磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層

余云丹，孫麗俠，樓俊尉，葛洪良，衛國英

（中國計量學院 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310018）

磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層

余云丹，孫麗俠，樓俊尉，葛洪良，衛國英

（中國計量學院 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310018）

在磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場強度對鍍層沉積速率、微觀形貌、成分以及磁性能等的影響。結果表明：沉積速率隨著磁場強度的增大而顯著提高；洛倫茲力可以降低電極表面的濃差極化，避免氫氣的析出，使鍍層均勻、致密；隨著磁場強度的增大，鍍層的比飽和磁化強度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢，當磁場強度為0.5T時，矯頑力最大。

磁場；電沉積；Co-W合金

0 前言

Co-W合金鍍層具有優良的耐蝕性、耐磨性及磁性能等特性，不僅可以作為超高密度垂直磁記錄的介質，還可以代替電子設備中的微磁體［1－2］。制備Co-W合金鍍層的方法有熱熔法、離子鍍法、化學鍍法和電鍍法等，但是傳統的制備方法都存在一些缺點（如鍍層孔隙率大、表面不夠平整、有氣孔等）。近年來，人們開始研究在磁場下制備金屬合金鍍層。在電鍍過程中，引入磁場可以有效地改善鍍層孔隙率大、表面粗糙等問題。本實驗在磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場強度對鍍層沉積速率、微觀形貌、成分以及磁性能等的影響。

1 實驗

1.1 鍍液組成及工藝條件

CoSO4·7H2O 0.1mol/L，Na2WO4·2H2O 0.05mol/L，（NH4）2C6H6O70.2mol/L，Na2SO40.3 mol/L，NH2CH2COOH 0.2mol/L，NaH2PO2·H2O 0.1mol/L，pH 值 8.0，電壓 1.8V，磁場強度 0～1.0T，55～60℃，1 800s。

1.2 實驗流程

實驗采用雙電極體系，陰極為銅片（面積為6cm2），陽極為鉑片（面積為15cm2）。實驗前陰極用不同型號的金相砂紙逐級打磨至光亮，然后放入丙酮與酒精的混合溶液中進行超聲波清洗，待用。用稀H2SO4或NaOH溶液將鍍液的pH值調至8.0，按上述鍍液組成及工藝條件施鍍。

2 結果與討論

2.1 磁場強度對Co-W鍍層沉積速率的影響

圖1為磁場強度對Co-W鍍層沉積速率的影響。由圖1可知：磁場強度對沉積速率有明顯影響，隨著磁場強度的增大，沉積速率顯著提高；當磁場強度為1T時，沉積速率達到60g·m－2·h－1，比無外加磁場時的沉積速率提高了近2倍。在電鍍過程中引入磁場，由于磁場垂直于電場，產生宏觀的洛倫茲力作用，從而攪拌鍍層附近的雙電層，消除了濃差極化，提高了化學反應速率［3］。另一個對鍍液的傳質作用有顯著影響的磁化力是磁場梯度力。磁場梯度力和磁場強度的平方成正比，磁場強度越大，鍍液的傳質速率越快。因此，磁場可以從化學反應速率和鍍液的傳質速率兩方面影響鍍層的沉積速率。

圖1 磁場強度對沉積速率的影響

圖2為在磁場和電場作用下離子的運動軌跡，其中FE為電場力，FL為洛倫茲力。由圖2可知：無外加磁場時，離子只受到電場力的作用，方向指向陰極表面，離子以近似于直線的運動軌跡到達陰極表面發生氧化還原反應；施加磁場后，離子除了受到電場力的作用外，還受到洛倫茲力的作用，因此，帶電微粒在磁場作用下做螺旋運動，最后從側向到達陰極表面。陰極附近離子的切向運動使得擴散層變薄，起到攪拌鍍液的作用，離子的傳質速率加快。

圖2 磁場和電場作用下離子的運動軌跡

2.2 磁場強度對Co-W鍍層微觀形貌的影響

圖3為磁場強度對Co-W鍍層微觀形貌的影響。由圖3可知：無外加磁場時，鍍層的孔隙率高，氣孔較多，這主要是濃差極化使得鍍層附近冒出大量氫氣所導致的結果；隨著磁場強度的增大，鍍層的孔隙率降低，氣孔逐漸減少；當磁場強度為1T時，鍍層平整，孔隙率低，微粒大小均勻。施加磁場之所以能降低鍍層的孔隙率，主要是由于洛倫茲力的磁對流效應。

圖3 磁場強度對鍍層微觀形貌的影響

圖4為在不同磁場強度下所得鍍層的AFM顯微圖。由圖4可知：無外加磁場時，鍍層表面呈均勻的“瘤節狀”；當磁場強度為0.2T時，鍍層表面出現了許多“山狀”的微粒，此時鈷在磁場力的作用下有垂直于鍍層表面生長的趨勢；當磁場強度為0.5T時，鈷垂直于鍍層表面生長的趨勢越來越明顯，“山狀”的微粒越來越多；然而隨著磁場強度的繼續增大，鈷垂直于鍍層表面生長的趨勢開始減弱，“山狀”微粒的尖端被打碎，鍍層表面開始趨于平整。隨著磁場強度的不斷增大，洛倫茲力開始占主導地位。洛倫茲力在陰極表面的邊界層中產生沖刷作用，使得陰極表面晶粒的尖端被打碎，抑制其垂直于鍍層表面生長，從而大大提高了鍍層表面的平整度。當磁場強度達到1T時，“山狀”的微粒基本上被洛倫茲力整平，鍍層表面呈“瘤節狀”。

圖4 在不同磁場強度下所得鍍層的AFM顯微圖

2.3 磁場強度對Co-W鍍層成分的影響

引入磁場后，磁場梯度力會影響鍍液的傳質作用，加快化學反應速率。鎢是順磁性金屬，其受到的磁場梯度力不明顯；而鈷是鐵磁性金屬，其受到的磁場梯度力較明顯，磁場梯度力使鍍液中的Co2＋遠離電極［4］，所以鍍液中的Co2＋會比 W6＋提前到達陰極表面發生氧化還原反應，從而使得鍍層中鈷的質量分數增加。EDS成分分析結果表明：無外加磁場時，鍍層中鈷的質量分數為65%；隨著磁場強度的增大，鍍層中鈷的質量分數不斷增加；當磁場強度為1T時，鍍層中鈷的質量分數達到93%。

2.4 磁場強度對Co-W鍍層磁性能的影響

圖5為磁場強度對Co-W鍍層磁性能的影響。由圖5可知：隨著磁場強度的增大，鍍層的比飽和磁化強度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢，當磁場強度為0.5T時，矯頑力最大，為73 709 A/m。根據磁化理論，材料的比飽和磁化強度與材料的組成有關。鈷具有磁性，隨著鍍層中鈷的質量分數的增加，鍍層的比飽和磁化強度增大。在磁場作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長，形成“山狀”結構，出現形狀各向異性［5］；當磁場強度增大時，洛倫茲力又整平鍍層表面“山狀”的微粒，使形狀各向異性消失。矯頑力與形狀各向異性有密切的關系，一般情況下，細長的微粒構成的薄膜材料，其矯頑力較大。因此，隨著磁場強度的增大，鍍層的矯頑力先增大后減小。

圖5 磁場強度對鍍層磁性能的影響

3 結論

（1）隨著磁場強度的增大，沉積速率顯著提高；磁場強度為1T時，沉積速率為60g·m－2·h－1，比無外加磁場時的沉積速率提高了近2倍。

（2）洛倫茲力在陰極表面的邊界層中產生沖刷作用，使得陰極表面晶粒的尖端被打碎，從而大大提高了鍍層表面的平整度。

（3）在磁場作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長，形成“山狀”結構，出現形狀各向異性；當磁場強度增大時，洛倫茲力又整平鍍層表面“山狀”的微粒，使形狀各向異性消失。

（4）隨著磁場強度的增大，鍍層的比飽和磁化強度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢，當磁場強度為0.5T時，矯頑力最大，為73 709A/m。

［1］ 顧培夫.薄膜技術［M］.浙江：浙江大學出版社，1990：22-67.

［2］ 鄧聯文，江建軍，何華輝.磁性薄膜及其復合結構高頻特性研究進展［J］.功能材料，2004，35（2）：151-153.

［3］ Koza J A，Uhlemann M，Mickel C，et al.The effect of magnetic field on the electrodeposition of Co-Fe alloys［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2009，321（14）：2 265-2 268.

［4］ Reilly C O，Hinds G，Coey J M D.Effect of a magnetic field on electrodeposition：Chronoamperometry of Ag，Cu，Zn，and Bi［J］.Journal of the Electrochemical Society，2001，148（10）：674-678.

［5］ 廖紹彬.鐵磁學［M］.北京：科學出版社，1988.

Preparation of Co-W Alloy Coatings by Electrodeposition in Magnetic Field

YU Yun-dan，SUN Li-xia，LOU Jun-wei，GE Hong-liang，WEI Guo-ying
（College of Materials Science and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

A Co-W alloy coating was prepared by electrodeposition in magnetic field and the effects of magnetic field intensity on the deposition rate，micro-morphology，composition，magnetic properties，etc.of the coating were investigated.The results show that as the magnetic field intensity increases，the deposition rate is significantly improved；Lorentz force can reduce differential concentration polarization of electrode surface and avoid hydrogen releasing，making the coating uniform and compact；along with the increasing of the magnetic field intensity，the specific saturation magnetization of the coating will gradually increase，and the coercive force will increase first and then decrease，when the magnetic field intensity is 0.5T，the coercive force has its maximum value.

magnetic field；electrodeposition；Co-W alloy

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0001-03

浙江省自然科學基金（Y4110290）和國家國際合作項目（2011DFA52400）

2011-06-07