不会超过50 Wt%。另外，由于引入其它化合物，它们的电分解产物的累积使电镀液再生更加困难。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，及所用的电镀液和电镀工艺。将在机械尤其石油机械、汽车、精密制造和航空航天领域具有广泛的应用前景。

实现本发明目的的技术方案是：

调节电镀液中的硫酸镍和钨酸钠的比例，获得高钨含量的钨镍合金镀层，同时向电镀液中加入不溶性碳化硅、氮化硅和三氧化二铝颗粒的一种，部分颗粒进入镀层，类似于机械工业的“止裂孔”原理，钨镍合金的内应力在颗粒周围得到释放，因此能够有效地避免裂纹现象的发生。最终获得高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层。由于上述三种不溶性颗粒即具有很高的硬度又具有很好的耐腐蚀性，所以不溶性颗粒的加入对钨镍合金镀层的耐磨性和耐蚀性不但不会产生不良的影响反而会有促进作用。

具体步骤如下：

a．电镀液的配置

称取硫酸镍10 ~ 60 g/L，钨酸钠10 ~ 60 g/L，柠檬酸铵10 ~ 150 g/L，加水至总体积的4/5，搅拌加热至溶解。这里还要满足两个要求：1. 电镀液中钨酸钠的质量含量大于等于硫酸镍的，以便获得高钨含量的镀层；2. 电镀液中柠檬酸根与镍和钨两种金属离子的摩尔比在0.8 ~ 1.5之间，以便能够把金属离子与柠檬酸根进行充分络合，避免沉淀的发生。

再利用氢氧化钠或氨水调节电镀液的pH值为6 ~ 9。

称取不溶性颗粒1 ~ 20 g/L，放在10 % H₂SO₄中浸泡24 h，最后放入上述电镀液中。

如上所述，制备了一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀液。

b．电镀工艺

   加热上述电镀液至60 ~ 90℃，同时搅拌使不溶性颗粒悬浮，由于纳米颗粒能够自由地悬浮在电镀液中，所以可以不用搅拌。

把工件放入电镀液，接通电源，调节工件上的电流密度为2.5 ～ 10 A/dm²，电镀几个小时后，取出，即在工件表面镀覆了一层高钨含量且无裂纹的钨镍合金。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

本发明获得的钨镍镀层中钨含量高达30 ~ 63 Wt %，且无裂纹，能够完全发挥出高钨合金的优异的耐蚀性和耐磨性；

本发明所提出的电镀液具有维护方便，易于再生的特点，使用成本低；

高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀工艺能够直接取代现有镀镍、镀铬工艺中电镀工位，取代成本低廉，工艺简便，易于被现有电镀技术工人掌握，利用推广。

附图说明

图1是实例1所得高钨含量钨镍合金镀层的EDS能谱图；

图2是实例1所得高钨含量钨镍合金镀层的SEM图；

图3是 实例2所得高钨含量且无裂纹钨镍合金镀层的EDS能谱图；

图4是 实例2所得高钨含量且无裂纹钨镍合金镀层的SEM图；

图5是 实例3所得高钨含量且无裂纹钨镍合金镀层的EDS能谱图；

图6是 实例3所得高钨含量且无裂纹钨镍合金镀层的SEM图。

具体实施方式

实施例1

称取硫酸镍10 g，钨酸钠60 g，柠檬酸铵80 g，放入1 L烧杯中，加水至体积的4/5，加热搅拌溶解，利用氢氧化钠调节电镀液pH为7。称取微米碳化硅颗粒1g，颗粒大小约为5微米，倒入100 mL 10%硫酸溶液中，磁力搅拌24 h，之后过滤出碳化硅，定量转移到上述电镀液中。最后加水定容到1L。

利用直径10mm，厚度为3mm的圆柱两个端面为工作面，对其进行电镀，电流密度为10 A/dm²,电镀时间为3h，镀层厚度为30μm。经元素能谱（EDS）分析，见附图1，钨镍合金中钨的含量为61.5 Wt%。从附图2可以看到，该镀层仍然存在裂纹，但裂纹经过颗粒后，方向发生明显的改变，说明钨镍合金镀层的内应力得到部分转移释放。

实施例2

   在实施例1的基础上提高碳化硅的含量到5g/L。此时，钨镍合金中钨的含量为62.9 Wt%（见附图3）。从电镜图上未发现裂纹，说明钨镍合金的内应力得到有效释放，未造成裂纹的产生，说明碳化硅的含量为5g/L时候已经足够了。但钨镍合金镀层表观形貌发生明显改变，除了有更多的碳化硅颗粒复合镀层里外，钨镍镀层表观呈现出微米短线无规则的摆列着。

实施例3

在实施例1的基础上，改用碳化硅纳米颗粒（50 nm）。此时，钨镍合金中钨的含量为57.9 Wt%（见附图5）。从电镜图上可以观察到，钨镍合金镀层由大小不一的半球形颗粒紧密的排列着，未发现裂纹，说明纳米碳化硅的含量为1g/L时就已经能够到达释放钨镍合金镀层内应力的作用了。

实施例4

  在实例3的基础上，改用纳米氮化硅或三氧化二铝，均得到高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为48.5 Wt%和56 Wt%。说明对不溶性纳米颗粒，1g/L的含量已经足够。

实施例5

在实施例2基础上，进一步提高微米碳化硅颗粒至20g/L，也可得到高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量为60.2 Wt%。

实施例6

在实施例2基础上，提高硫酸镍的含量至30和60 g/L，均得到无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为27 Wt%和14.7 Wt%。

实施例7

在实施例2基础上，降低钨酸钠的含量至20和10 g/L，均得到无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为48.4 Wt%和29.7 Wt%。

实施例8

在实施例2基础上，改变电镀工艺，降低电流密度至5和2.5 A/dm²，均得到高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为59.7 Wt%和51.3 Wt%。结合实施例2可知，电流密度在5 ~ 10 A/dm²范围内时，钨镍合金镀层中的钨含量变化不大，从62.9到59.7 Wt%之间变化。所以在生产过程电流密度范围优选控制在5 ~ 10。

实施例9

在实施例2基础上，改变电镀工艺，控制镀液的pH值为6、8和9，均得到无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为52.1、36.0和21.4 Wt%。结合实施例2可知，pH对钨镍合金镀层中的钨含量影响很大，需要进行严格控制；在pH从6到7范围内时，钨含量相对变化不大。所以在生产过程pH范围优选控制在6 ~ 7。

实施例10

在实施例2基础上，改变电镀工艺，控制镀液的温度为60和90℃，均得到高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其钨含量分别为58.6 Wt%和63.0 Wt%。

Claims (5)

1.一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金镀层，其特征在于：

a．钨镍合金镀层中钨的含量在30 ~ 63 Wt %；

b．钨镍合金镀层通过显微镜分析，放大5000倍，在60μm×60μm面积上，观察不到裂纹。

2.一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀液，其特征在于：电镀液组分包括硫酸镍10 ~ 60 g/L，钨酸钠10 ~ 60 g/L，柠檬酸铵10 ~ 150 g/L和 不溶性颗粒1 ~ 20 g/L。

3.根据权利要求2所述的高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀液，其特征在于：不溶性颗粒为碳化硅、碳化硅和三氧化二铝的一种。

4.根据权利要求2所述的高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀液，其特征在于：电镀液中钨酸钠的质量含量大于等于硫酸镍；电镀液中柠檬酸铵与硫酸镍和钨酸钠两种金属盐的质量比在1 ~ 1.5之间。

5.一种高钨含量且无裂纹的钨镍合金电镀工艺，其特征在于：电镀液的温度为60 ~ 90℃；电镀液的pH值为6 ~ 9；电流密度为2.5 ～ 10 A/dm²。