一種在銅表面制備NiCr耐磨涂層的工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特指一種在銅表面制備NiCr耐磨涂層的工藝方法，通過表面合金化和表面前處理過程提高Cu表面的耐磨和耐蝕性能。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于人們對環(huán)保要求越來越重視，過去相對比較成熟的電鍍Cu、N1、Cr等行業(yè)受環(huán)保等部門監(jiān)管更嚴(yán)格，因此很多電鍍行業(yè)正在尋求更加環(huán)保和環(huán)境友好的工藝技術(shù)代替目前的高污染的電鍍工業(yè)；而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和信息產(chǎn)業(yè)的興起，對材料的表面處理和表面精飾的要求也越來越高，其相應(yīng)的表面處理技術(shù)也越來越豐富，也越來越受到人們的重視。
[0003]銅及其銅合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但是銅的耐磨性、耐高溫性能不佳一直是表面工程科學(xué)需要解決的重要課題；目前銅合金的表面防護(hù)主要采用化學(xué)鍍、電鍍等手段在其表面鍍Cr來提高其耐磨和耐蝕性，但電鍍過程中往往由于電鍍工藝參數(shù)的控制不合理，造成鍍層存在大量孔隙和空洞等缺陷，同時(shí)鍍鉻常使用鉻酸即六價(jià)鉻，鉻酸毒性很大，且是致癌物質(zhì)，已引起人們的廣泛關(guān)注，因此目前人們希望通過其余表面處理手段對銅表面進(jìn)行強(qiáng)化或者進(jìn)行表面合金化處理提高其耐磨性和耐蝕性能；針對目前存在的問題，本發(fā)明采用一種新興的表面處理技術(shù)，高能微弧合金化技術(shù)在銅及其合金表面制備耐蝕、耐磨性涂層，該技術(shù)是利用電源儲存的能量通過短時(shí)、高電流脈沖將電極材料熔化并沉積到金屬基體上，所形成的涂層具有微晶和納米晶的特點(diǎn)、其與基體界面為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，通過該技術(shù)進(jìn)行處理，具有非常方便、靈活、易操作等特點(diǎn)，同時(shí)也更環(huán)保。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了彌補(bǔ)現(xiàn)有電鍍鉻工藝技術(shù)中存在工藝繁瑣、毒性大，鍍層孔隙率高、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低等不足，本發(fā)明提供了一種耐蝕性好、加工成本低、易于操作可在銅表面制備NiCr涂層制備方法。
[0005]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)施:
O:Cu金屬表面預(yù)處理過程
利用砂紙將銅表面進(jìn)行打磨直至1200#，打磨后除油清洗，然后干燥晾干。
[0006]2):沉積電極的預(yù)處理過程
將純Ni和純Cr加工成圓形棒材作為電極材料，同樣除油清洗，然后進(jìn)行晾干處理；或采用非自耗電弧熔煉制備得到NiCr合金錠，進(jìn)行切割加工成圓形棒材作為電極材料，然后同樣除油清洗，進(jìn)行晾干處理。
[0007]3): NiCr涂層的制備
采用高能微弧合金化方法將預(yù)先處理好的純Ni棒、純Cr棒和NiCr合金棒電極材料分別作為旋轉(zhuǎn)電極，基體Cu金屬作為陰極。
[0008]工藝一，先選用Ni作為沉積電極，在惰性氣體氬氣保護(hù)下在銅合金表面先沉積一層Ni ;然后將再將Cr作為沉積電極，同樣在氬氣保護(hù)下進(jìn)行沉積，在沉積過程中通過調(diào)節(jié)電極的旋轉(zhuǎn)速度、沉積過程中的電壓、頻率、脈寬、占空比和沉積時(shí)間從而得到一定成分和厚度的NiCr涂層。
[0009]工藝二，將NiCr合金棒材作為沉積電極，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行沉積，通過控制沉積過程中的電極旋轉(zhuǎn)速度、沉積過程中的電壓、頻率、脈寬、占空比和沉積時(shí)間，在銅表面形成不同組織的NiCr涂層。
[0010]該制備工藝可以克服氣相沉積方法所采用的昂貴設(shè)備，同時(shí)也可以避免采用電鍍、化學(xué)鍍等方法所帶來的環(huán)境污染等問題，該工藝方法具有靈活、方便、環(huán)保可行等特點(diǎn)。
[0011]步驟I)中基體銅表面經(jīng)400~1200#砂紙逐級打磨；步驟I)、2)中的除油清洗指在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波輔助除油清洗。
[0012]步驟2)中沉積電極Ni棒純度大于99.9wt.%，Cr棒純度大于> 99.9wt.% ;同時(shí)通過非自耗電弧熔煉而成的NiCr合金材料其原料也是選擇純度大于99.9wt.%的Ni和純度大于> 99.9wt.%的Cr ;熔煉后的NiCr合金棒成分，Cr含量在0_45 wt.%范圍，圓形棒材的直徑為2~4_。
[0013]步驟3)中的氬氣的氣體流量為3-15 L/min。
[0014]步驟3)中沉積涂層制備:采用工藝一制備NiCr涂層時(shí)，先在銅表面沉積Ni，此時(shí)主要控制參數(shù)為:采用單項(xiàng)交流電源，沉積電壓為80V，頻率為300Hz，脈寬為200 μ s，占空比為40%，電極旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min，沉積時(shí)間為l_15min可調(diào)，從而控制銅表面沉積的Ni量，然后繼續(xù)沉積Cr，采用相同的工藝參數(shù)進(jìn)行，沉積時(shí)間從l-15min可調(diào)節(jié)，從而控制在Cu金屬表面獲得不同Ni/Cr含量的NiCr涂層。
[0015]此方法沉積過程中，同時(shí)也可以進(jìn)行電壓、頻率、脈寬、占空比等參數(shù)正交調(diào)節(jié)。其設(shè)定電壓范圍60-90V，頻率為200-400HZ，脈寬為200-300 μ s，占空比為20_50%，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為800-4000r/min，沉積時(shí)間1_15 min ;在沉積過程通過選擇一個(gè)工藝參數(shù)作為變量，恒定其余工藝參數(shù)，從而控制在Cu金屬表面獲得不同Ni/Cr含量的NiCr涂層。
[0016]步驟3)中沉積涂層制備:采用工藝方法二，制備NiCr涂層時(shí)，其電弧熔煉的NiCr合金的成分在為Cr含量在0-45wt.%，獲得NiCr涂層的成分與電極的成分相一致；沉積采用單項(xiàng)交流電源，其設(shè)定電壓范圍60-90V，頻率為200-400HZ，脈寬為200-300 μ S，占空比為20-50%，電極旋轉(zhuǎn)速度為800-4000r/min，沉積時(shí)間1_15 min，在沉積過程通過選擇一個(gè)工藝參數(shù)作為變量，恒定其余工藝參數(shù)，變化不同參數(shù)可以獲得不同厚度和形貌的涂層。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用純Ni和純Cr作為電極，在氬氣氣氛保護(hù)下采用高能微弧合金化技術(shù)，在銅表面制備Ni層，再同樣在氬氣保護(hù)下進(jìn)行沉積Cr層，原位生成不同比例的NiCr涂層；另外還可以直接利用NiCr合金，在Cu表面獲得預(yù)先成分一定的NiCr合金層。
[0018]本發(fā)明提供的涂層制備工藝中，可以通過調(diào)節(jié)沉積電壓、旋轉(zhuǎn)速度、沉積時(shí)間等工藝參數(shù)來獲得不同厚度NiCr涂層，本發(fā)明為制備NiCr涂層開辟了新思路，發(fā)展了高能微弧合金化技術(shù)的應(yīng)用范圍，開發(fā)了 NiCr涂層制備的新途徑，電極的導(dǎo)電材料溶滲進(jìn)工件表面，形成合金層，從而制備出的涂層與基體具有冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)，滿足工作對于耐磨和抗氧化的雙重防護(hù)需要。
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1沉積層的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0020]制備涂層所選用純Cu試樣采用尺寸大小為:長*寬*高:10*10*3mm，下面通過具體實(shí)例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0021]實(shí)施例1:1):表面預(yù)處理:將銅試樣分別用400-1200#的砂紙逐級打磨后將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗3min，然后用去離子水沖洗后吹干備用。
[0022]2):沉積電極表面預(yù)處理:將選擇好的純Ni (純度大于99.9wt%，以下實(shí)施例相同)和純Cr (純度大于99.9wt%，以下實(shí)施例相同)電極棒(直徑都是3mm)放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗5min，然后用去離子水沖洗后吹干備用。
[0023]3):涂層的制備過程:將選定的銅試樣作為基體材料，作為沉積過程中的陰極，接電源設(shè)備陰極，用Ni棒作為沉積電極，設(shè)定沉積工藝參數(shù)，沉積電壓為80V，頻率為300Hz，脈寬為200 μ S，占空比為40%，通以8L/min的氬氣作為保護(hù)氣體，沉積電極旋轉(zhuǎn)速度保持1000r/min，沉積時(shí)間為4min ;當(dāng)銅表面形成一層Ni層后，用處理好的Cr作為沉積電極，設(shè)定同樣的工藝參數(shù)，沉積電壓為80V，頻率為300Hz，脈寬為200 μ s，占空比為40%，沉積電極旋轉(zhuǎn)速度保持1000r/min，在形成的Ni層上沉積4min，即可在銅表面制備一層致密的NiCr沉積層，沉積層厚度大約為5 μπι，其涂層中Ni/Cr質(zhì)量比例大約為1:1。
[0024]圖1是實(shí)施例1沉積層的XRD圖譜，圖1是為了說明在通過此工藝可以實(shí)現(xiàn)在銅表面制備得到Cr、Ni涂層，涂層制備的效果良好，另外涂層出現(xiàn)NiCu合金等也進(jìn)一步說明沉積到基體表面的Ni與基體互熔形成的NiCu合金，這個(gè)也是形成的冶金結(jié)合，因?yàn)橥繉有纬傻囊苯鸾Y(jié)合，所以具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，這個(gè)同時(shí)也是與高能微弧火花沉積技術(shù)相符合的，結(jié)合強(qiáng)度高。
[0025]實(shí)施例2:
I):表面預(yù)處理:將的純銅片狀試樣分別用400_1200#的砂紙逐級打磨，將試樣放入丙酮溶液中超聲輔助除油清洗5min，然后用去離子水沖洗吹干備用。
[0026]2):沉積電極表面預(yù)處理:將選擇好的純Ni (純度大于99.9wt%，以下實(shí)施例相同)和純Cr (純度大于99.9wt