CN101358364B

CN101358364B - 一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法

Info

Publication number: CN101358364B
Application number: CN2008100423195A
Authority: CN
Inventors: 钱士强; 王伟; 黄晨; 李曼萍; 李培耀
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: CN101358364A

Abstract

本发明公开了一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，步骤包括：(1)铝合金基体表面预处理；(2)二次镀锌工艺处理，在铝合金基体表面镀锌，制备Zn过渡层；(3)用高速电喷镀方法制备Ni-TiN陶瓷层，冲洗并干燥；镀液以能够沉积镍的镀液体系为基础镀液，并含有浓度为2～10g/L的纳米级或微纳米级TiN颗粒和适量高分子分散剂；(4)等离子弧扫描强化处理。本发明的得到的复合镀层铝合金耐磨件具有优良的耐磨性、抗腐蚀性，且复合镀层与铝合金基体具有高的结合力；制备方法操作简单，成本较低，能够实现工业化生产。

Description

一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体为复合镀层铝合金耐磨件制备方法。

背景技术

采用铝合金等轻质材料，实现汽车轻量化，降低能耗、节约能源，是现代汽车工业发展的核心问题之一。

日本的丰田、日产、本田和美国的福特、通用、克莱斯勒等几大汽车公司广泛使用了铝合金活塞、气缸体、缸盖、铝合金齿轮和挺杆等产品。其中，铝缸体和缸盖的使用占较大的比例。然而，由于铝合金质软，摩擦系数大，难以润滑，易拉伤，耐磨性差，铝制缸体、缸盖和活塞等部件通常采用镶嵌套、镶气门座、镶活塞环槽等处理来保证其耐磨性。但镶嵌处理带来的问题是，镶嵌体和铝件之间存在气隙，恶化了铝部件的热流动，导致镶嵌体的温度升高，其抗热疲劳、高温磨损、热腐蚀性能明显恶化，降低了其使用寿命。因此，直接对铝合金表面进行强化处理成为延长铝合金部件寿命的关键技术。

目前，以电刷镀为代表的局部高速电沉积复合镀层已经被较深入的研究，但其真正被应用于生产实践的尚不广泛，原因在于用电刷镀获得的复合镀层，其某些性能(如镀层中的微粒含量等)不能让人满意。由于其技术与工艺的局限性，至今难以取得令人满意的复合镀层。

高速电喷镀作为一种局部高速电沉积技术，在电沉积过程中，一定流量和压力的电解液从阳极喷嘴垂直喷射到阴极表面，使得电沉积反应在喷射流与阴极表面冲击的区域发生。电解液的冲击不仅对镀层进行了机械活化，同时限制了部分晶粒在垂直方向上的过快增长，便于去除镀层表面的浮层和粗晶粒层，有效地减少了扩散层地厚度，改善了电沉积过程，使镀层组织致密，晶粒细化，性能提高。

虽然高速电喷镀镀层的防腐蚀效果较好，但镀层与基体存在成分突变和性能突变，导致使用过程中镀层易剥落。

因此需要一种新的工艺能使镀层与金属基体牢固结合，从而提高铝合金的耐磨程度。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，所得到的产品具有良好的耐磨性且镀层与金属基体结合牢固。

复合镀层铝合金耐磨件的制备方法包括如下步骤：

(1)铝合金基体表面预处理；

(2)二次镀锌工艺处理，在铝合金基体表面镀锌，制备Zn过渡层；

(3)用高速电喷镀方法制备Ni-TiN陶瓷层，冲洗并干燥；

镀液以能够沉积镍的镀液体系为基础镀液，并含有浓度为2～10g/L的纳米级或微纳米级TiN颗粒和适量高分子分散剂；

高速电喷镀的电流密度为60～75A/dm²，喷射速度150～400L/h，喷嘴扫描速度10～25mm/s；高速电喷镀电压6～8V，喷嘴高度2～4mm，在镀液工作温度40℃～50℃的条件下高速电喷镀10～20min；

(4)等离子弧扫描强化处理；工艺条件为：等离子弧扫描速度2～6mm/s，离子气流量1.5～3L/min，喷嘴高度10～14mm，喷嘴的直径为0.5～1mm，电流18～25A。

步骤(3)的镀液中将纳米级或微纳米级TiN颗粒分散到水中，加入高分子分散剂制得悬浮液，再与基础镀液混合得到镀液；或者先将高分子分散剂与水混合，再加入纳米级或微纳米级TiN颗粒制得悬浮液，再与基础镀液混合得到镀液。

其组分包括：镍离子55～62g/L，柠檬酸三铵40～60g/L，氨水140～160ml/L，纳米级或微纳米级TiN颗粒2～10g/L和适量的高分子分散剂；且镀液pH值为6.0～7.5。

高分子分散剂可选用十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯月桂醚、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或聚乙二醇。

镀锌制备Zn过渡层，主要是为了防止预处理后的铝合金基体表面重新生成氧化膜，以及防止零件浸入镀液后发生金属置换反应而形成疏松的接触镀层，影响镀层与基体的结合力。采用二次镀锌工艺，即第一次镀锌后在HNO₃溶液中退除，经水洗后，在浓度较低的镀锌溶液中重新镀锌。经过二次镀锌得到的镀锌层非常致密、均匀、完整、且与基体的结合力更好。

所得到的复合镀层铝合金耐磨件，包括铝合金基体和位于铝合金基体表面的复合镀层，其中复合镀层包括Zn过渡层及Ni-TiN陶瓷层，Zn过渡层位于铝合金基体和Ni-TiN陶瓷层之间；Zn过渡层的厚度为0.002～0.003mm。Ni-TiN陶瓷层厚度为0.25～0.5mm。其结构如图1。

高速电喷镀技术与等离子弧对复合镀层扫描处理技术相结合，进行复合镀层与基体界面强化结合，克服高速电喷镀工艺处理后复合镀层与基体之间机械结合的不足，在保证复合镀层不熔化的情况下，复合镀层与基体的金属原子将发生扩散，其结合方式由化合层结合逐步向原子间的金属键结合过渡，从而使复合镀层与基体的结合力及复合镀层的韧性得到明显的提高。

另外，微纳米级或纳米级TiN颗粒可有效地提高复合镀层的耐腐蚀能力。本发明的复合镀层铝合金耐磨件不仅具有优良的耐磨性、抗腐蚀性，并且复合镀层与铝合金基体具有高的结合力。本发明的制备方法具有操作方法简单，制备成本较低，能够实现工业化生产等优点。

附图说明

图1为复合镀层铝合金耐磨件的结构示意图

其中，1—铝合金基体，2—Ni-TiN陶瓷层，3—Zn过渡层

图2为Ni-TiN复合镀层X射线衍射图

图3为不同含量Ni-TiN的复合镀层在3.5％NaCl溶液介质中的极化曲线

(1)、(2)、(3)和(4)分别为无复合镀层铝合金及高速电喷镀的镀液中含2g/L、4g/L、6g/L微纳米级或纳米级TiN颗粒的复合镀层铝合金

具体实施方式

实施例1

步骤1：以铝合金(7005)为基体，先进行镀前预处理，可通过现有技术实现，主要包括：

(1)机械抛光，用以去除表面氧化物；

(2)有机溶剂除油，可以用丙酮溶液清洗，清除表面污垢，然后冲洗；

(3)化学除油，可以用含20～30g/L NaCO₃(碳酸钠)、30～40g/L Na₃PO₄(磷酸钠)、50g～60g/L NaOH(氢氧化钠)、5g～10g/L Na₂SiO₃(硅酸钠)的溶液，在60～80℃下洗涤5～15分钟，用于除去钢铁表面一层均匀的防锈薄油层或一般中轻程度的油污，而对较厚的油层或糊状油污则必须先经表面刮擦初步除油，然后再用上述溶液洗涤彻底除油。以除油水洗后工件表面水膜呈连续均匀的水膜为除油干净的标准。

(4)再经过热水冲洗、冷水冲洗、碱洗、热水冲洗、冷水冲洗、酸洗、热水冲洗、冷水冲洗。

步骤2：在铝合金(7005)表面进行二次镀锌处理，制备Zn过渡层。

第一次镀锌后在1:1(体积比)的HNO₃溶液中退除，经水洗后，在浓度较低的镀锌溶液中重新镀锌。经过二次镀锌得到的镀锌层非常致密、均匀、完整、且与基体的结合力更好。

二次镀锌的镀锌溶液含有2g/L氯化铁(FeCl₃)，10g/L酒石(KNaC₄H4O₆)，500g/L氢氧化钠(NaOH)，100g/L氧化锌(ZnO)。二次镀锌在30～40℃条件下进行，时间为10～15s。

步骤3：用高速电喷镀方法制备Ni-纳米TiN陶瓷层

镀液体系的配制方法为：将微纳米级TiN颗粒加入水中形成水悬浮液，再加入聚氧乙烯月桂醚混合；最后与基础镀液混合搅拌10～20min。

所得到的镀液体系组成为：硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)263g/L，柠檬酸三铵(NH₄)₃C₆H₅O₇51.07g/L，氨水150ml/L，微纳米级TiN颗粒2g/L，聚氧乙烯月桂醚0.2g/L，余量为水，pH值为7.0。

高速电喷镀电压8V，电流密度60A/dm²，在镀液工作温度为40℃的条件下电喷镀10分钟，喷射速度150L/h，喷嘴扫描速度10mm/s，喷嘴与样品间距离2mm。电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。

步骤4：等离子弧扫描强化处理。

使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴高度10mm，喷嘴直径0.8mm，电流18A，扫描速度2mm/s，离子气流量1.5L/min。

所得到的复合镀层铝合金耐磨件结构如图1，复合镀层的X射线衍射图如图2所示。表面硬度为852HV₂₅，复合镀层与基体之间的结合力为75N。3.5％NaCl溶液介质中的极化曲线如图3。

比较例

与实施例1的区别在于省略步骤4。

所得到的铝合金耐磨件表面硬度为670HV₂₅，复合镀层与铝合金基体之间的结合力为37N。实施例1的结果与比较例相比，表面硬度和复合镀层与铝合金基体之间的结合力分别增加了27.2％和103％，可以看出强化效果显著。

实施例2

步骤1：以铝合金7005为基体，先进行镀前预处理，操作同实施例1。

步骤2：在铝合金7005表面进行二次镀锌处理，制备Zn过渡层。操作同实施例1。

步骤3：用高速电喷镀方法制备Ni-TiN陶瓷层

镀液体系的配制方法为：将聚氧乙烯月桂醚与水混合，再加入微纳米级TiN颗粒分散混合；最后与基础镀液混合搅拌10～20min。

所得到的镀液体系组成为：硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)270g/L，柠檬酸三铵(NH₄)₃C₆H₅O₇40g/L，氨水140ml/L，微纳米级TiN颗粒4g/L，聚氧乙烯月桂醚0.3g/L，余量为水，pH值为6.0。

高速电喷镀电压6V，高速电喷镀的电流密度为70A/dm²，在镀液工作温度为50℃的条件下电喷镀10分钟，喷射速度400L/h，喷嘴扫描速度20mm/s；喷嘴与样品间距离为4mm。

电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。

步骤4：，等离子弧扫描强化处理。

使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴高度12mm，电流20A，扫描速度3mm/s，离子气流量2L/min。3.5％NaCl溶液介质中的极化曲线如图3。

实施例3

步骤1：以铝合金(7005)为基体，先进行镀前预处理，操作同实施例1。

步骤2：在铝合金(7005)表面进行二次镀锌处理，制备Zn过渡层，操作同实施例1。

步骤3：用高速电喷镀方法制备Ni-TiN陶瓷层

镀液体系的配制方法为：将聚氧乙烯月桂醚与水混合，再加入纳米级TiN颗粒分散混合；最后与基础镀液混合搅拌10～20min。

所得到的镀液体系组成为：硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)250g/L，柠檬酸三铵(NH₄)₃C₆H₅O₇60g/L，氨水160ml/L，纳米级TiN颗粒6g/L，聚氧乙烯月桂醚0.4g/L，余量为水，pH值为7.5。

高速电喷镀电压6V，高速电喷镀的电流密度为75A/dm²，在镀液工作温度为50℃的条件下电喷镀20分钟，喷射速度300L/h，喷嘴扫描速度25mm/s；喷嘴与样品间距离为4mm。

电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。

步骤4：，等离子弧扫描强化处理。

使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴高度14mm，电流25A，扫描速度6mm/s，离子气流量3L/min。3.5％NaCl溶液介质中的极化曲线如图3。

Claims

1.一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)铝合金基体表面预处理；

(3)用高速电喷镀方法制备Ni-TiN陶瓷层，冲洗并干燥；

镀液以能够沉积镍的镀液体系为基础，并含有浓度为2～10g/L的微纳米级TiN颗粒和适量的高分子分散剂；

2.权利要求1所述一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的镀液制备方法为：将纳米级或微纳米级TiN颗粒分散到水中，加入高分子分散剂制得悬浮液，再与基础镀液混合得到镀液；或者先将高分子分散剂与水混合，再加入纳米级或微纳米级TiN颗粒制得悬浮液，再与基础镀液混合得到镀液。

3.权利要求1所述一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的镀液中包括：镍离子55～62g/L，柠檬酸三铵40～60g/L，氨水140～160ml/L，纳米级或微纳米级TiN颗粒2～10g/L和适量的高分子分散剂；且镀液pH值为6.0～7.5。

4.权利要求1所述一种复合镀层铝合金耐磨件制备方法，其特征在于，所述高分子分散剂选自十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇、聚氧乙烯月桂醚、聚乙烯醇缩丁醛或聚乙二醇。