專利名稱：在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法
技術領域：
本發明屬于表面工程領域，特別是提供了一種純銅或銅合金基體表面在熔融鹽浴 中電鍍厚鎢涂層的方法。
背景技術：
在新能源的發展中，材料往往是制約其成敗的關鍵因素之一，如核聚變能中的面 向等離子體材料(Plasma Facing Compoents, PFM) ；X射線機中的靶材；固體火箭發動機喉 管的喉襯材料；微電子器件中的探針、觸頭和汽車發動機的傳感器等材料必須要具有耐磨， 耐蝕或者抗輻照等性能。金屬鎢由于具有高抗等離子體沖刷能力，高熔點、沸點，極高的強 度，硬度，很小的電子逸出功及很好的化學穩定性，被認為是應用在這些領域的最佳的候選 材料之一。但是通過粉末冶金生產的鎢材，非常重且難以加工，因而利用涂層技術在較復雜 的其他結構材料表面形成金屬鎢涂層是很好的解決方法。目前在純銅或銅合金板上制備鎢涂層的方法很多，如等離子噴涂，氣相沉積等。其 中電鍍法是一種獲得金屬鎢涂層的傳統的、有效的方法，對比其他方法，電鍍法設備性對簡 單，工藝實現較容易。電鍍中如果選擇好合適的電解質，控制好電流參數和電鍍的其他外部 條件就能夠從鎢的氧化物和鹽一步獲得致密的純金屬鎢，減少了制備鎢粉等的復雜工藝過 程。此外，合理的涂層工藝還要滿足零件的各種復雜形狀要求，很顯然，熔鹽電鍍方法能夠 滿足這一要求。由于鎢的電位比氫負，所以難熔金屬鎢很難在水溶液中通過電鍍獲得，一般 都采用在熔融鹽中電鍍獲得金屬鎢。目前電鍍金屬鎢涂層的氧化物熔融鹽體系有 Na2WO4-ZnO-WO3,但是該體系中的ZnO有可能影響金屬鎢沉積到基體上。通常會由于電鍍參 數設定不合理或者其他不可控因素使得ZnO作為雜質與鎢一同沉積到基體上，破壞金屬鎢 鍍層的質量。
發明內容
本發明提供一種Na2WO4-WO3 二元熔鹽體系在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂 層的制備方法，目的是克服ZnO可能作為雜質與鎢一同沉積到基體上，破壞金屬鎢鍍層的 質量的問題。本制備方法的熔鹽體系為Na2WO4-WO3t5其中，WO3為鎢的離子源，Na2WO4為助溶齊[J。 純銅或銅合金為陰極，純金屬鎢片為陽極，同時與WO3 —起也作為鎢離子源。通過調整電流 參數和電鍍時間獲得不同厚度的純金屬鎢涂層。其具體制備工藝過程為a、熔融鹽的配置熔鹽包括Na2WO4和WO3兩種組份，兩種組分含量按照摩爾百分比為=Na2WO4 WO3 =5:2。熔鹽按組份稱量后干燥脫水。b、電極表面預處理純銅或銅合金作為陰極，純金屬鎢作為陽極都要先經過嚴格的表面處理，以除去粘附的不潔物和表面油脂。具體為先經過機械打磨拋光，然后丙酮超聲清洗和去離子水超 聲清洗，最后干燥。C、電鍍Na2WO4在300°C干燥10 20小時，WO3在100°C干燥10 20小時。對處理好的熔 鹽混和均勻，裝入電解槽中加熱到850°C 920°C，然后保溫至熔鹽中的離子組份穩定。此 時連接好陰極和陽極，設定電流參數開始電鍍。d、鍍件處理將電鍍完成后的鍍件從熔鹽中取出，迅速放入5 30%的NaOH溶液中以清洗掉附 著的熔鹽，并對鍍層進行淬火處理，然后再分別用丙酮和去離子水超聲清洗，以徹底除去鍍 件上的附著物，得到厚鎢涂層材料。所述的電流參數為電流分別采用單向脈沖電流或周期換向電流；其中采用單向 脈沖電流的固定電流密度在30 120mA/cm2，脈沖頻率為100 1000Hz，占空比為0. 1 0. 75，電鍍時間為10 20小時；采用周期換向電流的固定電流密度在30 120mA/cm2，脈 沖頻率為100 IOOOHz，電鍍時間為10 20小時。所述的厚鎢涂層材料為陰極和鎢的互擴散層厚度為0. 01-0. 05mm，純鎢涂層厚度 為 1. 0-2. 0mm。上述的操作都是在空氣氣氛下進行的，操作設備簡單，成本低，易實現。上述的鎢離子源為WO3和鎢陽極板。Na2WO4-WO3 二元熔鹽體系由于除去了 ZnO從而避免了這一問題的出現，使得電鍍 參數更容易控制，鍍層質量也有很大改善。在Na2WO4-WO3 二元熔鹽體系中采用脈沖電鍍法制 備金屬鎢涂層，需要設定合適的電流參數，將熔鹽加熱到一定溫度后將陰極和陽極連接好， 浸入到熔鹽中，然后通以電流通過電鍍時間的調整獲得不同厚度的鎢涂層。由于在熔融鹽 中既有熱擴散又有陰極過電位，使得鎢涂層與基體的結合力非常高，致密度好，適用于異型 零件。本發明的優點在于 1、在Na2WO4-WO3熔融鹽體系中電鍍鎢，獲得的涂層致密，鎢涂層的形成是由于外加 電流形成陰極過電位使鎢在基體上形核并長大，同時也會由于熱擴散使得鎢涂層與基體間 進一步形成一層擴散層，增加了結合強度。2、通過采用單向脈沖或周期換向脈沖電流均能夠獲得純金屬鎢涂層，通過調整電 鍍時間能夠獲得可控厚度的涂層。這就使得金屬鎢涂層的性能和厚度完全通過槽外控制電 流參數來實現。3、可以處理曲面、內孔等復雜形狀的工件。4、工藝設備簡單，操作方便，成本低廉，無污染。
具體實施例方式基體(陰極)CuCr&合金(無氧銅或彌散強化銅合金)輔助電極(陽極)鶴實施步驟實施例1
1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水10小時，WO3在100°C干燥10小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫到850°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后采 用120mA/cm2的單向脈沖電流進行施鍍，脈沖頻率1000Hz，占空比為0. 1，電鍍時間10小時。5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入5% NaOH溶液中洗去表面的附著物。實施例2 1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水15小時，WO3在100°C干燥15小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫至900°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后采 用60mA/cm2的脈沖電流進行施鍍，脈沖頻率100Hz，占空比0. 25，電鍍時間15小時。5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入10% NaOH溶液中洗去表面的附著物。實施例3 1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水20小時，WO3在100°C干燥20小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫至920°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后采 用30mA/cm2的脈沖電流進行施鍍，脈沖頻率1000Hz，占空比0. 75，電鍍時間20小時。5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入15% NaOH溶液中洗去表面的附著物。實施例4 1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水10小時，WO3在100°C干燥10小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫至850°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后 采用正向電流密度120mA/cm2的周期換向電流(正反向時間比4 1，正反向電流密度比 6 1)，脈沖頻率1000Hz，電鍍時間10小時。
5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入20%的NaOH溶液中洗去表面的附著物。實施例5 1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水15小時，WO3在100°C干燥15小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫至900°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后 采用正向電流密度60mA/cm2的周期換向電流(正反向時間比4 1，正反向電流密度比 6 1)，脈沖頻率IOOHz,電鍍時間15小時。5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入25%的NaOH溶液中洗去表面的附著物。實施例6 1、熔鹽電解質按照摩爾百分比稱量Na2WO4 WO3 = 5 2 ；Na2WO4在300°C干燥脫 水20小時，WO3在100°C干燥20小時，然后混合均勻。2、陰極CuCrfr合金和陽極鎢片分別進行機械打磨、拋光，然后分別用丙酮和去離 子水超聲清洗8分鐘除去表面的油污和附著物。3、將混勻的熔融鹽放入電解槽中升溫至920°C，然后恒溫一段時間，使熔鹽離子組 份穩定。4、連接好陰極鍍件和陽極鎢片，，先以40mA/cm2的反向直流預電鍍20分鐘，然后 采用正向電流密度30mA/cm2的周期換向電流(正反向時間比4 1，正反向電流密度比 6 1)，脈沖頻率1000Hz，電鍍時間20小時。5、將電鍍完成的鍍件迅速取出放入30%的NaOH溶液中洗去表面的附著物。
權利要求
1.在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法，其特征在于制備方法步驟 分為熔融鹽的配置、電極表面預處理、電鍍、鍍件處理四步驟；具體步驟為a、熔融鹽的配置熔融鹽成份包括Na2WO4和WO3,各組分含量按摩爾百分比為=Na2WO4 WO3 = 5 2，其 中WO3為鎢的離子源，Na2WO4為助溶劑；b、電極表面預處理純銅或銅合金鍍件作為陰極，純金屬鎢作為陽極；陰極和陽極要經過機械打磨、拋光、 超聲清洗和干燥處理；鍍前對陰極和陽極進行尺寸測量和重量稱量；C、電鍍將Na2WO4在300°C干燥10 20小時以脫掉結晶水，將WO3在100°C干燥10 20小時；將混合的Na2WO4-WO3熔融鹽以穩定的升溫速度升至850°C 920°C形成熔鹽，保溫至熔鹽體 系穩定，連接陰極和陽極，接通電源，設定電鍍參數，開始施鍍；d、鍍件處理將電鍍完成后的鍍件取出，除去鍍件上的附著物；得到厚鎢涂層材料。
2.如權利要求1所述的在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法，其特征 在于所述的超聲清洗包括丙酮超聲清洗和去離子水超聲清洗兩個階段。
3.如權利要求1所述的在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法，其特征 在于所述的電鍍參數為電流分別采用單向脈沖電流或周期換向電流；其中采用單向脈沖 電流的固定電流密度在30 120mA/cm2，脈沖頻率為100 1000Hz，占空比為0. 1 0. 75， 電鍍時間為10 20小時；采用周期換向電流的固定電流密度在30 120mA/cm2，脈沖頻率 為100 IOOOHz，電鍍時間為10 20小時。
4.如權利要求1所述的在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法，其特征 在于所述的厚鎢涂層材料為陰極和鎢的互擴散層厚度0. 01 0. 05mm,純鎢涂層厚度為 1. 0 2. 0mm。
5.如權利要求1所述的在純銅或銅合金基體上熔鹽電鍍厚鎢涂層的制備方法，其特征 在于將電鍍完成后的鍍件取出后，放入5 30%的NaOH溶液中以清洗掉附著的熔鹽，并 對鍍層進行淬火處理，然后再分別用丙酮和去離子水超聲清洗，除去鍍件上的附著物；得到 厚鎢涂層材料。
全文摘要
一種純銅或銅合金基體表面在熔融鹽浴中電鍍厚鎢涂層的方法，屬于表面工程技術領域。工作電極(基體金屬)為CuZrCr或無氧銅(OF-Cu)或彌散強化銅合金，對電極(陽極)為純金屬鎢片，電極經過表面和干燥處理。熔融鹽為Na2WO4-WO3二元體系，按照一定摩爾比稱量干燥后混勻加熱到熔融狀態，連接陰極和陽極，通過設定電流參數和調整電鍍時間，獲得所需厚度的金屬鎢涂層。電流采用單向脈沖電流，固定均值電流密度在100～150mA/cm2、脈沖頻率10～1000Hz和占空比0.1～0.75，通過調整電鍍時間獲得所需厚度超過1mm的鎢涂層。本發明的優點在于金屬鎢涂層致密度高，結合強度高；適用于異型零件；工藝設備簡單，操作方便，成本低廉，無污染。
文檔編號C25D3/66GK102002743SQ201010575369
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者付寶建, 劉其宗, 劉艷紅, 吳澤雙, 張迎春, 蘇曉麗, 葛昌純 申請人:北京科技大學