稀土Ce对化学沉积Co-Fe-B合金涂层功能特性的影响.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 6 ．N o ．3 A u g u s t 2 0 04 稀土C e 对化学沉积C o F e B 合金涂层 功能特性的影响 宣天鹏，章磊，黄芹华 合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥2 3 0 0 0 9 摘要借助显微硬度计、磨损试验机和振动样品磁强计等分析稀土金属c e 对化学沉积C o - F e - B 合金涂层显微硬度、磨损 体积、磁化强度、矫顽力和磁导率的影响。结果表明，稀土c e 明显地提高了涂层的显微硬度和耐磨性，随镀液中稀土c e 量增加， 显微硬度和耐磨性先增后降，在[ C e ] - 0 ．8 9 ／L 时达到最大值。稀土c e 还提高了涂层的饱和磁化强度和磁导率，降低了剩余磁化 强度和矫顽力。 关键词材料科学基础；化学镀合金涂层；稀土元素；磁性能；显微硬度 中图分类号T Q l 5 3 ．2 ；T G l 4 6 ．1T G l 7 4 ．4 4 ；文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 1 2 0 3 具有良好性能的化学沉积C o ．B 系软磁合金薄 膜以其制备方便、成本低廉、可连续生产等特点对电 子元器件高频化、小型化进而对计算机与信息行业 的发展起着重要作用。为提高化学沉积C o ．B 系合 金的工艺稳定性与性能重现性，研究了稀土金属对 化学沉积钴基合金涂层的改性作用、o 在探讨化学沉 积C o F e B ．C e 合金工艺配方和涂层的成分、组织结 构基础上【1 - 2 】，进一步考察了稀土C e 进入合金涂 层后对涂层功能特性的影响，并分析了稀土的作用 机制。 l实验方法 用于显微硬度和耐磨性测定的基体材料为 3 0 m m 7 m m 7 m m 的4 5 钢试样，用于磁性测定 的基体材料为2 0 m m 5 r a m l m m 的紫铜片。化 学沉积C o F e ．B ．C e 合金镀液的工艺配方和操作条 件见文献[ 1 ] ，C e 以氯化稀土的形式加入。显微硬 度在7 1 型显微硬度计上测定，载荷0 ．9 8 N 。磨损试 验在M M ．2 0 0 磨损试验机上进行，对磨环为淬火态 4 5 钢，硬度5 3 H R C ，载荷4 9 N ，1 0 机油润滑，转速 2 0 0 r ／m i n 。涂层的饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫 顽力和磁导率等磁学性能在L D J ．9 0 0 0 型振动样品 磁强计上考察。 收稿日期2 0 0 3 0 3 2 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 3 7 1 0 2 3 作者简介宣天鹏 1 9 5 5 一 ，男，安徽省东县人，教授，硕士，主要从 事表面工程研究和教学工作。 2 试验结果和讨论 2 ．1 稀土C e 对化学沉积C o - F e - B 涂层力学性能的 影响 稀土C e 对化学沉积C 0 一F e ．B 合金涂层显微硬 度和磨损体积的影响如图1 和图2 所示，二者随镀 液里C e 含量关系的变化趋势基本相同。稀土C e 明 显地提高了C O F e - B 涂层的显微硬度和耐磨性，随 镀液里稀土元素C e 添加量的增加，它们先增后降， 当镀液里[ C e ] _ 0 ．8 9 ／L 时显微硬度达到最大值，磨 损量最小。 图1 化学沉积C o ．F e - B - C e 合金涂层的显微硬度 F i g ．1 M i c r o h a r d n e s so fe l e c t r o l e s s C o - F e - B - C ea l l o yc o a t i n g s 对软磁合金而言，高硬度是获得高耐磨性的保 证。化学沉积C o F e B 合金具有非晶态结构【2J ，影 响其力学性能的是内部原子的无规则排列和结构中 的异常区域等。从自由体积的概念来看，非晶态涂 层无序排列的原子周围有较大的自由体积空洞，这 些空洞的尺寸和在空间分布的差异，形成了非晶态 结构中不均匀的异常区域。当涂层受到外力后，原 万方数据 第3 期宣天鹏等稀土C e 对化学沉积C o - F e - B 合金涂层功能特性的影响1 3 子择优在受力方向上进行跃迁，局部的异常区域则 通过弹性变形发生位置的重排，反映出一定的硬度 和耐磨性⋯3 。稀土C e 的加入形成了微晶结构的 C 0 ．F e B ．C e 涂层，由于晶粒比较细小，就形成了数量 较多的晶界，晶界上原子排列的周期性被破坏、且存 在着空位、夹杂物以及位错等缺陷，在涂层受力时， 微观区域内晶粒的移动、偏转、变形等都需要克服晶 界及缺陷的钉扎阻碍作用，产生了较大的硬化作用。 因此与非晶态结构的C o ．F e B 涂层相比，微晶结构 的C o ．F e B - C e 涂层对微变形和微切削的抗力增大， 表现出较高的显微硬度和耐磨性。 2 5 2 3 2 1 1 9 1 7 1 5 1 3 图2 化学沉积C o ．F e - B - C e 合金涂层的磨损体积 F i g ．2 W e a rv o l u m e so fe l e c t r o l e s s C o - F e - B - C ea l l o yc o a t i n g s ● 、 同时，在形成化学沉积C o ．F e ．B ．C e 涂层时，大 尺寸的稀土原子周围形成了包含很多金属原子的极 化球，且C e 和C o ，F e ，B 有较大的原子尺寸差等，导 致了涂层空位、位错等缺陷进一步增加，产生了较大 的晶格畸变，引起了涂层显微硬度和耐磨性进一步 提高。涂层的C e 含量越高，这种作用越强。当涂层 中稀土C e 含量超过一定值时，晶格畸变加大，极化 球间的相互作用增强，原子间的结合力和应力场加 大，减小了金属原子的振动频率、跃迁几率和扩散系 数，阻碍后续C e 原子的进入，涂层的实际C e 含量降 低，所以涂层的显微硬度和耐磨性有所降低【4 】。 2 ．2 稀土C e 对化学沉积C o - F e ．B 涂层磁性的影响 ‘稀土C e 对化学沉积C o ．F e B C e 合金涂层磁化 强度和矫顽力的影响见表1 ，含C e 涂层 [ C e ] 0 ．8 9 ／L 的饱和磁化强度 M s 得到了提高，剩余磁 化强度 M r 和矫顽力 H c 下降。图3 和图4 是化 学沉积C o F e B 合金和化学沉积C o - F e ．B C e 合金 涂层 [ C e ] 0 ．8 9 ／L 的磁导率曲线，前者的初始磁 导率段 1 2 2 ．0 1 、最大磁导率卢一 2 4 8 ．7 9 ，添加 了稀土C e 后，涂层的磁导率有了较大幅度的增长， 初始磁导率弘i 2 9 9 ．9 7 ，最大磁导率p 一 6 1 9 ．7 7 。 图3 化学沉积C o - F 争B 合金涂层 磁导率与磁场强度 F i g ．3M a g n e t i cp e r m e a b i l i t ya n dm a g n e t i c d e n s i t yo fC o - F e - Bc o a t i n g 图4 化学沉积C o - F e - B ．C e 合金涂层 磁导率与磁场强度 F i g ．4M a g n e t i cp e r m e a b i l i t ya n dm a g n e t i c d e n s i t yo fC o - F e - B - C ec o a t i n g 表1 化学沉积C o - F e - B ．C e 合金涂层的 磁性／ A c m - 1 T a b l e1 M a g n e t i cp r o p e r t i e so fe l e c t r o l e s s C o - F e - B - C ea l l o yc o a t i n g s ／ A c m 一1 材料的饱和磁化强度是结构不敏感参量，主要 由材料的成分、组成相的性质和相对量等因素所决 定。化学沉积C o ．F e ．B 合金薄膜由过渡族元素C O ， F e 和类金属元素B 构成，形成了非晶态结构后，由 于原子位置的不等价，原子磁矩的大小就有了不同 的分布。类金属的存在会使非晶态的电子结构发生 变化，使非晶态合金的磁矩减小，而且类金属的含量 越高，磁矩的减小越明显，饱和磁化强度越低L 5J 。 稀土C e 进人化学沉积C o ．F e ．B 合金涂层后，影响了 涂层未偶合电子的数目，降低了涂层中的B 含 量⋯2 ，减轻了类金属元素对磁矩的不利影响；同时 具有4 f 壳层单电子的稀土C e 的磁矩对过渡族金属 原子的磁矩起到了加强的作用，使饱和磁化强度得 以提高【6J 。 nl，0【H∑q 万方数据 “有色金属 第5 6 卷 合金薄膜的矫顽力和磁导率是结构敏感参量， 除材料成分、组成相性质和相对量等因素外，还与晶 粒取向、晶粒尺寸、薄膜厚度、温度和应力等因素有 关，对杂质和缺陷十分敏感。非晶态薄膜材料的形 成过程中，由于气体在表面的吸附以及不同尺寸原 子的堆积等，使涂层产生了较大的内应力、空洞等缺 陷，对可逆磁畴的转动和位移会造成阻碍，表现出一 ，定的矫顽力，磁导率也受到影响。稀土C e 提高了形 核率，细化了晶粒，净化了晶界，提高了涂层中超顺 磁粒子的数量，进而减小了剩磁，使剩余磁化强度和 矫顽力下降，磁导率提高【7 1 。自2 0 世纪8 0 年代开 始，利用非晶态合金薄膜的结晶化获得微细化组织 改善材料软磁性能已成为一个重要的研究方向，稀 土C e 使非晶态的化学镀C o - F e - B 薄膜转化为了微 参考文献 晶结构，形成了超微细晶粒薄膜，减小了磁各向异性 和磁致伸缩常数，进一步降低了剩余磁化强度和矫顽 力、提高了磁导率，大大地改善薄膜的软磁特性f 引。 3结论 1 稀土C e 较大幅度地提高了化学沉积C o - F e - B 合金涂层的显微硬度和耐磨性，随镀液C e 量增 加，涂层显微硬度和耐磨性都是先增后降，当镀液里 [ C e ] 0 ．8 9 ／L 时，涂层的显微硬度达到最大值，磨 损量最小。 2 稀土C e 影响化学沉积C o - F e ．B 合金涂层的 成分与结构，明显地提高了涂层的饱和磁化强度、初 始磁导率和最大磁导率，降低了涂层的剩余磁化强 度和矫顽力，大大改善了涂层的软磁性能。 [ 1 ] 宣天鹏，黄芹华，章磊．铈对化学镀C o - F e - B 合金镀覆工艺的影响[ J ] ．有色金属，2 0 0 2 ，5 4 4 9 1 3 ． [ 2 ] 宣天鹏，章磊，黄芹华．稀土c e 对化学镀C o - F e - B 合金层组织结构的影响【J ] ．有色金属，2 0 0 4 ，5 6 2 9 1 2 ． [ 3 】黄胜涛．非晶态材料的结构和结构分析[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 7 1 3 4 1 4 4 ． [ 4 ] 钟华仁．钢的稀土化学热处理[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 9 8 2 0 3 2 1 0 ． [ 5 ] 何圣静，高莉如．非晶态材料及其应用[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 7 8 1 8 9 ． ￡1 6 ] 张世远，路权，薛荣华。磁性材料基础[ M ] 。北京科学出版社，1 9 8 8 1 3 4 1 4 0 ． 【7 ] 龙毅，张正义，李守卫．新功能磁性材料及其应用[ M ] ．北京；机械工业出版社，1 9 9 7 1 3 0 1 5 0 ． [ 8 ] 田民波．磁性材料[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 1 8 7 1 2 0 ． E f f e c to fC e r i u mo nF u n c t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fE l e c t r o l e s sC o - F e - BA l l o yC o a t i n g X U A NT i a n p e n g ，Z H A N GL e i ，H U A N GQ i n h u a H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H e f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fr a r ee a r t he l e m e n tc e r i u mO nm i c r o h a r d n e s s ，w e a rv o l u m e ，m a g n e t i ci n t e n s i t y ，c o e r c i t i v e f o r c ea n dm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo fe l e c t r o l e s sC o F e Ba l l o yc o a t i n ga r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h em i c r o - h a r d o m e t e r ，a b r a s e ra n dv i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tm i c m h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ee l e c t r o l e s sC o F e Bc o a t i n ga r er e m a r k a b l yi n c r e a s e db ya d d i t i o no ft h er a r ee a r t he l e m e n tc e r i u m ． 旭a d d i t i v eq u a n t i t yo fe a r t he l e m e n tc e r i u mi si n c r e a s e di nt h ep l a t i n gb a t h s ，t h em i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g sa r ei n c r e a s e df i r s ta n dd e c r e a s e da f t e r w a r d s ，a n dt h ep e a kv a l u e sa r ea t [ C e ] 0 ．8 9 ／Li n t h ep l a t i n gb a t h ．T h es a t u r a t e dm a g n e t i ci n t e n s i t ya n dm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo ft h ec o a t i n ga r ei n c r e a s e d ，a n d t h er e m a i n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t ya n dc o e r c i t i v ef o r c ea r ed e c r e a s e da st h er e s u l t so ft h er a r ee a r t he l e m e n tc e r i u m i n t r o d u c t i o ni n t ot h ec o a t i n g ． K e y w o r d s f o u n d a t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e ；e l e c t r o l e s sa l l o yc o a t i n g ；r a r ee a r t he l e m e n t ；m a g n e t i cp r o p e r t y ； m i c r o h a r d n a s s 万方数据