鋁合金表面Ni-SiC復(fù)合鍍層的制備方法及其電鍍液的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種侶合金表面Ni-SiC復(fù)合鍛層 的制備方法。
[0002]
[0003] 專用于侶合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)腔表面抗拉耐磨的Ni-SiC復(fù)合鍛層的制備生產(chǎn)和應(yīng) 用。
【背景技術(shù)】
[0004] 銘金屬鍛層表現(xiàn)出眾多優(yōu)越性能，如高耐蝕性，高強(qiáng)度和硬度W及在高溫下低氧 化速率和較好的強(qiáng)度保持性，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸抗磨、抗拉問(wèn)題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠 性，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，但電鍛硬銘工藝會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因而需要引入清潔 生產(chǎn)的概念，尋找新的替代工藝。Ni-SiC復(fù)合鍛層具有良好的耐磨潤(rùn)滑性能，符合國(guó)際環(huán)保 標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于鍛銘工藝，其主要特點(diǎn)為:①克服了現(xiàn)有鍛銘工藝六價(jià)銘對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染； ②在硬度、耐磨、耐蝕等主要性能上相當(dāng)或優(yōu)于鍛銘。
[0005] 在侶合金表面沉積Ni-SiC復(fù)合鍛層，并已有專利和文獻(xiàn)提及將此工藝應(yīng)用于鑄造 侶合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)腔的表面強(qiáng)化。
[0006] 一種采用電解浸蝕法對(duì)侶合金進(jìn)行前處理的專利CN1192487已經(jīng)公開(kāi)。所述電解 浸蝕法是W侶合金為陽(yáng)極、不溶性電極為陰極并向電解液提供電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，適用于娃具有 微小的凹凸形狀且含量超過(guò)4.5wt%的侶合金的電鍛前處理。電解侵蝕法完成后侶合金新 鮮基體裸露在空氣中，基體表面沒(méi)有屏蔽層而會(huì)再次生成氧化層，直接進(jìn)行電鍛會(huì)影響基 體與鍛層的結(jié)合力。
[0007] 陽(yáng)極氧化法也是進(jìn)行侶合金的前處理的一種方法，在侶合金表面形成多孔氧化物 涂層，既可避免侶合金基體與空氣和水接觸再次生成氧化膜，又可作為電鍛的錯(cuò)定層。但 是，該氧化物涂層并沒(méi)有在侶合金表面形成凹凸形狀的粗糖表面，且最終W中間層存在于 侶合金基體與電鍛層之間，降低了鍛層的結(jié)合力。
[000引另一種侶合金的前處理工藝鋒酸鹽轉(zhuǎn)化法應(yīng)用廣泛，所述鋒酸鹽轉(zhuǎn)化法經(jīng)過(guò)酸性 氯化鐵熱溶液處理后能獲得粗糖度大的凹凸表面，對(duì)鍛層具有機(jī)械錯(cuò)定及咬合作用，增強(qiáng) 鍛層與基體的結(jié)合力。兩次浸鋒工藝使侶合金表面獲得致密的鋒置換層，避免侶合金開(kāi)始 電鍛前再次氧化。且所述的鋒阻擋層在酸性電鍛液中迅速溶解，從而不會(huì)形成在侶合金與 鍛層之間的中間層。經(jīng)過(guò)鋒酸鹽轉(zhuǎn)化法進(jìn)行前處理的侶合金，再進(jìn)行電鍛獲得鍛層，鍛層與 侶合金之間存在良好的結(jié)合力，能夠保證鍛層在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的力學(xué)性能。CN1192487專 利中提到鋒酸鹽轉(zhuǎn)化法處理侶合金的工藝流程，但具體的配方并沒(méi)有給出?！稊埌杷俣葘?duì)侶 合金表面電鍛Ni-SiC的影響》、《Ni-SiC復(fù)合電鍛技術(shù)在摩托車(chē)侶合金缸體上的應(yīng)用研究》 和《發(fā)動(dòng)機(jī)缸體Ni-SiC耐磨鍛層的研究》在鑄造侶合金表面進(jìn)行Ni-SiC復(fù)合電鍛，文中也未 詳細(xì)給出侶合金的前處理工藝條件。
[0009] Watts型電鍛液和氨基橫酸鹽型電鍛液是目前應(yīng)用較為廣泛的兩種電鍛液。在氨 基橫酸鹽型電鍛液中獲得的鍛層的應(yīng)力較小，且氨基橫酸鹽型電鍛液更廣泛于電鑄工藝。 Watts型電鍛液成分簡(jiǎn)單、操作條件易于控制，在Watts型電鍛液中獲得的鍛層的初性好，且 硫酸儀溶解度大，純度高，價(jià)格便宜，因此選擇Watts型電鍛液作為光亮鍛儀、復(fù)合鍛儀的母 液得到更廣泛應(yīng)用。《耐磨Ni-SiC復(fù)合鍛層的研制及應(yīng)用》中采用的是氨基橫酸儀體系，用 于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)侶合金氣缸的表面處理。文章中指出氨基橫酸儀體系的復(fù)合電鍛工藝中的 電流密度應(yīng)小于2A/dm 2,否則不能保證復(fù)合鍛層中的碳化娃的含量。顯然，采用小于2A/dm2 的電流密度，沉積速度慢，生產(chǎn)效率低。
[0010] 日本專利 JPA1995157898、JPA1995188990、JPA1995188993、JPA1998140390、 肝A2000104198五個(gè)專利中均提到同一個(gè)電鍛液配方，該配方中未添加表面活性劑，復(fù)合鍛 層中碳化娃的含量低。且運(yùn)五個(gè)專利重點(diǎn)研究中空工件內(nèi)表面沉積Ni-SiC的復(fù)合電鍛裝 置。美國(guó)專利US3640799(A)，該專利使用的電鍛液中沒(méi)有添加表面活性劑，而是采用增大電 鍛液中碳化娃微粒的濃度、減小碳化娃的尺寸的方法，期望獲得碳化娃含量較高的復(fù)合鍛 層，但運(yùn)樣做效果并不明顯。雖然鍛層中碳化娃的含量隨著鍛液中碳化娃的濃度的增加而 增加，但鍛液中碳化娃微粒的濃度過(guò)大時(shí)，不僅增大了碳化娃微粒對(duì)鍛層表面沖刷刮磨作 用，更易掩蓋吸附活化點(diǎn)，反而影響了碳化娃的沉積速度及在復(fù)合鍛層中的沉積量。電鍛液 中碳化娃微粒濃度越高、尺寸越小，越容易發(fā)生團(tuán)聚，需要更大的攬拌強(qiáng)度更長(zhǎng)的攬拌時(shí) 間，使碳化娃微粒均勻懸浮在電鍛液中，從而增加了能耗和生產(chǎn)成本?！秱H合金表面Ni-SiC 復(fù)合鍛層的摩擦磨損性能》和《侶合金表面電沉積Ni-SiC復(fù)合鍛層的研究》采用同一種配方 在化108侶合金表面進(jìn)行復(fù)合電鍛，電鍛液由硫酸儀、氯化儀、憐酸和碳化娃組成。電鍛過(guò)程 中，采用3(K)r/min的攬拌速度對(duì)電鍛液進(jìn)行機(jī)械攬拌。當(dāng)電鍛液中碳化娃的濃度高達(dá)120g/ L時(shí)，復(fù)合鍛層中的碳化娃體積百分含量?jī)H為8.5%，運(yùn)說(shuō)明僅僅依賴機(jī)械作用向陰極表面 輸送碳化娃微粒對(duì)于獲得高碳化娃含量的復(fù)合鍛層的效果并不明顯。因此需要向電鍛液 中添加離子型表面活性劑，離子型表面活性劑在電鍛液中水解成離子，離子吸附在碳化娃 微粒表面，改善碳化娃微粒的分散性和潤(rùn)濕性的同時(shí)使碳化娃負(fù)電，負(fù)有電荷的碳化娃能 在電泳作用下向陰極表面運(yùn)動(dòng)，與儀離子實(shí)現(xiàn)共沉積，從而提高了復(fù)合鍛層中碳化娃的含 量。
[0011] 《侶合金基電沉積Ni-SiC復(fù)合鍛層技術(shù)的研究》中作者在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上 對(duì)鋒酸鹽前處理工藝進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，并采用改進(jìn)工藝進(jìn)行化105侶合金前處理。該文獻(xiàn)通過(guò) 對(duì)Ni-SiC復(fù)合電鍛工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，優(yōu)選得到最佳Ni-SiC復(fù)合電鍛的電鍛液配方是，W Watts鍛液為基礎(chǔ)液，加入碳化娃、咪挫嘟型XCG陽(yáng)離子表面活性劑和脂肪醇聚氧乙締酸型 F-1非離子表面活性劑，組成復(fù)合電鍛液，電流密度為5A/dm2,溫度為50°C，采用機(jī)械攬拌， 獲得含2~5wt%碳化娃微粒的復(fù)合鍛層。該文獻(xiàn)采用陽(yáng)離子表面活性劑與非離子表面活性 劑相結(jié)合的方法，電鍛液中碳化娃濃度高達(dá)1 OOg/L，但復(fù)合鍛層中碳化娃含量并不高。運(yùn)是 因?yàn)榉请x子表面活性劑會(huì)增大電鍛液的極化作用，使Ni2+沉積速度減慢，對(duì)沉積速度有一定 程度的抑制作用，且非離子表面活性劑不易使碳化娃微粒與基質(zhì)金屬發(fā)生共沉積，使鍛層 中碳化娃的共析量減少。
[0012] 《Ni-SiC電結(jié)晶沉積層的阻抗譜及SiC顆粒對(duì)Ni沉積的影響》使用了十六烷基Ξ甲 基漠化錠表面活性劑，沒(méi)有添加糖精鋼。糖精鋼對(duì)鍛層有明顯的細(xì)晶、消除應(yīng)力及平整作 用。該論文旨在研究Ni-SiC復(fù)合體系的電沉積阻抗特征，并沒(méi)有對(duì)復(fù)合鍛層的性能進(jìn)行研 究。
[0013] 中國(guó)專利CN1227282《侶合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中內(nèi)壁儀陶(Ni-SiC)復(fù)合電鍛工藝》，其 申請(qǐng)文件稱：電鍛過(guò)程中，最佳的電流密度范圍為2~50A/dm 2;鍛液中碳化娃微粒的濃度為 lOOg/l;使用的表面活性劑為十二烷基苯橫酸鋼。十二烷基苯橫酸鋼的分散作用和界面活 性及濕潤(rùn)作用均較差。采用高電流密度、高碳化娃濃度，易造成復(fù)合鍛層沉積速率過(guò)快而出 現(xiàn)鍛層組織粗大、鍛層中碳化娃含量低、碳化娃分布不均勻的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)不含碳化娃的 惡性瘤狀組織，出現(xiàn)的運(yùn)些現(xiàn)象直接影響復(fù)合鍛層的硬度耐磨性等性能。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)中，復(fù)合電鍛液由硫酸儀、氯化儀、棚酸、碳化娃、糖精鋼和十二烷基硫酸 鋼組成。
[0015] 因此，確定侶合金的前處理工藝的流程及操作工藝，控制Ni-SiC復(fù)合電鍛的鍛液 配方與參數(shù)條件，實(shí)現(xiàn)侶合金表面高硬度高耐磨性Ni-SiC復(fù)合鍛層的制備對(duì)Ni-SiC復(fù)合電 鍛技術(shù)在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鍛層組織粗大、鍛層中碳化娃含量低、碳化娃分布不均 勻的不足，本發(fā)明提出了一種侶合金表面Ni-SiC復(fù)合鍛層的制備方法。
[0017] 本發(fā)明的具體實(shí)施方法為：
[001引步驟1:機(jī)械整平。
[0019] 步驟2:表面清洗。所述的表面清洗是通過(guò)熱堿液脫脂、丙酬除油。在表面清洗時(shí)， 將3g/L化0H，30g/L化2C〇3,30g/L化3P〇4配制的堿液加熱至80~90°C，反應(yīng)時(shí)間為3~5min， 然后用75~85°C熱水沖洗2min，再用去離子水沖洗2min。放入裝有丙酬的燒杯中，在超聲波 下震蕩5~lOmin，除去非肥皂化油脂。
[0020] 步驟3:重金屬浸蝕。侶合金浸入酸化的氯化鐵熱溶液中，W能獲得粗糖表面。所述 重金屬浸蝕是將去離子水加熱至85~95°C，依次向熱水中添加20g/LFeCl3、25ml/LHCl，攬 拌至FeCl3完全溶解，侶合金浸入溶液后，表面開(kāi)始出現(xiàn)小氣泡時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間為 15s。去離子水沖洗2min。
[0021] 步驟4:去除侶合金表面的氧化膜。通過(guò)酸洗去除所述侶合金表面的氧化膜。在通 過(guò)酸洗去除所述侶合金表面的氧化膜時(shí)，酸洗的工藝參數(shù)為:常溫下，用75 % volHF與25 % VO1HN03配制酸洗溶液。酸洗的反應(yīng)時(shí)間為3~5 s。
[0022] 步驟5: -次浸鋒。將侶合金浸在強(qiáng)堿性的鋒酸鹽溶液中，使侶合金的氧化膜被溶 解，在侶合金基體表面形成鋒置換層。浸鋒工藝為：用LNaOH、LZnO、LC4H4KNa化· 4出0、LFeCl3 和LNaN〇3制浸鋒溶液，反應(yīng)時(shí)間為30s。所述LNaOH: LSiO: LCAM^aOs · 4出0: LFeCb和LNaN〇3 = 1:0.1:1:0.04:0.02;所述的比例為質(zhì)量比。配制所述浸鋒溶液的溫度為25~30°C;配制 中及使用中均須將所述浸鋒溶液充分?jǐn)埌杈鶆颉?br>[0023] 步驟6:除去侶合金表面的鋒置換層。通過(guò)酸洗除去侶合金表面的鋒置換層。將表 面有鋒置換層的侶合金基體置于酸洗溶液中，25~30°C下反應(yīng)時(shí)間為3~5s。所述的酸洗溶 液用75%vol的HF與25%vol的HN03,采用常規(guī)方法配制而成。
[0024] 步驟7:二次浸鋒。重復(fù)步驟5,對(duì)除去侶合金基體表面的鋒