CN101021013B - 在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，包括如下步骤：(1)将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)选择下列纳米粉体之一或其组合作为强化体；(3)使用化学试剂对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理；(4)将强化体处理液添加到基础镀液中，所述的基础镀液为酸性化学镀镍液；(5)将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌；(6)将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)将干燥的金属基体进行表面激光热处理即可。本发明将纳米技术、化学复合镀技术和激光热处理技术有机结合，工艺简单，工作效率高，易于实行，可以广泛应用在多种金属材料及其制品领域。
Description
(一)技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体地说是一种结合高能激光与化学复合镀技术的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法。
(二)背景技术
化学镀因为不需要电源，均镀性好，在金属、非金属上都可以施镀，镀层硬度高、耐蚀性好等特点，获得了广泛的应用。为了进一步提高镀层的硬度，在化学镀液中加入金刚石、碳化硅或石墨等颗粒，使其与金属颗粒共沉积，从而构成化学复合镀技术。
纳米技术的发展也被应用到化学复合镀中。当化学镀液中加入纳米颗粒后，镀层中颗粒的复合程度、分布均匀性、颗粒与镀层金属基体的结合力明显高于传统工艺。研究表明，镀层镀态的硬度由HV450提高到HV800(Tu JP et al.Mater.Sci.Engin.，2000，A282：183)，镀层的晶化温度也相应提高。镀层出现硬度最高值的热处理温度在500摄氏度以上(黄新民等，中国表面工程，2001(3)：30.相英伟等，材料工程，2001(4)：22.)。这一温度对于要求淬火+低温回火的材料而言，会导致基体硬度的降低，所以化学复合镀技术中加入纳米颗粒，不适应淬火+低温回火的材料的施镀，这使化学镀液中加入纳米颗粒的应用受到了一定的限制。
激光热处理已被证实的有如下特点：(1)利用其高能量密度，实现快速加热和冷却，容易实现只对化学复合镀层的强化而不影响材料内部的组织结构；(2)处理后镀层的硬度和耐磨性由于传统热处理工艺；(3)处理后镀层与基体形成冶金结合，结合力得到提高：(4)速度快，效率高，简单易行。
(三)发明内容
本发明为了解决现有化学镀液中加入纳米颗粒不适应淬火+低温回火的材料施镀的缺点，提供一种对于淬火+低温回火的材料也适用的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，包括如下步骤：(1)、将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择下列纳米粉体之一或其组合作为强化体：①氧化硅、②氮化硅、③碳化硅、④氧化铝、⑤氮化铝、⑥碳化钛、⑦氧化钛、⑧氮化钛；(3)、使用化学试剂对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将化学试剂配制成5～30wt％的水溶液，充分溶解后，再按照强化体与化学试剂质量比为1∶(10～60)的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，得强化体处理液；所述化学试剂为下列之一：①季铵盐型阳离子表面活性剂、②磺酸盐性阴离子表面活性剂、③醚类非离子表面活性剂、④聚乙二醇；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使强化体在复合镀液中的的质量含量为5～20克/升，所述的基础镀液为酸性化学镀镍液；(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌；(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理即可。
进一步，步骤(7)中表面激光热处理的功率密度15～45kw/cm2，扫描速度为1000～5000mm/min。
步骤(7)中的表面激光热处理采用二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑。
步骤(5)中化学施镀参数范围如下：温度为85～90摄氏度，时间为0.5～3小时。
本发明优选所述金属基体材质为下列之一：①碳钢、②模具钢、③铸铁。
再进一步，所述的步骤(3)中优选将化学试剂配制成10～20wt％的水溶液；按照强化体与化学试剂质量比为1∶(20～40)的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，得强化体处理液；
所述的步骤(4)中将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使强化体在复合镀液中的质量含量为8～15克/升。
进一步，所述的酸性化学镀镍液组成如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l。
更进一步，所述的制备方法包括如下步骤：
(1)、将金属基体进行表面清洁、洗净，所述金属基体材质为碳钢；
(2)、选择氧化铝纳米粉体作为强化体；
(3)、使用聚乙二醇作为化学试剂，对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将化学试剂配制成10～15wt％的水溶液，充分溶解后，再按照强化体与化学试剂质量比为1∶(25～35)的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，得强化体处理液；
(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，强化体处理液的加量使强化体在复合镀液中的添加量为10～15克/升，所述的基础镀液为酸性化学镀镍液，所述的酸性化学镀镍液组成如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l；
(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，化学施镀参数如下：温度为89摄氏度，时间为80分钟；
(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥，可以采用自然烘干等常规方式；
(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理即可，其中，表面激光热处理的功率密度20～40kw/cm2，扫描速度为1200～5000mm/min；采用的是二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑。
本发明以常规的酸性化学镀镍液为基础镀液，将纳米粉体作为强化体加入其中，配制成本发明所使用的复合镀液，然后按照一般的化学复合镀的操作方法，通过自发化学反应过程使所添加的纳米粉体与镍在一定的基体上共沉积，从而获得复合镀层。然后利用高能激光束对复合镀层进行表面强化处理，从而获得本发明所述的复合涂层。复合镀液的主体是基础镀液，复合镀液的合适工作条件与基础镀液接近。添加经表面处理后的纳米粉体的镀液需要在充分搅拌的条件下工作，搅拌方法是本行业人员所熟知的，如磁力搅拌、机械搅拌或空气搅拌等。
本发明采用的基础镀液为常规的酸性化学镀镍液，所指的酸性化学镀镍液，任何本专业或行业的人员都可以在市场上购买或通过参考文献进行配制。组成会有所不同，但只要是酸性化学镀镍液对本发明都适用。作为强化体的纳米粉体可以是氧化物、氮化物或碳化物，但均需先进行表面化学处理。表面化学处理主要是指对作为强化体的纳米粉体进行表面化学修饰，主要是接上不同的化学基团，降低纳米粉体的表面能，从而降低纳米粉体的团聚几率，使得在后续的复合镀的过程中，获得更为均匀的复合镀层。
本发明中所述的所述的表面化学处理为：首先将化学试剂配制成5～30wt％的水溶液，充分溶解后，再按照强化体：化学试剂为1∶(10～60)的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，超声波的具体参数为：超声波频率为20～25Hz，功率为100～200W，超声时间为0.5～3小时。所述化学试剂为下列之一：①季铵盐型阳离子表面活性剂、②磺酸盐性阴离子表面活性剂、③醚类非离子表面活性剂、④聚乙二醇。
采用本发明所述的工艺步骤制备耐磨涂层具有如下有益效果：本发明将纳米技术、化学复合镀技术和激光热处理技术有机结合，工艺简单，工作效率高，易于实行，可以广泛应用在多种金属材料及其制品领域。本发明方法制备的纳米涂层，经过激光热处理的化学复合镀层表面硬度得到提高，并与基体形成了良好的冶金结合，具有更好的耐磨性和使用寿命。
因此，与常规化学复合镀并进行普通热处理获得的镀层相比，纳米复合化学镀层再进行激光热处理，可以获得更高的硬度和耐磨性。
(四)具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例一：在材料为45钢的金属基体上获得耐磨纳米氧化铝复合镀层(未进行表面激光热处理)，具体步骤如下：
(1)、选用45钢的金属基体，将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择纳米氧化铝粉体作为强化体；(3)、使用聚乙二醇2000作为化学试剂，对步骤(2)中的纳米氧化铝粉体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将聚乙二醇配制成15wt％的水溶液，充分溶解后，再按照纳米氧化铝、聚乙二醇比为1∶10的比例在聚乙二醇的水溶液中添加纳米氧化铝，最后进行超声分散处理60分钟(频率20～25Hz，超声功率为100W，注：所使用的超声发生器的标注为一个范围，说明超声波的频率并不是一个非常确定的值，而是在一定范围内波动)，得强化体处理液；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使纳米氧化铝粉体在复合镀液中的质量含量为5g/l，所述基础镀液为酸性化学镀镍液组分如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l，(下同)中；将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，施镀温度为89氏度，pH值为4，时间为80分钟。对金属基体和镀层的表面显微硬度测试结果如表1所示。
实施例2：在材料为45钢的金属基体上获得耐磨纳米碳化硅复合镀层，具体步骤如下：
(1)、选用45钢的金属基体，将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择纳米碳化硅粉体作为强化体；(3)、使用季铵盐型阳离子表面活性剂(溴化十六烷基三甲胺)作为化学试剂，对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将溴化十六烷基三甲胺配制成30wt％的水溶液，充分溶解后，再按照纳米碳化硅粉体与溴化十六烷基三甲胺质量比为1∶60的比例在溴化十六烷基三甲胺的水溶液中添加纳米碳化硅，最后进行超声分散处理60分钟(频率20~25Hz，超声功率为120W)，得强化体处理液；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使纳米碳化硅粉体在复合镀液中的质量含量为15g/l，所述基础镀液为酸性化学镀镍液(组分如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l)；(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，施镀温度为86摄氏度，pH值为4.6，时间为120分钟；(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理，激光热处理的工艺参数为15kw/cm2，扫描速度为1000mm/min，对基体和镀层的表面显微硬度测试结果如表1所示。
实施例3：在材料为45钢的金属基体上获得耐磨纳米碳化硅复合镀层，具体步骤如下：
(1)、选用45钢的金属基体，将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择纳米碳化钛粉体作为强化体；(3)、使用磺酸盐型阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)作为化学试剂，对步骤(2)中的纳米碳化钛粉体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将十二烷基苯磺酸钠配制成10wt％的水溶液，充分溶解后，再按照纳米碳化钛：十二烷基苯磺酸钠为1∶30的比例在十二烷基苯磺酸钠的水溶液中添加纳米碳化钛粉体，最后进行超声分散处理80分钟(频率20～25Hz，超声功率为150W)，得强化体处理液；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使纳米碳化钛粉体在复合镀液中的质量含量为20g/l，所述基础镀液为酸性化学镀镍液(配方如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l)中；(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，施镀温度为88摄氏度，pH值为4.3，时间为90分钟；(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理，所述的表面激光热处理采用二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑；激光热处理的工艺参数为25kw/cm2，扫描速度为1800mm/min，对基体和镀层的表面显微硬度测试结果如表1所示。
实施例4：在材料为45钢的金属基体上获得耐磨纳米碳化硅复合镀层，具体步骤如下：
(1)、选用45钢的金属基体，将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择纳米氧化钛粉体作为强化体；(3)、使用醚型非离子表面活性剂(聚氧乙烯醚)剂作为化学试剂，对步骤(2)中的纳米氧化钛粉体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将聚氧乙烯醚配制成19wt％的水溶液，充分溶解后，再按照纳米氧化钛粉体与聚氧乙烯醚质量比为1∶40的比例在聚氧乙烯醚的水溶液中添加纳米氧化钛粉体，最后进行超声分散处理110分钟(频率20～25Hz，超声功率为180W)，得强化体处理液；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使纳米氧化钛粉体在复合镀液中的质量含量为18g/l，所述的基础镀液是酸性化学镀镍液(组分如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l)中；(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，施镀温度为87摄氏度，pH值为4.8，时间为90分钟；(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理，所述的表面激光热处理采用二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑；激光热处理的工艺参数为45kw/cm2，扫描速度为5000mm/min，对基体和镀层的表面显微硬度测试结果如表1所示。
实施例5：在材料为45钢的金属基体上获得耐磨纳米碳化硅复合镀层，具体步骤如下：
(1)、选用45钢的金属基体，将金属基体进行表面清洁、洗净；(2)、选择纳米氮化钛粉体作为强化体；(3)、使用聚乙二醇20000作为化学试剂，对步骤(2)中的纳米氮化钛粉体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将聚乙二醇配制成25wt％的水溶液，充分溶解后，再按照纳米氮化钛粉体与聚乙二醇质量比为1∶60的比例在聚乙二醇的水溶液中添加纳米氮化钛粉体，最后进行超声分散处理120分钟(频率20~25Hz，超声功率为200W)，得强化体处理液；(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使纳米氮化钛粉体在复合镀液中的质量含量为16g/l，所述的基础镀液为酸性化学镀镍液(组分如下：硫酸镍25g/l，次亚磷酸钠25g/l，乳酸20ml/l，醋酸钠10g/l，乙酸10ml/l)；(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，施镀温度为86摄氏度，pH值为5.0，时间为180分钟；(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理，所述的表面激光热处理采用二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑；激光热处理的工艺参数为38kw/cm2，扫描速度为4000mm/min，对基体和镀层的表面显微硬度测试结果如表1所示。
对以上实施例分别进行测试表面硬度、耐磨性，所获得数据如表1。
表1实施例的表面硬度、耐磨性提高(作为对比的45钢基体硬度为280HV0.2)
Claims (10)
1.一种在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、将金属基体进行表面清洁、洗净；
(2)、选择下列纳米粉体之一或其组合作为强化体：①氧化硅、②氮化硅、③碳化硅、④氧化铝、⑤氮化铝、⑥碳化钛、⑦氧化钛、⑧氮化钛；
(3)、使用化学试剂对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将化学试剂配制成5～30wt％的水溶液，充分溶解后，再按照强化体与化学试剂质量比为1∶10～60的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，得强化体处理液；所述化学试剂为下列之一：①季铵盐型阳离子表面活性剂、②磺酸盐型阴离子表面活性剂、③醚型非离子表面活性剂、④聚乙二醇；
(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使强化体在复合镀液中的质量含量为5～20克/升，所述的基础镀液为酸性化学镀镍液；
(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌；
(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；
(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理即可。
2.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：步骤(7)中表面激光热处理的功率密度15～45kW/cm2，扫描速度为1000～5000mm/min。
3.如权利要求2所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：步骤(7)中的表面激光热处理采用二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑。
4.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：步骤(5)中化学施镀参数范围如下：温度为85～90摄氏度，时间为0.5～3小时。
5.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：所述金属基体材质为下列之一：①碳钢、②模具钢、③铸铁。
6.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中将化学试剂配制成10～20wt％的水溶液。
7.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中按照强化体与化学试剂质量比为1∶20～40的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体。
8.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使强化体在复合镀液中的质量含量为8～15克/升。
9.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于所述的酸性化学镀镍液组成如下：硫酸镍25g/L，次亚磷酸钠25g/L，乳酸20mL/L，醋酸钠10g/L，乙酸10mL/L。
10.如权利要求1所述的在金属基体表面制备耐磨纳米复合涂层的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将金属基体进行表面清洁、洗净，所述金属基体材质为碳钢；
(2)、选择氧化铝纳米粉体作为强化体；
(3)、使用聚乙二醇作为化学试剂，对步骤(2)中的强化体进行表面化学处理，所述的表面化学处理为：首先将化学试剂配制成10～15wt％的水溶液，充分溶解后，再按照强化体与化学试剂质量比为1∶25～35的比例在化学试剂的水溶液中添加强化体，最后进行超声分散处理，得强化体处理液；
(4)、将强化体处理液添加到基础镀液中，配制成复合镀液，最终使强化体在复合镀液中的质量含量为10～15克/升，所述的基础镀液为如下成分的酸性化学镀镍液，组成如下：硫酸镍25g/L，次亚磷酸钠25g/L，乳酸20mL/L，醋酸钠10g/L，乙酸10mL/L；
(5)、将经步骤(1)处理的金属基体浸渍于复合镀液中进行化学施镀，同时充分搅拌，化学施镀参数如下：温度为89摄氏度，时间为80分钟；
(6)、将施镀后的金属基体水洗干燥；
(7)、将干燥的金属基体进行表面激光热处理即可，其中，表面激光热处理的功率密度20～40kW/cm2，扫描速度为1200～5000mm/min；采用的是二氧化碳横流激光器，并通过聚焦系统对激光束进行积分处理，获得均匀的输出光斑。
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