电沉积条件和热处理对FeCoP合金结构和磁性能的影响（稀有金属材料与工程论

电沉积条件和热处理对电沉积条件和热处理对FeCoPFeCoP合金结构和磁性能的影响 稀合金结构和磁性能的影响 稀 有金属材料与工程论有金属材料与工程论 第36卷增刊3xx年9月稀有金属材料与工程RA REM ETAL MATERIALS ANDENG INEERIN GVo1 36 Supp1 3Sep mberxx电沉积条件和热处理对Fe Co P合 金结构和磁性能的影响王森林 陈志明 华侨大学材料科学与工程学 院应用化学系 福建泉州362021 摘要以硼酸为缓冲剂 柠檬酸钠为 络合剂 在弱酸性体系电沉积Fe Co P合金 采用EDS XRD和振动样品磁强计 VSM 研究沉积条件 结果表明当镀液pH值从3 0增加到4 5时 镀层中铁含量从5 54at 增加到73 75at 而钴含最从63 41at 下降到16 89at 磷含量从31 04at 下降到9 36at Fe Co P合金的磁性能与沉积条件密切相关 随着镀层中铁含量的增加和磷 含量的降低 镀层的饱和磁化强度增加镀态时镀层呈非晶态 在360 会发生晶化出现体心立方Fe Co合金和少量六方Co Fe合金相 而600 时存在立方Fe Co和Co2P合金相 在500 对Fe63 4Co56P31 0合金进行退火处理 能显著提高该合金的饱和磁化强度和矫顽力 关键词Fe Co P合金 电沉积 非晶态 磁性能中图法分类号TB39A1002 185X xx S3 005 041990年Hironaka K等 J发现电沉积制备Fe Co P合金具有优异的软磁性能 后来Hreeros J等 2 和TayaokaA等 研究了镀液组成 工作电压等工艺参数对镀层组成和性质的影响 随着电压增加 铁含量增加 而钴和磷的含量则下降 镀层在室温下呈铁磁性 其磁滞回线形状决定于镀层的组成 1999年Garaa Arribas A等 4J进一步研究了电沉积Fe Co P合金的结构和磁性能 化学镀Co Fe P合金也具有优越的磁性能 6 本实验系统地研究了该合金的电沉积条件如pH值 电流密度和热处 理温度对Fe Co P合金组成 结构和磁性能的影响 以提高镀层的磁性能 1 2测试仪器和方法在铜片上镀覆2 0h后的镀层经扫描电镜 S一35 00N 上的x射线散射能谱分析 7201 其组成 真空热处理在管式控温炉中进行 保温1 0h XRD实验在D max re转靶x射线衍射仪上进行 扫描速率6 min一 CuK 射线 差示扫描量热实验 DSC 用TA公司生产的SDT 2960差热一热重分析仪 美国 氩气保护 升温速度10 min 将镀覆在碳钢基体上镀层机械剥离下来即为差示扫描量热测试样品 镀层的磁性测量在南京大学生产的振动样品磁强计上进行 LH 3型 1实验2结果与讨论1 1镀层的制备镀液组成FeSO4 7H2O0 06mol L COSO4 6H2O0 04m ol L Na3C6H507 2H200 20mol L H3BO30 50mol L NaH2PO2 H2O0 20t ool L 电镀工艺条件为pH3 0 4 5 阴极电流密度 15 25m A cm 温度60 基体材料为1 7cm 1 7cm 0 2cm碳钢 XRD结构测试用 和1 0cm 1 0cm 0 1cm铜片 组成 磁性能和表面形貌测试用 基体要经过打磨 除油 酸洗等前处理过程 2 1电沉积条件对镀层组成的影响图1示出电流密度为10mA cm时镀 液pH对所得镀层组成的影响 当pH从3 0增加到4 5时 镀层中铁的含量 原子分数 下同 从5 54 增加到73 75 钴含量从63 41 下降到16 89 磷含量 从31 04 下降到9 36 这是由于当pH较大时 在镀层表面可能会生成铁的氧化物和氢氧化 物膜 此膜有利于铁的还原沉积而抑制钴还原的沉积 以次亚磷酸为镀液的p的析出反应是jxx 09 13基金项目福建省自然科学基金资助 e0640004 作者简介王森林 男 1962年生 教授 华侨大学材料科学与工程学院应用化学系 福建泉州362021 电话0595 22693746 e mail slwang hqu edu 6 稀有金属材料与工程第36卷h2po2 e p 2oh 由以上反应机理可知 ph升高将抑制次亚磷酸的沉积 因此 随着镀液pH升高所得镀层磷含量下降 在pH为4 0时阴极电流密度对所得Fe Co P镀层组成的影响如图2 所示 随电流密度增大 镀层中Fe含量急剧增大 Co P含量则呈下降的趋 势 随着电流密度从15mA cm之增加到25mA ClTI之时 Fe原子分数从3 8 82 增加到76 62 Co原子分数从38 56 下降到1 73 P 含量从22 62 下降到21 64 这可能因为亚铁离子形成配位离子之后的表观交换电流密度大于钴 离子形成配位离子之后的表观交换电流密度 而表观交换电流密度 与电极反应速度常数成正比 所以 当电流密度增加时有利于铁沉积 此外 当电流密度增加时 也相对有利于还原电位较负的亚铁离子 pH图l镀液pH对所得镀层组成的影响Fig 1E fectof thebat hpH ont he coating positionJ mA cm 图2阴极电流密度对所得镀层组成的影响Fig 2E fectof thecathodic currentdensity on the coatingposition2 2电沉积条件对镀层结构的影响图3示出了镀液p H对所得镀层结构的影响 当镀液pH从3 0上升到4 5时镀层均呈非晶态 电子衍射 图4 进一步证实了镀层呈非晶态 该结果与文献 2 4 相同 20 图3不同镀液pH值所得镀层的XRD图谱Fig 3XRD patterns of t he coatingplated fromdi ferentbat hpH图4pH 4 0 l0mA cm时所得镀层的电子衍射谱图Fig 4Elect ronic diffractionpattern oft hecoatingplated atbath pH4 0and cathodiu rentdensity10mA cm 2 3电沉积条件对Fe Co P合金磁性能的 影响镀液pH值对所得Fe co P合金磁滞回线和饱和磁化强度的影响 见图5 根据图5a的磁滞回线可计算出该合金的饱和磁化强度 等磁参数 结果见图5b所示 显然 随着镀液pH的增加 所得镀层的饱和磁化强度增大 饱和磁 化强度从89 42A m2 kg 增加到1193 36A m2 kg 而矫顽力从4 45mT增加到12 27mT 根据磁学理论 1 材料的饱和磁化强度属材料的基本性质 主要由 材料成分决定 由于Fe和Co原子的3d未成对电子数分别为4个和3个 造成Fe的原子 磁矩比钴大 所以 单质铁和钴的饱和磁化强度为1707kA m 和1400kA m 铁的磁矩比钴高 另外 非金属元素P没有磁性 由于多元合金各元素原子的位置不等价 原子磁矩就有不同的分布 非金属元素P会使合金的电子结构发生变化 进而使合金的磁矩变小 而且P含量越大的合金磁矩就越小 合金的饱和磁化强度也就越小 根据前面的研究结果 在FeSO4 CoSO4摩尔比O 06 0 04下 随 着镀液pH值越高 所得镀层的铁含量越高 P含量越低 因此 可增刊3王森林等电沉积条件和热处理对fe co p合金结构和磁性能的影响 7 以认为铁含量越高和p含量越低 相应的钴含量越低 镀层的饱和磁化强度也越大 从实验可以看出 通过改变电沉积条件可以得到铁基合金 而化学 沉积只能得到钴基合金 而铁基合金的饱和磁化强度高于钴基合金 暑之H DH图5不同镀液pH值所得镀层的磁滞回线和饱和磁化强度Fi g 5Magic hysteretiurves a and saturation magization b for thedeposit platedfrom different bathpH2 4热处理对Fe63 4Co5 6P31 0合金结构的影响当镀液pH 值为3 0 电流密度为10mA cm时制备的Fe Co P合金组成为Co63 41 Fe5 54 P31 04 记为Fe63 4Co5 6P310 图6示出了Fe63 4Co5 6P310合金的差示扫描量热曲线 DSC 由图可知合金在360 附近有一个明显的放热峰 表明该合金的相变 图6Fe63 4Co56P0的差示扫描量热曲线Fig 6DSC curveof Fe634Co56P310coating温度在360 图7示出了热处理温度对该Fe Co P合金结构的影响 显然 镀态合金为非晶态 400 时出现体心立方Fe Co合金和少量六方Co Fe合金相 而600 时存在立方Fe Co和Co2P合金相 因此 在差示扫描量热360 附近的放热峰是由于非晶态合金晶化为 立方Fe Co和少量六方Co Fe相造成的 2O 图7不同温度热处理后Fe63 4Co56P0的XRD图谱Fig XRD patternsof Fe634Co56P310heated atdifferent temperatures2 5热处理对Fe63 4Co5 6P31 0合金磁性能的影响 对非晶态合金进行热处理 会发生晶化从而使合金磁性能发生变化 图8a为热处理温度对Fe63 4Co56P310磁滞回线的影响 可知热处理 温度对合之暑 耄H 姜图8热处理对Fe63 4Co56P310磁滞回线 和磁性能的影响Fig 8Effect ofheat treatmentonthemagic hysteretiurves a and magic properties b of Fe634Co56P31011 A1IloluH oA1一 11 b a1iloluh一日il 0 q 8 稀有金属材料与工程第36卷金 的磁性能影响很大 根据图8a所得数据得到图8b 示出了热处理温度对该合金饱和磁化 强度 和矫顽力 的影响 由图可见 随着退火处理温度的升高 镀层饱和磁化强度和矫顽力 不断提高 特别是经500 退火处理 极大地提高了其饱和磁化强度 和矫顽力 600 退火处理反而使合金的饱和磁化强度下降 但几乎 不影响矫顽力 从图8还可知 随着退火温度的升高 镀层的饱和磁化强度和矫顽力 分别从镀态的87 50A m2 kg和35 72mT增加到500 的174 44A m2 kg 和87 70mT 500 以前饱和磁化强度和矫顽力增加是由于退火形成强磁性立方Fe Co和少量六方Co Fe合金相 从500 到600 饱和磁化强度下降 是由于在这一温度 镀层进一步晶化形成了非磁Co2P相 Farr等人I8 研究Ni Co P合金时发现 热处理使非晶态合金晶化为强磁性的Co相 从而显著 提高合金的磁性能 3结论当pH值从3 0增加到4 5时 镀层中铁的含量从5 54 增加 到73 75 而钴含量从63 41 下降到16 89 磷含量从31 0 4 下降到9 36 Fe Co P合金的磁性能与沉积条件密切相关 随着镀层中铁含量增加和 磷含量降低 镀层的饱和磁化强度均增加 镀态时镀层呈非晶态 在360 会发生晶化出现体心立方FeCo合金和 少量六方CoFe合金相 而600 时存在立方FeCo和Co2P合金相 在500 对Fe63 4Co5 6P31 0合金进行退火处理 显著地提高了 其饱和磁化强度和矫顽力 参考文献References 1 Hironaka K Uedaira S IEEE TMagn J 1990 26 5 2421 2 Herreros J Barandiaran JM Garcia Arribas A Non Crystalline Solids J 1996 xx02 3 Tayaoka A Tayaoka E Yamasaki J J ApplP J1 1996 79 8 6016 4 Garcia Arribas A Fdez Gubieda ML Barandiaran JM Magism and Magic Materials J 1999 196 197 164 5 Wang Senlin Zen Fanqiu Acta MetallurgicaSinica J xx 19 4 307 6 Wang Senlin JournalAppliedSurface Finishing J xx l 1 90 7 Tian Minbo 田民波 Magic Materials 磁性材料 M BeOingTsinghua UniversityPress xx64 8 Farr JP G Abbas NoshaniA Trans IMF J 1996 74 6 221inf luenceof theelectro deposition conditionsand heattreatment onthe structureandmagic performances of the fe co p alloyw angsenlin chen zhiming huaqiao university quanzhou362021 china abstractthe fe co p alloyswere depositedfrom asof tacidic bath containing boricacid asa bufer agentand sodiumcitrate asa plexingagent the structureand themagicproperties of thedeposit werestudied byenergy dispersivex ray spectral eds x ray diffraction xrd and vibratingsample magometer vsm with the increase ofph oft heplating solutionf rom3 0to4 5 the content of feof thedeposit increasedf rom5 54at to73 75at on theother hand the content of codecreased f rom63 41at to16 89at and the contentofp decreasedfrom31 04at to9 36at the magicpropertiesof the alloywer