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电镀非品态合金概述、特性及用途

放大字体  缩小字体发布日期:2013-04-06  浏览次数:844
核心提示:科学技术高速发展的今天,许多高新技术的发展都依赖于新材料的研究,非晶态合金就是其中之一。它是当代材料科学广泛研究的一个新领域,也是一种发展迅速的重要新型材料。

一、电镀非晶态合金概述

科学技术高速发展的今天,许多高新技术的发展都依赖于新材料的研究,非晶态合金就是其中之一。它是当代材料科学广泛研究的一个新领域,也是一种发展迅速的重要新型材料。

非晶态是一种长程无序、微观短程有序的结构,不存在位错、孪晶、晶界等晶体缺陷。非晶态合金是多种元素的固溶体,因此非晶态材料比相应的晶体材料具有更优异的物理、化学等特性。制备非晶态材料的方法有电镀、化学镀、液态急冷法、离子注入法、气相沉积法等。其中电镀法具有设备简单、耗能低、操作方便等特点,并且较容易获得各种组成的非晶态合金,镀层结构可以由晶态连续地转变为非晶态,也可进行大批量生产,近年来得到广泛的重视。

目前,用电沉积法已可制备出数十种非晶态合金镀层。从非晶态电镀材料的开发角度,可将非晶态合金电沉积层大致分成以下5种类型:

(1)金属-氢构成的非晶态合金;

(2)金属一类金属系非晶态合金;

(3)金属-金属系非晶态合金;

(4)半导体元素的非晶态合金;

(5)非晶态金属氧化物。

表4—8—1列出了现有已知的电沉积非晶态合金的种类。随着新型非晶态合金电镀H的开发和研究,电沉积非晶态合金的种类还会增加,其性能也会不断地完善。

表4—8—1电沉积制备的非晶态合金

电沉积制备的非晶态合金

非晶态镀层晶核的形成过程、核的成长过程与晶态是有所不同的,电沉积时形成晶核的速度与过电势有密切的关系。晶核的临界尺寸越小,它的形成功也越小,则晶核的形成速度越快。由实验可知,非晶态镀层的晶核形成尺寸需在20A以下,即是在短程有序的范围内。这时的晶核形成速度较大,而且晶核的生长受到抑制,生长的速度很小,甚至无法生长,而以反复地形成新的晶核来维持镀层的生长。形成非晶态合金的主要条件是电沉积时需要有大的过电势,才能有效地生成细小而众多的晶核。

通常的非晶态合金镀层可以从诱导共沉积获得,如铁族金属(Fe、C0、Ni)可与P、M0、W、Re等金属形成的合金,Ni—P、C0—P、Fe—P、Ni—M0、C0—M0、Ni—W和c0—w等。

二、电镀非晶态合金特性

由于非晶态合金结构和化学组成的特殊性决定了它具有优异的物理、化学性能,如高强度、高韧性、高耐磨、高超导、高透磁率和高耐蚀等。

(一)非晶态合金的稳定性

非晶态合金在热力学上是一种亚稳态的结构,原子排列混乱且自由能较高。在一定的外界条件下从亚稳态向稳态转化,转变为晶态或另一种非晶态,这时它的性能也发生变化,许多非晶态合金特有的优良特性会丧失。对于非晶态合金来说,结构和性能的稳定性是一个很突出的问题。

(二)非晶态合金的力学性能

非晶态合金的力学性能十分突出,其长程无序、短程有序的结构特征使其具有高强度的同时,又具有高的塑性和冲击韧性。变形时无加工硬化的现象,动态性能也不错,具有高的疲劳寿命和良好的断裂韧性。尤其是铁族金属一类金属系非晶态合金,晶化后镀层会形成细小的金属间化合物,具有很高的显微硬度。

对非晶态镀层显微硬度影响最大的因素是热处理,由于非晶态合金镀层处于亚稳状态,受热后易发生晶化,形成稳定相,尤其是过渡金属一类金属系非晶态合金,晶化后产生的稳定相通常由金属间化合物组成,这种新形成的化合物相本身具有很高的硬度,导致合金镀层强化。同时,非晶态合金的原子之间结合力一般比晶体强,因而它的机械强度大,韧性高。(三)非晶态合金的摩擦学性能

非晶态合金具有很高的耐磨性,可与硬铬镀层相媲美,且使用温度高,承载能力强。作为表面耐磨镀层,已获得较为广泛的应用。目前,作为耐磨镀层应用的非晶态合金主要有Ni—P、Ni—B、Fe—Ni—P、Fe—P、C0—P、C0—B等合金。

(四)非晶态合金的耐蚀性能

腐蚀是材料和构件失效的主要形式之一。非晶态合金镀层具有优异的耐蚀性,在许多严酷腐蚀条件下需要使用高耐蚀的非晶态合金镀层。由实验可知,金属和非金属形成的非晶态合金,其耐蚀性一般都较晶态合金镀层要好。原因主要是由于这类非晶态镀层的均一、单相结构,无晶体缺陷,表面易形成稳定的钝化膜。

(五)非晶态合金的电磁性能

许多非晶态合金如Ni—P、Fe—P、C0—P、C0—Ni—P等具有良好的电磁性能,可作为矫顽力低、导磁性高的材料。一般来说,非晶态合金的电阻率比相应的晶态镀层电阻高一个数量级,而且电阻的温度系数非常小。非晶态合金具有高电阻率、低电阻温度系数。非晶态合金的这些特征改善了材料的导磁率特性,制作成变压器磁芯,可减轻涡电流的损失。因此,可以利用非晶态合金磁性材料代替矽钢片以节约电能,节省电力消耗约为l/5。

此外,这些非晶态合金还表现出良好的超导性,还具有热膨胀率随温度变化很小的特性,以及耐放射线照射的特性等。

三、电镀非晶态合金的用途

非晶态合金具有优异的均匀性、耐磨性和耐蚀性、高硬度、高电阻率、高活性和催化特性以及许多特殊的磁学性质,表现出良好的物理和化学性能。利用各种非晶态合金的特殊性质和综合性能,已经有许多非晶态合金镀层进入商业应用。如Ni—P、Ni—w、Ni—M0、Fe—W、Fe—M0、等二元合金以及Ni—W—P等非晶态三元合金。

在非晶态合金中加人类金属元素P可以增强非晶合金的活性,加速腐蚀环境中钝化膜的形成;此外,非晶合金中部分活性较大的添加金属元素能够生成腐蚀产物膜,起到腐蚀抑制的作用。

Ni—P非晶态合金的研究和应用较早,应用面也较广。Ni—w合金具有良好的耐蚀性、耐热性、高硬度和耐磨性,可作为轴承、活塞、汽缸等材料用于汽车、机械、电子和石油工业。该镀层经热处理后,其硬度能达到HVl350,可作为代铬镀层,寿命能提高一倍以上。

Ni—c0、C0—M0和Ni—C0—P非晶态合金都具有结晶致密、耐蚀性好、硬度和耐磨性较高,还具有很好的电催化活性,能明显降低析氢过电位,有利于降低槽压,减少能耗,有望代替电解用的铁阴极和石墨电极,成为较理想的电催化阴极。

C0—W非晶态合金硬度大、耐蚀性强、耐热性优良,也具有良好的电催化活性和电磁性能,在化工和电子工业有良好的应用前景。Ni—Fe、Ni—c0、Ni—P合金也都具有良好的磁性能,可作为磁性材料用于电子工业。利用非晶态合金的优良磁性能,可制作磁鼓、磁盘和磁性记忆材料。

四、非晶态合金发展趋势

(一)纳米晶软磁合金的开发

用非晶晶化法获得具有优异软磁眭能的纳米晶软磁材料,是近年来非晶材料领域最大的进展之一。(二)超薄非晶态合金带的开发为了适应电子器件小型化、高频化的发展要求,近年来开发出了超薄的非晶态合金带,这种合金带具有极佳的高频性能,且在兆赫级频率范围内磁导率随带厚的减小而单调增加,是制作录像磁头的理想材料。随着科学技术和现在工业的迅速发展,非晶态合金镀层的应用领域还将不断的扩大。

非晶态合金的发展,无论在理论上还是在应用开发方面都取得了丰硕的成果。因此,大力加强非晶合金制备科学的研究,探索非晶态材料制备新工艺,继续重视应用基础理论的研究,拓展非晶合金应用的新领域仍将是非晶合金研究今后发展的主要趋势。

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