具有可变性质的金属性结构
2020-01-11

具有可变性质的金属性结构

公开了至少部分为细晶粒金属性材料的可变性质沉积物,非必要地包含分布在其中的固体颗粒。适当调节在单一电镀槽中的电沉积条件以使至少一种性质在沉积方向上一次或重复变化。在一种称作多维度分级的实施方案中,还提供了沿该沉积物的长度和/或宽度的性质变化。包含至少部分细晶粒微结构和在沉积方向上以及非必要地在多维度上的可变性质的可变性质金属性材料沉积物与整料细晶粒(平均晶粒尺寸:>20微米)或完全无定形的金属性材料沉积物相比提供了优越的总体机械性质。

平均电流密度(Iavg):80

在使用OFHC铜作为阳极材料的焦磷酸铜基浴¢01罐)中在抛光钛阴极(25cm直径)上沉积细晶粒的分级铜盘。电镀电流是由Dynatronix(Amery,Wisconsin,USA,DynanetPDPR40-100-400)脉冲电源提供的。表17中显示了所用的电解液和电镀条件。该数据表明在电镀过程中改变电条件能够有效用于控制在沉积方向上沉积物的硬度、晶粒尺寸和织构。图10中显示了所得到的可变性质结构,其显示了在除去该临时基体之后的该电沉积Cu溅射靶的横截面。将该样品嵌入环氧树脂中,切下横截面,抛光并测试硬度,然后记录图像。图10显示了由两层构成的电沉积的可变性质Cu溅射靶,第一层约为300微米厚,具有平均晶粒尺寸为650nm的细晶粒微结构,然后是平均晶粒尺寸为70nm的200微米厚超细晶粒层。由硬度测试仪的尖端产生的压痕显示出不同的硬度值。

上面给出了阴极电流密度、正向脉冲工作时间、停止时间、反向(阳极)脉冲工作时间、峰值正向电流密度、峰值反向电流密度、工作周期、电极转速、浴温度、浴组成、浴搅拌速率、屏蔽和惰性添加的范围。

将具有约O.5”外径的轻质石墨/环氧树脂高尔夫球杆前体放置在适合的芯轴上。将该芯轴插入装备有可变转速电动机的旋转器中,浸没在电解液中,并经过表4中所示的电镀条件。将适用于Ni-Fe合金电镀的工作实施例II中列出的改进Watts镇浴(IntegranTechnologiesInc.,Toronto,Ontario,Canada)放置在40升罐中,使用Dynatronix(Amery,Wisconsin,USA,PDPR40-100-400)脉冲电源。使用可溶的Ni-rounds(IncoLtd.,Sudbury,Ontario,Canada)和电角军Ferounds(AlliedMetalsCorp.ofTroy,Michigan)用作阳极。NPA-91是由AtotechUSA(RockHill,SouthCarolina)提供的。将该高尔夫球杆作为阴极。改变电镀条件,通过将该管的转速从400RPM以约100RPM/hr的速率降低到约120RPM/hr,以150mA/cm2的电流密度,连续改变该涂层的合金组成。表4显示了在三种不同的RPM设置下的浴化学组成和操作条件和合金组成和晶粒尺寸。表4如下:

调制平均阴极电流密度和峰值正向电流密度和峰值反向电流密度造成晶粒尺寸、合金和金属基质组成的变化。提高平均和峰值正向电流密度典型地造成晶粒尺寸的降低。

现代的轻质耐久制品需要多种物理性质,通过用整料式材料合成方法通常无法实现。现有技术中描述了在该制品的整个深度上具有可变性质的材料,其在各水平或层之间的性质不同。这些包括具有分级性质的部件(使得不同的水平或层具有不同的孔隙率、化学组成、晶粒尺寸、填料量和/或硬度值),其在不同的水平中具有不同的孔隙率、组成、晶粒尺寸、填料量和/或硬度。

此处的可变性质和多层电沉积工艺也适用于修复磨损表面,并能通过选择涂覆来重新修复部件,例如用具有类似化学组成但例如分级以提供具有小晶粒尺寸的等级的层修复磨损区域或全部部件,以提高磨损性能并提高使用寿命。

具有可变性质的金属性结构

公开了至少部分为细晶粒金属性材料的可变性质沉积物,非必要地包含分布在其中的固体颗粒。适当调节在单一电镀槽中的电沉积条件以使至少一种性质在沉积方向上一次或重复变化。在一种称作多维度分级的实施方案中,还提供了沿该沉积物的长度和/或宽度的性质变化。包含至少部分细晶粒微结构和在沉积方向上以及非必要地在多维度上的可变性质的可变性质金属性材料沉积物与整料细晶粒(平均晶粒尺寸:>20微米)或完全无定形的金属性材料沉积物相比提供了优越的总体机械性质。

具有电流密度和脉冲参数调制的用于电沉积可变性质铁电沉积物的浴化学组成和电沉积条件

具有表11的结果的结构可用于也即软磁性应用,根据朝向外表面提高镍含量的分级提供了降低腐蚀速率的优点。用Fe替换部分Ni还降低了该涂层的成本。

总周期时间:n/A

Erb在US5,352,266(1994)和US5,433,797(1995)中描述了用于制备纳米晶体金属和合金的电镀方法。通过施加脉冲电流在含水的酸性电解槽中将该纳米晶体材料电沉积在阴极上。没有描述在金属性沉积物中的性质变化。

此处所用的术语“沉积物”表示沉积层或自立式沉积体。

在以细晶粒形式沉积时表现出显著的内部应力且非常易碎的细晶粒沉积物的特别实例是铁沉积物。当铁以纳米晶体形式电沉积时,其应力非常大。典型地,对于具有550〜650VHN硬度的板,观察到的内部应力值在10〜IOOksi(拉伸)范围。高残余应力会不利影响可达到的厚度且导致的微结构产生微裂纹或应力过大使得在使用中不能适应任意显著量的塑性变形,其非常硬但具有差的韧性。通过热处理不能调节这些不足,可能是因为在热沉积过程中引入了杂质(例如0、C、S和H),所得到的沉积物一旦经过热处理就会变脆。这些不足妨碍了细晶粒承载结构应用的用途。通过如工作实施例XI中所示提供具有交替的延展性和易碎性层的一个或多个等级(水平或层)也调节了这些不足。

上面给出了阴极电流密度、正向脉冲工作时间、停止时间、反向(阳极)脉冲工作时间、峰值正向电流密度、峰值反向电流密度、工作周期、电极转速、浴温度、浴组成、浴搅拌速率、屏蔽和惰性添加的范围。

此处所用的术语“制品”表示物体,其一部分或所有都包含该可变性质沉积物。

浴化学组成 _ _

温度:60°C

其他获益于本发明的可变性质的情况包括引入无定形或准晶体等级(水平或层)(其已知在牺牲延展性的情况下提供显著的强度)与交替的或下层的延展性沉积物层(例如粗晶粒层),以提供高的整体硬度和可接受的整体延展性,使得在将该制品暴露于小程度的弯曲或形变时不会立刻在该电沉积物上整体造成裂缝。除了其高硬度之外,无定形金属性材料缺乏晶粒间腐蚀,因此无定形的Ni-P或Co-P外层提供了优良的防腐蚀性。准晶体金属很像细晶粒金属性材料,表现出低的摩擦系数,因此在需要低摩擦性的应用(即包括朝向彼此滑动的运动部件,如内燃机、电动机、液压组件、汽车或工业缓冲装置、枪炮中的机械装置(actions)等中所见到的)中是适合的“皮层”或外层。

发明内容

“乘以”。

该电沉积物可用于需要高的总体强度以及在一个外表面上具有高的硬度、刚性、屈服强度和回弹性以及在另一外表面上具有低的硬度和良好延展性的制品。分级以精致地方式提供了这些优点。典型的应用包括其中一个外表面需要提供抗磨损、刚性、润滑性、抗磨损和/或冲击性同时保持高的总体延展性的部件。