電鍍Cu-Mo-Co合金的熱力學(xué)分析

李遠(yuǎn)會(huì)，王海峰，黃碧芳，張曉燕，郭忠誠(chéng)

(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明 650039;2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550003)

引 言

在電能轉(zhuǎn)換、輸配、控制與調(diào)節(jié)過(guò)程中，電接觸元件是開(kāi)關(guān)電器通斷轉(zhuǎn)換能力和可靠性的關(guān)鍵［1］。目前，電接觸材料主要為銀基、銅基兩大類。目前，銅基電接觸材料制備方法主要是粉末冶金以及其衍生工藝［2］。近幾年，電鍍銅基合金［3-4］的電接觸元件既有銅基體電阻率低、導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鍍層具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐電弧和抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，其綜合性能也已達(dá)到國(guó)內(nèi)外低壓弱電開(kāi)關(guān)同類先進(jìn)產(chǎn)品的水平。銀資源稀缺，較昂貴，回收率低。無(wú)銀環(huán)保型銅基電接觸材料已成各國(guó)電接觸領(lǐng)域研究的重點(diǎn)［1］。銅元素是銅基電接觸材料的主要合金元素之一［5-7］，電鍍多元合金鍍層/銅基體無(wú)銀電接觸材料未見(jiàn)報(bào)道。本文擬從熱力學(xué)角度分析制備Cu-Mo-Co合金的可行性。

1 Cu-H2O體系下φ-pH圖

表1 為T(mén)=298K，Cu-H2O體系中主要考慮的反應(yīng)及根據(jù)反應(yīng)組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［8］導(dǎo)出的φ-pH表達(dá)式。

表1 Cu-H2O體系中主要反應(yīng)和平衡條件

在Cu-H2O體系φ-pH圖中(圖1)，a-①-②線區(qū)域里的Cu2+水溶液中都能電鍍Cu金屬，即酸性或堿性Cu2+水溶液均能電鍍單質(zhì)Cu。本文熱力學(xué)分析只限于φ-pH圖電鍍金屬或合金的區(qū)域，圖1中a、b直線分別表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2、O2的平衡線，φpH表達(dá)式涉及的離子濃度均為0.1mol/L。

圖1 Cu-H2O系φ-pH圖

2 Co-H2O體系下φ-pH圖

表2 為T(mén)=298K，Co-H2O體系中主要考慮的反應(yīng)及根據(jù)反應(yīng)組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［9］導(dǎo)出的φ-pH表達(dá)式。

表2 Co-H2O體系中主要反應(yīng)和平衡條件

在Co-H2O系圖中(圖2)，a-①-⑤線范圍內(nèi)的區(qū)域里的Co2+水溶液能電鍍單質(zhì)Co。但該區(qū)域狹窄，容易引起析氫、滲氫或氫氧化物膠體電沉積。

圖2 Co-H2O系φ-pH圖

3 Mo-H2O體系φ-pH圖

Mo-H2O體系的水溶液化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，本文考慮該體系存在的物種主要有Mo、MoO2、MoO3、Mo3+、HMoO4－及MoO42－。表 3 為 T=298K，Mo-H2O體系中主要考慮的反應(yīng)及根據(jù)反應(yīng)組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的φ-pH表達(dá)式［10］。

表3 Mo-H2O體系中主要反應(yīng)和平衡條件

在Mo-H2O系φ-pH圖中(圖3)，a析氫平衡線在平衡線的上方，故不能從水溶液中析出。參照文獻(xiàn)［11］的分析方法，圖1和圖3簡(jiǎn)單疊合(圖4)發(fā)現(xiàn)，在a析氫平衡線上方無(wú)共沉積熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域，說(shuō)明Cu-Mo二元合金不能從含Cu2+、MoO42－水溶液中析出。但在Co2+誘導(dǎo)下，Co2+、MoO42－水溶液中能析出Cu-Mo合金［12］，析出過(guò)程可能與誘導(dǎo)金屬吸附的氫原子將 MoO2進(jìn)一步還原成零價(jià)鉬［13］有關(guān)。

從Cu-Co二元相圖看出，常溫下Cu、Co組分幾乎不相溶。將圖1和圖2機(jī)械重合(圖5)發(fā)現(xiàn)，圖2中 a-①-⑤實(shí)線圍成的區(qū)域內(nèi)，Cu-Co合金中從Cu2+、WO42－水溶液能共沉積析出，其相關(guān)的電鍍工藝已有報(bào)道［12］。

圖3 Mo-H2O系φ-pH圖

圖4 Cu-Mo-H2O系φ-pH疊合圖

圖5 Cu-Co-H2O系φ-pH疊合圖

4 結(jié)論

Cu-Co合金能在含Cu2+、Co2+的水溶液熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)里共沉積析出，Cu-Mo合金不能在含Cu2+、MoO42－水溶液中析出，但 Cu-Mo合金在含 Co2+、MoO42－水溶液能誘導(dǎo)析出。因此，電鍍法制備Cu-Mo-Co合金是可行的，Cu-Mo-Co合金電鍍過(guò)程還需在工藝條件、動(dòng)力學(xué)及機(jī)理等方面作進(jìn)一步研究。

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