二硫化钼及镍磷复合沉积液及其电沉积方法

摘要

本发明公开了一种用于处理微机械摩擦表面的二硫化钼及镍磷复合沉积液，包括可溶性四硫代钼酸盐、可溶性镍盐、磷的可溶含氧酸盐和水，可溶性四硫代钼酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～0.5∶1，磷的可溶含氧酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～30∶1，可溶性镍盐与水的摩尔比为1～100∶5000。本发明还公开一种复合沉积液对机械零件进行表面处理的电沉积方法：先对表面进行洁净处理，再将表面置于储有上述复合沉积液的电解槽中，并使机械零件与电源阴极连接，在室温下，以每平方厘米待处理面积0.1毫安－100毫安的电流密度，接通电源电沉积1－120分钟，最后，取出机械零件，并对其清洗，干燥，在保护气氛中保温。

说明书

                           技术领域

本发明涉及一种机械零件的表面处理液及其处理方法，尤其涉及一种用于处理微机械摩擦表面的二硫化钼及镍磷复合沉积液及其电沉积方法。

                           背景技术

二硫化钼具有层状结构，层与层之间为范德华力结合，分子能沿这些平面轻易滑移，剪切力小。由于实际晶体中存在晶格缺陷，剪切力进一步减小，具有优异的减摩性能，因此在摩擦领域得到广泛的应用。

镍磷镀层由于热处理后有很高的硬度可以提高摩擦表面的抗磨损性能，可用于强化摩擦表面。

一般二硫化钼及镍磷复合膜中二硫化钼采用原始二硫化钼颗粒直接添加溶液中的方法，其尺寸受到原始颗粒尺寸的限制，目前常用的颗粒尺寸为微米级；而该工艺采用电化学方法生成二硫化钼颗粒远小于其他工艺制备的复合膜中MoS₂颗粒尺寸，并且分布更均匀，从而提高了机械零件的表面的减摩耐磨性能。

别的二硫化钼及镍磷复合膜一般只适用于宏观的摩擦工件表面，而该复合膜不仅应用于宏观的摩擦工件表面，也可应用于微机械摩擦构件表面。

微电子机械系统是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。但是由于微机械摩擦副之间同质摩擦产生强烈的粘着磨损，以及可动微机械稳定性对轻微磨损的极度敏感，微机械往往在很短时间内因磨损而失效。表面微观摩擦问题已经成为微机械发展道路上的瓶颈。二硫化钼及镍磷复合膜结合了两种成分的优点，进一步提高了其减摩耐磨性能。

利用新型的电沉积法沉积二硫化钼及镍磷复合膜，紧密与微机械制造工艺相结合。使二硫化钼及镍磷复合膜易于沉积在微机械摩擦表面，是微机械的摩擦问题得到正真意义上的突破的有效途径。该复合沉积二硫化钼及镍磷复合膜工艺应用于微机械摩擦表面的，国内外尚未见公开报道。

                           发明内容

本发明提供一种能够提高机械零件表面的减摩耐磨性能的二硫化钼及镍磷复合沉积液及电沉积方法，本发明尤其可适合在微机械摩擦表面使用。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的二硫化钼及镍磷复合沉积液，包括可溶性四硫代钼酸盐、可溶性镍盐、磷的可溶含氧酸盐和水，可溶性四硫代钼酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～0.5∶1，磷的可溶含氧酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～30∶1，可溶性镍盐与水的摩尔比为1～100∶5000。

本发明所述复合沉积液对机械零件进行表面处理的电沉积方法是：先对机械零件的待处理表面进行洁净处理，再将机械零件的待处理表面置于储有上述复合沉积液的电解槽中，并使待处理的机械零件与电源阴极连接，在室温下，以每平方厘米待处理面积0.1毫安-100毫安的电流密度，接通电源电沉积1-120分钟，发生电化学反应，使二硫化钼和镍磷复合膜沉积于待处理机械零件的表面，最后，取出待处理的机械零件，并对其清洗，干燥，在保护气氛中100℃-900℃条件下保温0.5～4小时，即得到10纳米-500微米厚度的均质二硫化钼和镍磷复合膜。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)由于镍离子和次磷酸根在阴极被还原成镍磷层，而四硫代钼酸根在阴极被还原成二硫化钼和镍磷层沉积在一起，使本发明的复合沉积液能在零件表面形成二硫化钼及镍磷复合膜，而二硫化钼具有层状结构，层与层之间为范德华力结合，分子能沿这些平面轻易滑移，剪切力小。由于实际晶体中存在晶格缺陷，剪切力进一步减小，具有优异的减摩性能，镍磷镀层由于热处理后有很高的硬度可以提高摩擦表面的抗磨损性能，本发明将二硫化钼和镍磷复合在一起，形成复合膜，从而提高机械零件表面的减摩耐磨性能；尤其是本发明所提供的能在零件表面形成纳米级二硫化钼和镍磷复合膜，使本发明能与MEMS制造工艺相结合，适合微机械使用，纳米级二硫化钼还可进一步复合膜的减摩耐磨性能。

(2)本发明所述的电沉积方法，不仅应用于微机械表面，也可以应用于宏观机械摩擦表面，本发明采用电化学方法生成的二硫化钼颗粒为纳米级，提高了复合膜的减摩耐磨性能。

(3)电沉积二硫化钼及镍磷复合膜膜厚可在纳米-微米级变化，二硫化钼颗粒细小，膜表面光滑。有利于微机械表面改性层的尺寸要求。

(4)采用二硫化钼及镍磷复合沉积的方法，发挥两种材料的优点，可以显著提高工件表面减摩耐磨性能。

(5)添加剂的存在使溶液稳定，改变沉积速度及提高二硫化钼及镍磷复合膜的质量。

                           具体实施方式

实施例1

一种用于机械零件表面处理的二硫化钼及镍磷复合沉积液，包括可溶性四硫代钼酸盐、可溶性镍盐、磷的可溶含氧酸盐和水，磷的可溶含氧酸盐可以是焦磷酸钠，同时，焦磷酸钠也起到了铬合剂的作用，上述可溶性四硫代钼酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～0.5∶1，本实施例可选择：0.03∶1、0.1∶1、0.21∶1、和0.3∶1；焦磷酸钠与可溶性镍盐的摩尔比为0.01～10∶1，本实施例可选择：0.2∶1、0.5∶1、4∶1和7∶1；本实施例还可包括添加剂，该添加剂至少包括一种有机酸或盐，该添加剂与可溶性镍盐摩尔比为1～6∶1，其作用是保持溶液稳定的作用，改善沉积速度及沉积层性能的作用，本实施例可选择：1.3∶1、1.9∶1、2∶1、3.5∶1、4.4∶1、和5.8∶1，上述添加剂可以是柠檬酸三钠、氯化铵、乙二胺四乙酸二钠、乳酸等中的一种或几种的组合且其组分的配比可为任意配比；可溶性镍盐与水的摩尔比为1～100∶5000，本实施例可选择：20∶5000、37∶5000、55∶5000、67∶5000、79∶5000和90∶5000。上述磷的可溶含氧酸盐在溶液中为镍磷层沉积过程中提供磷元素作用，部分磷的可溶含氧酸盐又防止溶液产生混浊沉淀，保持溶液的稳定性。

实施例2

一种用于机械零件表面处理的二硫化钼及镍磷复合沉积液，由可溶性四硫代钼酸盐、可溶性镍盐、焦磷酸钠和添加剂组成，其有效成分的摩尔百分比(不包括水)为可溶性四硫代钼酸盐1％～20％，本实施例可选择2％、7％、11％、16％和19％；可溶性镍盐25％～50％，本实施例可选择：27％、29％、33％、40％和47％；次磷酸钠25％～60％，本实施例可选择28％、31％、35％、36％和55％；焦磷酸钠25％～60％，本实施例可选择：26％、31％、34％、37％和55％；乙二胺四乙酸二钠1％～20％，本实施例可选择：3％、9％、14％、17％和19％；柠檬酸三钠1～30％，本实施例可选择：3％、7％、17％、25％、28％。水占电沉积液的摩尔百分比为99％～30％，本实施例可选择：35％、45％、52％、60％、71％和80％。

实施例3

一种利用上述复合沉积液对机械零件进行表面处理的电沉积方法是：先对机械零件的待处理表面进行洁净处理，该洁净处理包括进行脱脂、除油、除灰和除绝缘层等，再将机械零件的待处理表面置于储有上述复合沉积液的电解槽中，并使待处理的机械零件与电源阴极连接，在室温下，以每平方厘米待处理面积0.1毫安-100毫安的电流密度，接通电源电沉积1-120分钟，发生电化学反应，例如：接通电源电沉积的时间可为：1、120、111、74、32、56或15分钟，使二硫化钼和镍磷复合膜电沉积于待处理机械零件的表面，最后，取出待处理的机械零件，并对其清洗，干燥，在保护气氛中100℃-900℃条件下保温0.5～4小时，例如：在室温下，以每平方厘米待处理面积50mA的电流密度，接通电源电沉积30分钟，发生电化学反应，最后，取出待处理的机械零件，并对其清洗，干燥，在保护气氛中400℃条件下保温1小时，即得到5微米厚度的均质二硫化钼及镍磷复合膜。

实施例4

用本发明的二硫化钼及镍磷复合沉积液配方处理微机械用单面抛光单晶硅片。该圆片的直径为3英寸，晶向<110>，掺杂As，电导率0.002欧姆厘米。二硫化钼的成分及低温电沉积工艺如下：

二硫化钼及镍磷电沉积液的成分为，可溶性四硫代钼酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.05，次磷酸钠与可溶性镍盐的摩尔比为2，焦磷酸钠与可溶性镍盐的摩尔比1.5∶1，可溶性镍盐与水的摩尔比为1～100∶5000。

复合电沉积工艺

1.按比例配置好二硫化钼及镍磷复合电沉积液，放置在电解槽中；

2.对硅片表面进行脱脂、除油、除灰和除氧等前处理；

3.将硅片至于电沉积液槽，与电源阴极连接，铂电极与电源阳极连接并放入电解槽中；电解液处于常温状态。

4.根据硅片面积设定电流面积，接通电源电沉积10分钟。

5.取出基片，清洗，干燥，在N₂气氛中100℃-900℃条件下保温1小时。

即得到300纳米厚度的均质二硫化钼及镍磷复合润滑膜。

实施例5

用本发明的二硫化钼及镍磷复合沉积液配方处理Cr12模具钢。二硫化钼及镍磷复合沉积液的成分及低温电沉积工艺如下：

二硫化钼及镍磷电沉积的成分为，二硫化钼及镍磷电沉积液的成分为，可溶性四硫代钼酸盐与可溶性镍盐的摩尔比为0.05∶1，焦磷酸钠与可溶性镍盐的摩尔比1∶1，柠檬酸三钠与可溶性镍盐的摩尔比为1∶1，可溶性镍盐与水的摩尔比为1～100∶5000。

电沉积工艺

1.按比例配置好二硫化钼及镍磷复合电沉积液，放置在电解槽中；

2.对Cr12模具钢表面进行脱脂、除油、除锈等前处理；

3.将Cr12模具钢至于电沉积液槽，与电源阴极连接，铂电极与电源阳极连接并放入电解槽中；电解液处于常温状态；

4.根据Cr12模具钢面积设定电流面积，接通电源电沉积30分钟。

5.取出基片，清洗，干燥，在N₂气氛中100℃-900℃条件下保温1小时。

即得到18微米厚度的均质二硫化钼及镍磷润滑膜。