專利名稱：二硫化鉬及鎳磷復合沉積液及其電沉積方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械零件的表面處理液及其處理方法，尤其涉及一種用于處理微機械摩擦表面的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液及其電沉積方法。
背景技術：
二硫化鉬具有層狀結構，層與層之間為范德華力結合，分子能沿這些平面輕易滑移，剪切力小。由于實際晶體中存在晶格缺陷，剪切力進一步減小，具有優(yōu)異的減摩性能，因此在摩擦領域得到廣泛的應用。
鎳磷鍍層由于熱處理后有很高的硬度可以提高摩擦表面的抗磨損性能，可用于強化摩擦表面。
一般二硫化鉬及鎳磷復合膜中二硫化鉬采用原始二硫化鉬顆粒直接添加溶液中的方法，其尺寸受到原始顆粒尺寸的限制，目前常用的顆粒尺寸為微米級；而該工藝采用電化學方法生成二硫化鉬顆粒遠小于其他工藝制備的復合膜中MoS2顆粒尺寸，并且分布更均勻，從而提高了機械零件的表面的減摩耐磨性能。
別的二硫化鉬及鎳磷復合膜一般只適用于宏觀的摩擦工件表面，而該復合膜不僅應用于宏觀的摩擦工件表面，也可應用于微機械摩擦構件表面。
微電子機械系統(tǒng)是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的新興學科，它以微電子及機械加工技術為依托，范圍涉及微電子學、機械學、力學、自動控制學、材料科學等多種工程技術和學科。但是由于微機械摩擦副之間同質摩擦產(chǎn)生強烈的粘著磨損，以及可動微機械穩(wěn)定性對輕微磨損的極度敏感，微機械往往在很短時間內因磨損而失效。表面微觀摩擦問題已經(jīng)成為微機械發(fā)展道路上的瓶頸。二硫化鉬及鎳磷復合膜結合了兩種成分的優(yōu)點，進一步提高了其減摩耐磨性能。
利用新型的電沉積法沉積二硫化鉬及鎳磷復合膜，緊密與微機械制造工藝相結合。使二硫化鉬及鎳磷復合膜易于沉積在微機械摩擦表面，是微機械的摩擦問題得到正真意義上的突破的有效途徑。該復合沉積二硫化鉬及鎳磷復合膜工藝應用于微機械摩擦表面的，國內外尚未見公開報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種能夠提高機械零件表面的減摩耐磨性能的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液及電沉積方法，本發(fā)明尤其可適合在微機械摩擦表面使用。
本發(fā)明采用如下技術方案
本發(fā)明所述的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，包括可溶性四硫代鉬酸鹽、可溶性鎳鹽、磷的可溶含氧酸鹽和水，可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～0.5∶1，磷的可溶含氧酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～30∶1，可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000。
本發(fā)明所述復合沉積液對機械零件進行表面處理的電沉積方法是先對機械零件的待處理表面進行潔凈處理，再將機械零件的待處理表面置于儲有上述復合沉積液的電解槽中，并使待處理的機械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-100毫安的電流密度，接通電源電沉積1-120分鐘，發(fā)生電化學反應，使二硫化鉬和鎳磷復合膜沉積于待處理機械零件的表面，最后，取出待處理的機械零件，并對其清洗，干燥，在保護氣氛中100℃-900℃條件下保溫0.5～4小時，即得到10納米-500微米厚度的均質二硫化鉬和鎳磷復合膜。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)由于鎳離子和次磷酸根在陰極被還原成鎳磷層，而四硫代鉬酸根在陰極被還原成二硫化鉬和鎳磷層沉積在一起，使本發(fā)明的復合沉積液能在零件表面形成二硫化鉬及鎳磷復合膜，而二硫化鉬具有層狀結構，層與層之間為范德華力結合，分子能沿這些平面輕易滑移，剪切力小。由于實際晶體中存在晶格缺陷，剪切力進一步減小，具有優(yōu)異的減摩性能，鎳磷鍍層由于熱處理后有很高的硬度可以提高摩擦表面的抗磨損性能，本發(fā)明將二硫化鉬和鎳磷復合在一起，形成復合膜，從而提高機械零件表面的減摩耐磨性能；尤其是本發(fā)明所提供的能在零件表面形成納米級二硫化鉬和鎳磷復合膜，使本發(fā)明能與MEMS制造工藝相結合，適合微機械使用，納米級二硫化鉬還可進一步復合膜的減摩耐磨性能。
(2)本發(fā)明所述的電沉積方法，不僅應用于微機械表面，也可以應用于宏觀機械摩擦表面，本發(fā)明采用電化學方法生成的二硫化鉬顆粒為納米級，提高了復合膜的減摩耐磨性能。
(3)電沉積二硫化鉬及鎳磷復合膜膜厚可在納米-微米級變化，二硫化鉬顆粒細小，膜表面光滑。有利于微機械表面改性層的尺寸要求。
(4)采用二硫化鉬及鎳磷復合沉積的方法，發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點，可以顯著提高工件表面減摩耐磨性能。
(5)添加劑的存在使溶液穩(wěn)定，改變沉積速度及提高二硫化鉬及鎳磷復合膜的質量。
具體實施例方式
實施例1一種用于機械零件表面處理的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，包括可溶性四硫代鉬酸鹽、可溶性鎳鹽、磷的可溶含氧酸鹽和水，磷的可溶含氧酸鹽可以是焦磷酸鈉，同時，焦磷酸鈉也起到了鉻合劑的作用，上述可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～0.5∶1，本實施例可選擇0.03∶1、0.1∶1、0.21∶1、和0.3∶1；焦磷酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～10∶1，本實施例可選擇0.2∶1、0.5∶1、4∶1和7∶1；本實施例還可包括添加劑，該添加劑至少包括一種有機酸或鹽，該添加劑與可溶性鎳鹽摩爾比為1～6∶1，其作用是保持溶液穩(wěn)定的作用，改善沉積速度及沉積層性能的作用，本實施例可選擇1.3∶1、1.9∶1、2∶1、3.5∶1、4.4∶1、和5.8∶1，上述添加劑可以是檸檬酸三鈉、氯化銨、乙二胺四乙酸二鈉、乳酸等中的一種或幾種的組合且其組分的配比可為任意配比；可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000，本實施例可選擇20∶5000、37∶5000、55∶5000、67∶5000、79∶5000和90∶5000。上述磷的可溶含氧酸鹽在溶液中為鎳磷層沉積過程中提供磷元素作用，部分磷的可溶含氧酸鹽又防止溶液產(chǎn)生混濁沉淀，保持溶液的穩(wěn)定性。
實施例2一種用于機械零件表面處理的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，由可溶性四硫代鉬酸鹽、可溶性鎳鹽、焦磷酸鈉和添加劑組成，其有效成分的摩爾百分比(不包括水)為可溶性四硫代鉬酸鹽1％～20％，本實施例可選擇2％、7％、11％、16％和19％；可溶性鎳鹽25％～50％，本實施例可選擇27％、29％、33％、40％和47％；次磷酸鈉25％～60％，本實施例可選擇28％、31％、35％、36％和55％；焦磷酸鈉25％～60％，本實施例可選擇26％、31％、34％、37％和55％；乙二胺四乙酸二鈉1％～20％，本實施例可選擇3％、9％、14％、17％和19％；檸檬酸三鈉1～30％，本實施例可選擇3％、7％、17％、25％、28％。水占電沉積液的摩爾百分比為99％～30％，本實施例可選擇35％、45％、52％、60％、71％和80％。
實施例3一種利用上述復合沉積液對機械零件進行表面處理的電沉積方法是先對機械零件的待處理表面進行潔凈處理，該潔凈處理包括進行脫脂、除油、除灰和除絕緣層等，再將機械零件的待處理表面置于儲有上述復合沉積液的電解槽中，并使待處理的機械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-100毫安的電流密度，接通電源電沉積1-120分鐘，發(fā)生電化學反應，例如接通電源電沉積的時間可為1、120、111、74、32、56或15分鐘，使二硫化鉬和鎳磷復合膜電沉積于待處理機械零件的表面，最后，取出待處理的機械零件，并對其清洗，干燥，在保護氣氛中100℃-900℃條件下保溫0.5～4小時，例如在室溫下，以每平方厘米待處理面積50mA的電流密度，接通電源電沉積30分鐘，發(fā)生電化學反應，最后，取出待處理的機械零件，并對其清洗，干燥，在保護氣氛中400℃條件下保溫1小時，即得到5微米厚度的均質二硫化鉬及鎳磷復合膜。
實施例4用本發(fā)明的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液配方處理微機械用單面拋光單晶硅片。該圓片的直徑為3英寸，晶向<110>，摻雜As，電導率0.002歐姆厘米。二硫化鉬的成分及低溫電沉積工藝如下二硫化鉬及鎳磷電沉積液的成分為，可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.05，次磷酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為2，焦磷酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比1.5∶1，可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000。
復合電沉積工藝1.按比例配置好二硫化鉬及鎳磷復合電沉積液，放置在電解槽中；2.對硅片表面進行脫脂、除油、除灰和除氧等前處理；3.將硅片至于電沉積液槽，與電源陰極連接，鉑電極與電源陽極連接并放入電解槽中；電解液處于常溫狀態(tài)。
4.根據(jù)硅片面積設定電流面積，接通電源電沉積10分鐘。
5.取出基片，清洗，干燥，在N2氣氛中100℃-900℃條件下保溫1小時。
即得到300納米厚度的均質二硫化鉬及鎳磷復合潤滑膜。
實施例5用本發(fā)明的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液配方處理Cr12模具鋼。二硫化鉬及鎳磷復合沉積液的成分及低溫電沉積工藝如下二硫化鉬及鎳磷電沉積的成分為，二硫化鉬及鎳磷電沉積液的成分為，可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.05∶1，焦磷酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比1∶1，檸檬酸三鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為1∶1，可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000。
電沉積工藝1.按比例配置好二硫化鉬及鎳磷復合電沉積液，放置在電解槽中；2.對Cr12模具鋼表面進行脫脂、除油、除銹等前處理；3.將Cr12模具鋼至于電沉積液槽，與電源陰極連接，鉑電極與電源陽極連接并放入電解槽中；電解液處于常溫狀態(tài)；4.根據(jù)Cr12模具鋼面積設定電流面積，接通電源電沉積30分鐘。
5.取出基片，清洗，干燥，在N2氣氛中100℃-900℃條件下保溫1小時。
即得到18微米厚度的均質二硫化鉬及鎳磷潤滑膜。
權利要求
1.一種用于機械零件表面處理的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，其特征在于包括可溶性四硫代鉬酸鹽、可溶性鎳鹽、磷的可溶含氧酸鹽和水，可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～0.5∶1，磷的可溶含氧酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～30∶1，可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000。
2.根據(jù)權利要求1所述的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，其特征在于包括添加劑，該添加劑至少包括一種有機酸或鹽，該添加劑與可溶性鎳鹽的摩爾比為1～6。
3.一種利用權利要求1所述復合沉積液對機械零件進行表面處理的電沉積方法，其特征在于先對機械零件的待處理表面進行潔凈處理，再將機械零件的待處理表面置于儲有上述復合沉積液的電解槽中，并使待處理的機械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-100毫安的電流密度，接通電源電沉積1-120分鐘，發(fā)生電化學反應，使二硫化鉬和鎳磷復合膜電沉積于待處理機械零件的表面，最后，取出待處理的機械零件，并對其清洗，干燥，在保護氣氛中100度-900度條件下保溫0.5～4小時，即得到10納米-500微米厚度的均質二硫化鉬及鎳磷復合膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于處理微機械摩擦表面的二硫化鉬及鎳磷復合沉積液，包括可溶性四硫代鉬酸鹽、可溶性鎳鹽、磷的可溶含氧酸鹽和水，可溶性四硫代鉬酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～0.5∶1，磷的可溶含氧酸鹽與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.01～30∶1，可溶性鎳鹽與水的摩爾比為1～100∶5000。本發(fā)明還公開一種復合沉積液對機械零件進行表面處理的電沉積方法先對表面進行潔凈處理，再將表面置于儲有上述復合沉積液的電解槽中，并使機械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安－100毫安的電流密度，接通電源電沉積1－120分鐘，最后，取出機械零件，并對其清洗，干燥，在保護氣氛中保溫。
文檔編號C25D9/08GK1605658SQ200410041820
公開日2005年4月13日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權日2004年8月31日
發(fā)明者張旭海, 蔣建清, 于金 申請人:東南大學