本发明专利技术涉及金属材料表面的化学镀覆，具体涉及一种用于低碳钢基材表面的化学镀Ni-Cu-P-Ce合金镀层及其制备工艺。本发明专利技术采用其配方为硫酸镍35-40g/L，硫酸铜0.2-0.4g/L，次磷酸钠25-30g/L，乙酸钠8-10g/L，柠檬酸三钠25-30g/L，乳酸22-28ml/L，丁二酸8-10g/L，硝酸铈0.2-0.4g/L，碘化钾8mg/L，硫脲1.5mg/L，甘氨酸0.01g/L，氟化氢铵0.2g/L的镀液，采用超声波化学镀获得了Ce、Cu、Ni的共沉积的镀层材料，该材料致密性增加，为微晶组织，硬度大，耐蚀性强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料表面的化学镀覆，具体涉及一种用于低碳钢基材表面的化学镀N1-Cu-P-Ce合金镀层及其制备工艺。
技术介绍
稀土被人们称为新材料的“宝库”，是国内外学者、尤其是材料专家最关注的组元素之一，其价值与地位日益受到关注。稀土元素是元素周期表第三副族中原子数从57至71 的15个镧族元素，再加上与其电子结构和化学性质相近的钪和钇，共17个元素，是典型的金属元素，金属活性仅次于碱金属和碱土金属，而比其他金属都活泼。稀土元素具有较大的原子半径和特殊的电子结构，因而具有良好的物理、化学、电、磁和光学性能，有着极为广泛的用途。在各种材料制备和许多加工工艺过程中，添加稀土可明显提高产品性能和改善工艺条件，被誉为“优异的多功能添加剂”。目前，将稀土元素运用到化学镀方面的应用研究主要集中在化学镀镍方面。20世纪90年代中期以来，我国广大固体薄膜研究工作者对在传统的化学镀N1-P合金镀液中添加稀土进行了诸多探索，但是，由于稀土的还原 电位(-2. 2V -2. 5V之间)比镀液中还原剂次磷酸钠要负的多，根据电化学理论，被沉积金属的还原电位必须高于还原剂的电位时， 才能被还原沉积，因此，镀层合金与稀土难以共沉积。另外，从电化学角度看，当加入稀土时，构成的电极体系与未加入稀土元素之前的电极体系不同，其改变了电极界面的电子层结构，阻碍Cu和Ni的沉积以及界面扩散，使Cu和Ni原子还原沉积的难度加大，致使稀土对沉积速度的改善作用很不明显。因此，在品种众多的稀土化合物中选择哪种化合物应用于镀N1-P合金中效果才是最好的，是本领域科研工作者亟待解决的一个问题。专利技术内容针对上述问题，专利技术人经过长期摸索实验，提出了一种用于低碳钢基材表面的化学镀N1-Cu-P-Ce溶液，并且应用该溶液制备出了硬度高、镀层致密的N1-Cu-P-Ce合金镀层。本专利技术所述的化学镀N1-Cu-P-Ce溶液，其配方为硫酸镍35_40g/L，硫酸铜O.2-0. 4g/L，次磷酸钠 25-30g/L，乙酸钠 8-lOg/L，柠檬酸三钠 25_30g/L，乳酸 22_28ml/L， 丁二酸8-10g/L,硝酸铺O. 2-0. 4g/L,碘化钾8mg/L,硫脲1. 5mg/L,甘氨酸O. 01g/L,氟化氢铵O. 2g/L。溶剂为蒸馏水，溶液总体积为混合后溶质和溶剂的总体积。该配方中，硫酸镍是镀液主盐，在还原剂次磷酸钠作用下，硫酸镍浓度的变化对镀速有着明显的影响。随硫酸镍浓度的增加，镀速会明显提高，但是当其浓度增加到一定数值再提高其浓度时，过高的硫酸镍浓度就会降低镀液的分散能力，从而导致沉积速度下降，因此，本专利技术中硫酸镍浓度为35-40g/L。硫酸铜也是镀液的主盐，虽然其浓度较低，但对整个镀液体系的影响很大。当硫酸铜的用量低于O. 2g/L时，镀速较低；当硫酸铜的用量超过O. 4g/L时，外观呈现微灰色-灰色-发黑的变化。专利技术人经过多次试验发现硫酸铜的用量在O. 2-0. 4g/L时，镀速较高，试样外观光亮均匀。根据氧化还原的一般原理，增加镀液中次磷酸钠的浓度，使次磷酸根离子的有效浓度增加，可以提高反应的还原电极电势，使其反应的自由焓更负，表现为沉积速度加快。 但当其浓度达到某一极限值后，镀件表面镀层处浓度与液体内部的浓度不同，产生浓差极化，使电位降低，从而出现极限沉积速率和镀液的不稳定性。镀速随次磷酸钠浓度的升高而显著提高，但当浓度较高时，镀速的提高变得平缓。专利技术人研究发现，当其浓度超过30g/L 时，镀速呈显著下降趋势，表明当体系中还原剂浓度增加到一定程度时，再增加其浓度镀速反而显著下降。所以次磷酸钠最佳的选取范围是25-30g/L。丁二酸在镀液中的作用是多方面的，除了能控制可供反应的游离的镍离子浓度、 提高镀液稳定性、延长镀液寿命，还兼有缓冲剂与促进剂的作用，提高镀液的沉积速度，影响镀层的综合性能。丁二酸浓度在8-10g/L时，镀速明显加快，在10g/L左右达到峰值，随后再增加其含量，镀速呈明显下降趋势。柠檬酸三钠、乳酸在镀液中有络合作用。随柠檬酸三钠、乳酸浓度的增加，沉积速度逐渐提高，专利技术人发现当柠檬酸三钠含量达25-30g/L，乳酸含量达22-28ml/L时沉积速度较大。这种现象与乳酸与镍离子的络合程度有关，当乳酸含量较低时，溶液易分解，沉积速度较低；当乳酸浓度过大时，有效镍离子浓度降低，阻止了镍离子的还原，沉积速度随之减少。由于稀土元素铈在周期表处于第三副族，它的4f电子对原子核的封闭并不严密， 其屏蔽系数比主量子数相同的其它内电子要小，因而显示出较大的有效核电荷数，从而显示出较强的吸附能力和很强的活性，当其介入镀液后，能优先吸附在试件基体表面的晶体缺陷处(如空位、位错露头、晶界等)，降低表面能，提高了合金镀层的形核率，使沉积加快； 而且由于铈电负性低，添加到镀液中后，元素的一部分以正离子形式出现，起到催化剂的作用，加速了主盐的分解以及铜和镍离子的还原；同时还可与铜、镍等过渡族金属离子相互降低活度，增加互溶度，因而能更快、更均匀地携带基础金属离子在基体表面上还原沉积；稀土离子还可以与有机及无机配体形成配位物，消耗配位剂的一部分配位基，使镀液中游离的主盐金属离子浓度增加， 从而增加了界面的电位差，促进了反应物粒子向催化表面的跃迁，提高了沉积速率。本配方中，专利技术人对硝酸铈的浓度进行了考察，结果如图1所示，当硝酸铈的浓度为O. 05-0. lg/L时，镀速较高，但由于浓度太低，在镀层中难以有铈的沉积；当其加入量过大时，由于铈在较高PH值下易沉淀生成胶状氢氧化物，金属离子被大量地以络合物的形式沉淀下来，沉淀量增加，实际沉积速度反而有所降低，且镀层表面质量变差；因此硝酸铈的加入量在O. 2-0. 4g/L为宜，此时镀速为8-9 μ m/h。此外，添加稀土铈除了镀速仍较高外，还有细化晶粒、提闻锻层硬度、耐蚀性等优点。经过专利技术人的多次试验确定本专利技术所采用的溶液的最佳配方为硫酸镍35g/L， 硫酸铜O. 2g/L，次磷酸钠30g/L，乙酸钠8g/L，柠檬酸三钠25g/L，乳酸22ml/L，丁二酸8g/ L,硝酸铺O. 3g/L,碘化钾8mg/L,硫脲1. 5mg/L,甘氨酸O. 01g/L,氟化氢铵O. 2g/L。本专利技术所述的镀液的具体配置步骤为(I)分别准确称量计算量的固体药品并加入少量蒸馏水溶解；(2)将已经完全溶解的硫酸镍、硫酸铜、硝酸铈溶液，在不断搅拌下倒入含络合物 (柠檬酸三钠、乳酸、丁二酸、乙酸钠)的溶液中；(3)将已经完全溶解次磷酸钠溶液，在不断搅拌下倒入步骤(2)的溶液中；(4)用浓氨水调节pH值至5. 5-7. O ；(5)向上述溶液中加入稳定剂(碘化钾、硫脲、甘氨酸、氟化氢铵)溶液，定容，用蒸馏水稀释至计算体积；(6)再次测试pH值，调整pH值至5. 5-7. O ；(8)过滤除去镀液中的沉积物，待用。由化学镀镍基合金的机理可知，镀层沉积速率决定于次磷酸钠的析氢速率。镀液 PH值高低直接影响了次磷酸钠的析氢速率，pH值很低时，次磷酸钠不易分解析氢，添加剂的催化活性减弱，基体表面的催化活性减弱，沉积速率较慢；随PH值升高，次磷酸钠的活性增大，析氢速率加快，沉积速率加快。当PH值在5. 5-7. O之间时，沉积速率最快；pH值本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种化学镀Ni?Cu?P?Ce溶液，其特征在于：该溶液的配方为：硫酸镍35?40g/L，硫酸铜0.2?0.4g/L，次磷酸钠25?30g/L，乙酸钠8?10g/L，柠檬酸三钠25?30g/L，乳酸22?28ml/L，丁二酸8?10g/L，硝酸铈0.2?0.4g/L，碘化钾8mg/L，硫脲1.5mg/L，甘氨酸0.01g/L，氟化氢铵0.2g/L。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙华，郭晓斐，马洪芳，冯立明，王玥，蔡元兴，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：
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