專利名稱：改性納米二氧化硅顆粒增強鎳磷復(fù)合鍍層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高硬度、耐磨新型鎳磷復(fù)合鍍層的制備方法，其特征是以表面修 飾、改性后納米二氧化硅顆粒為增強體，優(yōu)化施鍍工藝，制備性能優(yōu)良的鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍 層，該發(fā)明屬于表面技術(shù)、材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磨損、腐蝕是工程材料的主要失效方式，給社會造成巨大的經(jīng)濟損失，而這些失效 方式都與材料的表面狀態(tài)密切相關(guān)，因此欲提高這類材料的使用性能，關(guān)鍵是提高其表面 性能，由此促進(jìn)了表面改性和強化技術(shù)的發(fā)展?；瘜W(xué)復(fù)合鍍作為一項環(huán)保型的表面處理技 術(shù)，越來越顯示出其重要性。SiO2具有硬度高、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛地用來制備鎳磷 化學(xué)復(fù)合鍍層。但從采用化學(xué)復(fù)合鍍方法所得到的試驗結(jié)果分析，裸SiO2直接使用時，還 存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決，如超微、納米SiO2的尺寸很小導(dǎo)致單個粒子的表面活 性大，極易吸附其它物質(zhì)或微粒，引起團聚；SiO2增強復(fù)合鍍層時，SiO2的共價鍵與金屬基 體的金屬鍵之間的本質(zhì)差別，使界面潤濕性能差，顆粒易脫落，硬度、耐磨性降低；SiO2與金 屬基體接觸時，高溫下會發(fā)生顯著的固相界面反應(yīng)，改變金屬基體的微結(jié)構(gòu)與性能，使其硬 度及耐磨性降低等。有關(guān)這方面的文章或?qū)＠缰苄∑降?納米SiO2顆粒鎳基復(fù)合刷鍍 層組織與磨損特性，湖北工學(xué)院學(xué)報，2004. 1 ；周細(xì)應(yīng)等.一種納米二氧化硅復(fù)合耐磨鍍層 工藝，申請?zhí)朇N200410053471. 5等。故提高顆粒的分散性，增強顆粒與金屬基體的相容性， 增加鎳的沉積量，提高鍍層的硬度、耐磨性等，是目前鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍研究中的一個迫切需 要解決的難點問題。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，探索一種降低納米顆粒團聚，提高增強 體與金屬基體的相容性，鍍層厚、硬度高、耐磨性能好的鎳磷復(fù)合鍍層制備的技術(shù)方法。在已積累的實驗和理論經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對納米SiO2進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳以改性，得 到碳化硅復(fù)合粒子，簡寫為Ni/Si02。再以Ni/Si02為第二相粒子，Q235鋼為基體，改良化學(xué) 復(fù)合鍍液配方及工藝條件，制備Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層。本發(fā)明采用的技術(shù)方案1. SiO2表面修飾改性過程包括預(yù)處理(微波濕刻蝕、親水處理、循環(huán)敏化、鈀鹽 活化)和修飾改性過程。2. Q235的預(yù)處理過程包括打磨、拋光、堿洗除油、有機溶劑除油、活化。3.復(fù)合鍍液的配制依次向鍍槽中添加硫酸鎳20 30g · L—1、乳酸10 15ml · L—1、檸檬酸鈉10 15g · L-1、硼酸 5-10g · L-1、丁二酸 0. 5-1. 5mg · L—1、次亞磷酸鈉 24_35g · L-1 及表面活性劑、 光亮劑等，用氨水調(diào)至適當(dāng)?shù)腜H值。4.復(fù)合鍍層的制備
將一定質(zhì)量Ni/Si02粒子配成漿液，超聲分散，使其潤濕，加入到已配制好的化 學(xué)復(fù)合鍍液中，攪拌，加熱鍍液至規(guī)定溫度后，放入預(yù)處理后的試樣施鍍。施鍍溫度為 750C _90°C，鍍液中的pH值范圍為4. 0-5.0，施鍍時間約為2h。本發(fā)明有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下幾個方面(1)本發(fā)明在附寸_附/5102復(fù)合鍍液中加入了乳酸、檸檬酸鈉、丁二酸混合組成的 復(fù)合絡(luò)合劑，較現(xiàn)有納米復(fù)合鍍液穩(wěn)定性高、壽命長、沉積速度快。(2)本發(fā)明在Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍液中加入了聚乙烯醇為表面活性劑，降低了溶 液的表面張力，使納米SiO2更容易與鍍液共沉積，形成鍍層。(3)本發(fā)明在Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層制備中使用的第二相粒子Ni/Si02，為納米 SiO2經(jīng)表面鍍鎳得到，顆粒中間為SiO2，表層為金屬鎳，從根本上降低了納米粒子的團聚， 提高了納米顆粒與金屬基體的相容性，較常規(guī)納米復(fù)合鍍層，明顯提高了粒子在鍍層中的 沉積量。(4)本發(fā)明所制備的Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層較Ni-P-SiO2復(fù)合鍍層，硬度有明顯 提高，可達(dá)1280-1350HV，耐磨性明顯增加。(5)本發(fā)明制備的附寸-附/5102復(fù)合鍍層為表面改性技術(shù)，大大降低了生產(chǎn)成本， 延長了使用壽命，可廣泛應(yīng)用于機械、電子、汽車、石油化工、民用等多個領(lǐng)域。(6)本發(fā)明提出的Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層制備工藝方法，可通過調(diào)節(jié)鍍液試劑配 比、工藝參數(shù)選擇及前處理操作等，提高工藝的可重復(fù)性和可控制性，實現(xiàn)制造低成本，生 產(chǎn)規(guī)模化。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)一步地說明實施例1 在Q235鋼上制備Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層。1. SiO2表面鍍鎳以改性，改性前，需對SiO2進(jìn)行前處理，此過程包括微波濕刻蝕、親水處理、循環(huán)敏化、鈀 鹽活化，之后進(jìn)行表面修飾、改性。2.Q235基體試樣的預(yù)處理該過程包括試樣的打磨、拋光、堿洗除油、有機溶劑除油、活化。3.復(fù)合鍍液的配制稱取硫酸鎳25g · L—1、次亞磷酸鈉29g · L-1、乳酸14ml · L—1、檸檬酸鈉14g · L-1、硼 酸6g · L_\丁二酸1. Omg · Γ1及表面活性劑、光亮劑等，溶于IL蒸餾水中即可。4.復(fù)合鍍層的制備將一定質(zhì)量的Ni/Si02粒子配成漿液，超聲分散后，加入到已配制好的化學(xué)復(fù)合鍍 液中，攪拌，加熱鍍液至規(guī)定溫度后，放入預(yù)處理后的試樣施鍍。施鍍溫度為85士2°C，鍍液 中的PH值為4. 4，施鍍時間約為2h。5.測試方法鍍層表面的形貌及顆粒分散程度采用掃描電子顯微鏡SEM觀察、分析；鍍層厚度 采用金相顯微鏡結(jié)合千分尺測試；鍍層硬度采用顯微硬度計進(jìn)行測試，所加載荷為200g，時間為20s ；鍍層的耐磨性實驗選取厚度為1. 5mm的A3鋼板為試樣，在MM-200摩擦磨損機 上進(jìn)行測試。試驗參數(shù)為載荷20N，轉(zhuǎn)數(shù)200r/min，磨損時間lOmin。6.測試結(jié)果實驗測得Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層中納米顆粒的沉積量為25 %，較常規(guī)納米化學(xué)復(fù) 合鍍層中納米粒子的沉積量有較大的提高。對比實驗中m-P鍍層的厚度為10 μ m，硬度 為447HV，400°C熱處理后為621HV，800°C熱處理后為527HV ；Ni-P-納米SiO2復(fù)合鍍層的厚 度為22 μ m，硬度為697HV，400°C熱處理后達(dá)到954HV，800°C熱處理后為812HV ；Ni-P-Ni/ SiO2復(fù)合鍍層的厚度為38 μ m，硬度為935HV，400°C熱處理后可達(dá)到1276HV，800°C熱處理 后為1322HV。Ni-P化學(xué)鍍層的磨損量為18. 6mg, Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的磨損量 為11. 7mg，Ni-P-Ni/Si02化學(xué)復(fù)合鍍層的磨損量為2. 8mg。從此實施例可見Ni-P_Ni/Si02 復(fù)合鍍層的硬度、抗高溫性能和耐磨性都得到了明顯提高。實施例2在Q235鋼上制備Ni_P_Ni/Si02復(fù)合鍍層。1. SiO2表面修飾、改性，改性前，需對SiO2進(jìn)行前處理，此過程包括微波濕刻蝕、親水處理、循環(huán)敏化、鈀 鹽活化，之后在改性液中改性。2.Q235基體試樣的預(yù)處理該過程包括打磨、拋光、堿洗除油、有機溶劑除油、活化。3.復(fù)合鍍液的配制稱取硫酸鎳22g · L—1、次亞磷酸鈉26g · L—1、乳酸12ml · L—1、檸檬酸鹽12g · L—1、硼 酸9g · L_\丁二酸1. Omg · Γ1及表面活性劑、光亮劑等，溶于IL蒸餾水中即可。4.復(fù)合鍍層的制備將一定質(zhì)量的Ni/Si02配成漿液，超聲分散后，加入到已配制好的化學(xué)復(fù)合鍍液 中，攪拌，加熱鍍液至規(guī)定溫度后，放入預(yù)處理后的試樣施鍍。施鍍溫度為80士2°C，鍍液中 的PH值為4. 8，施鍍時間約為2h。5.測試結(jié)果實驗測得Ni-P-Ni/Si02復(fù)合鍍層中納米顆粒的沉積量為21%，較常規(guī)納米化學(xué) 復(fù)合鍍層中納米粒子的沉積量有較大的提高。對比實驗中M-P鍍層的厚度為9μπι，硬度 為414HV，400°C熱處理后為587HV，800°C熱處理后為459HV ；Ni-P-納米SiO2復(fù)合鍍層的厚 度為20 μ m，硬度為658HV，400°C熱處理后達(dá)到889HV，800°C熱處理后為745HV ；Ni-P-Ni/ SiO2復(fù)合鍍層的厚度為32 μ m，硬度為848HV，400°C熱處理后可達(dá)到1217HV，800°C熱處理 后為1286HV。Ni-P化學(xué)鍍層的磨損量為20. 2mg, Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的磨損量 為12. 5mg，Ni-P-Ni/Si02化學(xué)復(fù)合鍍層的磨損量為3. 2mg。從此實施例可見Ni-P_Ni/Si02 復(fù)合鍍層具有較高的硬度、抗高溫性能和耐磨性能。
權(quán)利要求
一種改性納米二氧化硅顆粒增強鎳磷復(fù)合鍍層的方法，其特征是以表面化學(xué)鍍鎳后的納米二氧化硅粒子為增強體，制備鎳磷納米復(fù)合鍍層，降低了納米粒子的團聚，提高了粒子在鍍層中的分散程度、沉積量及鍍層的硬度、耐磨性和抗高溫性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征是納米SiO2表面化學(xué)鍍鎳前，必須對其進(jìn) 行預(yù)處理，此過程包括微波濕刻蝕、親水處理、循環(huán)敏化、鈀鹽活化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是低碳鋼試樣的預(yù)處理過程包括打磨、拋光、 堿洗除油、有機溶劑除油、活化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是鍍液中各成分的濃度是硫酸鎳的濃度為 20-30g · L—1，次亞磷酸鈉的濃度為24-35g · L—1，乳酸的濃度為10_15ml · L—1、檸檬酸鈉的濃 度為10-15g · L_\硼酸的濃度為5-10g · L、丁二酸的濃度為0. 5-1. 5mg · L—1，穩(wěn)定劑的濃度 為0. 1-1. Omg · L—1，表面活性劑的濃度為20-60mg · L-1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是溫度控制在75°C-90°C，pH值為4. 0-5. 0。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所采用的原料SiO2的加入量為1.0 5. Omg · L—1O
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用復(fù)合絡(luò)合劑乳酸、檸檬酸鈉、丁二酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以改性納米二氧化硅顆粒增強鎳磷復(fù)合鍍層的方法，其特征是以表面化學(xué)鍍鎳后的納米二氧化硅粒子為增強體，設(shè)計并優(yōu)化工藝、配方，制備出新型鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍層，降低了納米粒子的團聚，提高了粒子在鍍層中的分散程度、沉積量及鍍層的硬度和耐磨性。該發(fā)明屬于表面技術(shù)、材料制備領(lǐng)域，其結(jié)果能廣泛應(yīng)用于機械、電子工業(yè)、汽車工業(yè)、石油化工、民用等多個領(lǐng)域。采用本方法對原料及生產(chǎn)設(shè)備要求低，過程可控性強，所得產(chǎn)品鍍層均勻、硬度高、耐磨性、抗高溫性能好。
文檔編號C23C18/36GK101906625SQ201010253728
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者宿輝 申請人:宿輝