CN113862737B - 一种钴磷合金电镀液、镀层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钴磷合金电镀液、镀层及其制备方法,属于表面加工及涂层技术领域。钴磷合金电镀液原料包括低共熔型离子液体、钴盐、次磷酸盐和添加剂;所述添加剂为糖精或1,4‑丁炔二醇。本发明还提供一种钴磷合金镀层的制备方法,包括以下步骤:利用上述的钴磷合金电镀液作为电镀液,以待镀金属作为阴极,以钴片或石墨板作为双阳极进行电沉积处理;所述电沉积处理采用恒电流方法。本发明通过调控钴磷合金电镀液中糖精或1,4‑丁炔二醇的含量来达到调控钴磷合金镀层中的磷含量,进而达到调控钴磷合金镀层为晶态或非晶态的目的。
Description
技术领域
本发明涉及表面加工及涂层技术领域,特别是涉及一种钴磷合金电镀液、镀层及其制备方法。
背景技术
钴及钴合金镀层因其具有优异的磁性、机械和耐磨性能、高的热稳定性和耐腐蚀性等自然特性而被认为是一种独特的材料,受到广泛的关注。钴合金还可用于航空航天和汽车零部件的防腐保护。纳米晶和非晶态钴合金如钴钨、钴磷已被认为是替代六价铬的有前景的材料。研究表明,磷的引入可以增强纳米非晶态钴的硬度、耐磨和耐蚀性、热稳定性。通过改变镀层中的磷含量可以得到不同用途的钴磷合金镀层,一些研究表明,低磷(<8At%)的钴磷合金镀层为晶态,而高磷(≥8At%)的钴磷合金镀层为非晶态。非晶态合金镀层比晶态合金镀层对基体有更好的防护能力。
目前制备钴磷合金镀层的方法通常有高温固相磷化法、水体系电沉积法、水热法以及湿化学法。上述方法通常存在实验步骤繁琐,反应条件严苛的缺陷。如高温固相磷化法温度高达773K且需在惰性气氛保护下进行;水体系电沉积法是使用水溶液作为溶剂,同时加入络合剂、稳定剂等添加剂,导致电镀液复杂,且沉积过程不可避免的发生析氢反应而造成电流效率低的情况;水热法需在高压环境下制备合金镀层,且镀层的生产数量少;湿化学法使用有毒的物料而易对环境造成破坏,从而使该方法很难得到推广使用。因此,寻找一种简单易操作、高效环保的方法制备钴磷合金镀层对于钴磷合金镀层技术领域具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种钴磷合金电镀液、镀层及其制备方法,以解决上述现有技术存在的问题,通过简单易操作的步骤来制备钴磷合金镀层,且制备过程高效、环保。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明技术方案之一,一种钴磷合金电镀液,所述钴磷合金电镀液原料包括低共熔型离子液体、钴盐、次磷酸盐和添加剂;
所述添加剂为糖精(邻苯甲酰磺酰亚胺)或1,4-丁炔二醇。
进一步地,所述钴磷合金电镀液中所述钴盐的浓度为0.01-0.5mol/L,所述次磷酸盐的浓度为0.01-0.05mol/L,所述添加剂的浓度为0.001-0.02mol/L。
进一步地,当所述添加剂为糖精时,所述钴磷合金电镀液中添加剂的浓度为0.002-0.02mol/L;当所述添加剂为1,4-丁炔二醇时,所述钴磷合金电镀液中添加剂的浓度为0.001-0.004mol/L。
进一步地,所述低共熔型离子液体为氯化胆碱与乙二醇按摩尔比为1:2、氯化胆碱与丙三醇按摩尔比为1:2或氯化胆碱与尿素按摩尔比为1:2混合反应得到,所述混合反应的时间为2-4h。
进一步地,所述钴盐为硫酸钴或氯化钴;所述次磷酸盐为次磷酸钠。
本发明所考虑的钴盐有硫酸钴、氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、草酸钴和氨基磺酸钴,硝酸钴所需成本与硫酸钴、氯化钴相似,但其在较高电势下沉积得到的产物为氢氧化钴,低电势下得到产物钴,若想通过硝酸钴沉积制备所需镀层,反应过程难以控制;而除硫酸钴、氯化钴、硝酸钴盐之外,其他钴盐所需成本较高,因此本发明钴盐优选的为硫酸钴或氯化钴。次磷酸钠、次磷酸钾、次磷酸钙、次磷酸铵、次磷酸镁等,与次磷酸钠相比,其他次磷酸盐价格较为昂贵、成本方面不友好,因此本发明次磷酸盐优选的为次磷酸钠。
本发明技术方案之二,上述钴磷合金电镀液的制备方法,将所述低共熔型离子液体、钴盐、次磷酸盐和添加剂混合搅拌均匀即可。
本发明技术方案之三,一种钴磷合金镀层的制备方法,包括以下步骤:利用上述的钴磷合金电镀液作为电镀液,以待镀金属作为阴极,以钴片或石墨板作为双阳极进行电沉积处理;
所述电沉积处理采用恒电流方法。
进一步地,所述电沉积处理之后还包括清洗、干燥的步骤。
清洗的目的是去除钴磷合金镀层表面的杂质。
进一步地,所述待镀金属为碳钢、不锈钢、铜片、铝片等。
进一步地,当所述钴磷合金电镀液中钴盐浓度小于0.1mol/L时,以钴片作为双阳极,通过钴片的溶解给电沉积体系提供部分钴源;当所述钴磷合金电镀液中钴盐浓度大于等于0.1mol/L时,以石墨板作为双阳极。
进一步地,所述待镀金属在进行电沉积前进行冲洗、电化学抛光和活化处理。
进一步地,所述冲洗具体为用无水乙醇冲洗2min,所述电化学抛光具体为用质量浓度10%氢氧化钾溶液以电流密度60mA·cm-2电化学抛光4min,所述活化具体为用浓度2mol/L盐酸活化30s;活化处理之后还包括用纯水冲洗的步骤。
进一步地,所述电沉积处理具体为:温度333-373K,电流密度0.5-0.9mA·cm-2,沉积时间2-4h。
本发明技术方案之四,利用上述制备方法制备得到的钴磷合金镀层。
本发明公开了以下技术效果:
(1)本发明通过调控钴磷合金电镀液中糖精或1,4-丁炔二醇的含量来达到调控钴磷合金镀层中的磷含量(随着糖精使用量的增加,镀层中的磷含量从0.9At%增至20.9At%;随着1,4-丁炔二醇使用量的增加,镀层中的磷含量从0.9At%增至4.7At%),进而达到调控钴磷合金镀层为晶态或非晶态的目的;
(2)本发明制备钴磷合金镀层的方法解决了现有技术制备钴磷合金镀层需要同时使用多种添加剂而造成电镀液成分复杂、制备过程复杂和沉积过程析氢等问题。本发明方法还可以有效的调控镀层中磷的含量,进而可以根据实际需要选择不同磷含量的钴磷合金镀层。
(3)本发明通过在电沉积后的钴磷合金电镀液中继续添加钴盐、磷盐等消耗的溶质,可以继续作为钴磷合金镀层的电镀液循环使用,实现了循环利用、节约成本、减少排放的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-3制备的钴磷合金镀层的SEM图及EDX图;其中,1-a为实施例1制备的钴磷合金镀层的SEM图,1-b为实施例2制备的钴磷合金镀层的SEM图,1-c为实施例3制备的钴磷合金镀层的SEM图,1-d为实施例1制备的钴磷合金镀层的EDX图,1-e为实施例2制备的钴磷合金镀层的EDX图,1-f为实施例3制备的钴磷合金镀层的EDX图;
图2为实施例4、5制备的钴磷合金镀层的SEM图及EDX图;其中,2-a为实施例4制备的钴磷合金镀层的SEM图,2-b为实施例5制备的钴磷合金镀层的SEM图,2-c为实施例4制备的钴磷合金镀层的EDX图,2-d为实施例5制备的钴磷合金镀层的EDX图;
图3为实施例6-8制备的钴磷合金镀层的SEM图及EDX图;其中,3-a为实施例6制备的钴磷合金镀层的SEM图,3-b为实施例7制备的钴磷合金镀层的SEM图,3-c为实施例8制备的钴磷合金镀层的SEM图,3-d为实施例6制备的钴磷合金镀层的EDX图,3-e为实施例7制备的钴磷合金镀层的EDX图,3-f为实施例8制备的钴磷合金镀层的EDX图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1
步骤1,电镀液的配制:将氯化胆碱和乙二醇按摩尔比1:2混合,在温度353K、搅拌速率500r/min条件下反应2h得到低共熔型离子液体;向低共熔型离子液体中先加入六水氯化钴搅拌溶解,之后加入次磷酸钠,磁力搅拌后得到蓝色的钴盐-磷盐-离子液体复合电镀液,即钴磷合金电镀液;其中,六水氯化钴在钴磷合金电镀液中的浓度为0.1mol/L,次磷酸钠在钴磷合金电镀液中的浓度为0.03mol/L。
步骤2,基体预处理:将低碳钢Q235用AR级无水乙醇冲洗2min进行除脂,再用质量浓度为10%氢氧化钾溶液以电流密度60mA·cm-2电化学抛光4min,之后用浓度2mol/L盐酸活化30s,最后用纯水冲洗得到处理后的低碳钢Q235作为基体。
步骤3,电沉积:以处理后的低碳钢Q235作为阴极,石墨板作为双阳极,在恒温353K、电流密度0.5mA·cm-2条件下沉积2h得到镀层。将镀层用纯水清洗以清除表面杂质,之后冷风干燥得到钴磷合金镀层。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线能谱分析(EDX)测试,结果如图1-a、1-d所示。由图1-a能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图1-d能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为0.9At%。
实施例2
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了糖精,糖精在钴磷合金电镀液中的浓度为0.012mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图1-b、1-e所示。由图1-b能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图1-e能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为20.9At%。
实施例3
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了糖精,糖精在钴磷合金电镀液中的浓度为0.02mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图1-c、1-f所示。由图1-c能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图1-f能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为9.4At%。
实施例4
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了1,4-丁炔二醇,1,4-丁炔二醇在钴磷合金电镀液中的浓度为0.001mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图2-a、2-c所示。由图2-a能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观出现纳米片分布;由图2-c能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为4.7At%。
实施例5
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了1,4-丁炔二醇,1,4-丁炔二醇在钴磷合金电镀液中的浓度为0.004mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图2-b、2-d所示。由图2-b能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图2-d能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为3.5At%。
实施例6
与实施例1相同,区别仅在于,将步骤1中的六水氯化钴替换为七水硫酸钴。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图3-a、3-d所示。由图3-a能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图3-d能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为6.9At%。
实施例7
与实施例6相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了糖精,糖精在钴磷合金电镀液中的浓度为0.009mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图3-b、3-e所示。由图3-b能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图3-e能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为7.1At%。
实施例8
与实施例6相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了糖精,糖精在钴磷合金电镀液中的浓度为0.012mol/L。
对本实施例制备的钴磷合金镀层进行SEM、EDX测试,结果如图3-c、3-f所示。由图3-c能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密;由图3-f能够看出,本实施例制备的钴磷合金镀层中磷含量为10.1At%。
实施例9
与实施例1相同,区别仅在于,将步骤1中乙二醇替换为尿素,得到低共熔型离子液体的反应时间由2h调整为4h。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为1.3At%。
实施例10
与实施例1相同,区别仅在于,将步骤1中乙二醇替换为丙三醇,得到低共熔型离子液体的反应时间由2h调整为4h。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为0.8At%。
实施例11
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中六水氯化钴的浓度为0.5mol/L。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为1.1At%。
实施例12
与实施例11相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了糖精,糖精在钴磷合金电镀液中的浓度为0.002mol/L。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为3.2At%。
实施例13
与实施例11相同,区别仅在于,步骤1中的钴磷合金电镀液中还添加了1,4-丁炔二醇,1,4-丁炔二醇在钴磷合金电镀液中的浓度为0.003mol/L。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为2.6At%。
实施例14
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中次磷酸钠的浓度为0.05mol/L。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为1.9At%。
实施例15
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中次磷酸钠的浓度为0.01mol/L。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为0.7At%。
实施例16
与实施例1相同,区别仅在于,步骤1中六水氯化钴的浓度为0.01mol/L;步骤3中以钴片作为双阳极,电沉积的电流密度为0.9mA·cm-2。
结果:本实施例制备的钴磷合金镀层微观平整致密,钴磷合金镀层中磷含量为1.1At%。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种钴磷合金电镀液,其特征在于,所述钴磷合金电镀液原料由低共熔型离子液体、钴盐、次磷酸盐和添加剂组成;
所述添加剂为糖精或1,4-丁炔二醇;
所述钴磷合金电镀液中所述钴盐的浓度为0.01-0.5 mol/L,所述次磷酸盐的浓度为0.01-0.05 mol/L,所述添加剂的浓度为0.001-0.02 mol/L;
所述低共熔型离子液体为氯化胆碱与乙二醇按摩尔比为1:2、氯化胆碱与丙三醇按摩尔比为1:2或氯化胆碱与尿素按摩尔比为1:2混合反应得到;
所述钴磷合金电镀液的使用参数为温度333-373 K,电流密度0.5-0.9 mA·cm-2,沉积时间2-4 h。
2.根据权利要求1所述的一种钴磷合金电镀液,其特征在于,所述钴盐为硫酸钴或氯化钴;所述次磷酸盐为次磷酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种钴磷合金电镀液的制备方法,其特征在于,将所述低共熔型离子液体、钴盐、次磷酸盐和添加剂混合搅拌均匀即可。
4.一种钴磷合金镀层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:利用权利要求1或2所述的钴磷合金电镀液作为电镀液,以待镀金属作为阴极,以钴片或石墨板作为双阳极进行电沉积处理;
所述电沉积处理采用恒电流方法。
5.根据权利要求4所述的一种钴磷合金镀层的制备方法,其特征在于,当所述钴磷合金电镀液中钴盐浓度小于0.1 mol/L时,以钴片作为双阳极;当所述钴磷合金电镀液中钴盐浓度大于等于0.1 mol/L时,以石墨板作为双阳极。
6.根据权利要求4所述的一种钴磷合金镀层的制备方法,其特征在于,所述待镀金属在进行电沉积前进行冲洗、电化学抛光和活化处理。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法制备得到的钴磷合金镀层。
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