CN101857279A - 用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，属于无机金属氧化物纳米粉体制备工艺技术领域。本发明采用镍盐为原料，配制成一定浓度的溶液，然后加入一定量的沉淀剂，再加入添加剂；在超声和磁力搅拌条件下相互混合于去离子水中，使固体全部溶解，然后于70～80℃水浴加热反应1～2小时后得悬浮液，将该悬浮液离心分离，所得沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤数次后在60～80℃真空干燥，得到前驱体；将所述前驱体放在超声器中超声处理15～30分钟后，置于400℃～500℃马弗炉中煅烧2～3小时，最终制得氧化镍纳米粉末。所述的镍盐原料与沉淀剂两者用量的质量比为1∶2～1∶4。本发明纳米氧化镍粉体涂覆的碳钢板，经还原合金化处理后，其可获得较高的表面硬度，粗糙度及耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，属于无机金属氧化物纳米粉体制造工艺技术领域。
背景技术
由于生活水平的提高，人们对于高表面性能、高耐蚀性能、经济、美观的金属材料的需求与日俱增。为了改善铜材、铝材、碳钢等金属材料的表面性能，金属材料一般都要进行适当的表面处理，这样既能提高金属制品质量，也能降低制备成本。由于在碳钢表面进行镍合金化能提高碳钢的各种表面性能，如提高表面的耐蚀性、耐磨性、抗疲劳性、抗氧化性、防辐射性等，人们对于镍合金化的兴趣越来越大，同时对镍基粉体的制备也越来越重视。
纳米氧化镍作为一种功能材料，具有晶粒尺寸小、比表面积高、量子效应明显和表面微结构在纳米尺度上的可调性等特点，因而在表面处理、电极材料等领域有着广阔的应用前景。制备氧化镍的常规方法，如化学还原法、溶胶凝胶法等，存在诸如团聚现象严重、粉体粒径不均、化学均匀性差等缺点，这对进一步进行表面处理带来了阻碍。专利申请号为02148673.5的中国专利申请“一种在水溶液中用化学还原法制备纳米镍及其合金粉体的方法”，该方法得到的镍颗粒的数均粒径在50纳米以上，在使用过程中，会进一步团聚，粒度增大，纯度下降，影响其使用性能。同时其还原剂采用了无机还原性能很强的还原剂，也不利于合成粒径小的颗粒，而且具有一定的毒性，容易造成环境污染，类似的问题，也存在于专利申请号为01107728.X的专利申请技术中。
近年来，超声波因其操作简单、易于控制、周期短、效率高等优点已在纳米材料的制备方面日益受到重视。超声波的机械作用、空化作用和热作用使晶团、树枝状晶破碎和分散，使每一个晶体形成许多新的晶核；并且功率超声的空化作用和传统搅拌技术相比，更容易实现介观均匀混合，同时超声的热效应也能够起到提高反应速度，加快晶核生成的作用，使反应在溶液中均匀进行，并使晶体的生长和颗粒的团聚得到有效控制，消除局部浓度不匀，提高反应速度，刺激新相的形成，对团聚体还可以实现剪切作用，超声波的这些特点决定了它在超细粉体材料制备中的广泛应用。
本文将介绍一种结合超声技术，用于碳钢表面合金化处理的纳米氧化镍粉体的制备方法。将该方法制备得到的纳米氧化镍粉体应用于碳钢表面处理工艺上，通过实例比较，碳钢的表面硬度，粗糙度及耐腐蚀性能均得到明显提高，达到提高表面性能的目的。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结合超声技术，用于碳钢表面合金化处理的纳米氧化镍粉体的制备方法。
本发明一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a，采用镍盐为原料，配制成一定浓度的溶液，然后加入一定量的沉淀剂，再加入添加剂；在超声和磁力搅拌条件下相互混合于去离子水中，使所有固体物全部溶解，生成一种蓝色配合物溶液；
b，将上述配合物溶液放在烧杯中，于70～80℃水浴加热反应1～2h，溶液变成绿色悬浊液；
所用的原料镍盐为NiCl2，NiSO4和Ni(NO3)2中的任一种；
所用的沉淀剂为NaOH、NH4HCO3、氨水和尿素中的任一种；
所用的添加剂为溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)、聚乙二醇(PEG)中的任一种；
镍盐原料与沉淀剂两者用量的质量比控制在1∶2～1∶4之间；
c，将上述绿色悬浮液进行离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤3～6次后，在60～80℃真空干燥10～15h，得到浅绿色粉末状前驱体；
d，将上述所得的前驱体放在超声器中超声处理15～30分钟后，置于400℃～500℃马弗炉中煅烧2～3小时，最终制得氧化镍纳米粉末。
所述的镍盐溶液的浓度为：NiCl2：2～8mg/L；NiSO4：5～10mg/L；Ni(NO3)2：10～15mg/L；所用的沉淀剂的浓度为：NaOH：4～30mg/L；NH4HCO3：4～32mg/L；氨水：10～45mg/L；尿素：6～45mg/L。添加剂浓度为3mg/L。
所述的超声器为19W，40kHz，磁力搅拌速度保持在300转/分。
本发明方法制得的氧化镍粉体未见有团聚现象。将该纳米粉体喷涂于碳钢板上，可观察到其能均匀分散。将均匀涂覆有纳米氧化镍粉体的碳钢板，置于还原气氛下进行表面合金化；将该经合金化处理后的钢板与未合金化处理的裸钢板进行比较，可发现前者碳钢的表面硬度，粗糙度及耐腐蚀性能均得到明显提高。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例进一步详细叙述于后。
实施例一
纳米氧化镍粉体制备：
首先取5mg NiCl2置于1L水中，依次加入10mg NaOH和3mg CTAB，在超声和磁力搅拌条件下反应至所有固体物全部溶解，并生成蓝色溶液。然后将溶液装入烧杯中，于75℃水浴加热反应2h，溶液变成绿色悬浊液后，离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次后，在80℃真空干燥15h后得到前驱体。最后将前驱体放在超声器中干超30分钟后，置于400℃马弗炉中煅烧3小时，得到纳米氧化镍粉末。
对比试验：取两块碳钢板，一号碳钢表面均匀喷涂有纳米氧化镍粉体，在还原气氛下进行表面合金化。二号未进行表面合金化处理。通过表面显微硬度测试比较两块钢板的表面硬度，可知一号钢板表面硬度为112Hv，二号为87Hv；进行粗糙度测试后可知一号粗糙度为0.087μm，二号为0.023μm；根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验一盐雾试验》进行耐腐蚀测试，一号钢板在中性盐雾试验中开始出现腐蚀的时间为72小时，二号为56小时。
实施例二
纳米氧化镍粉体制备：
首先取10mg NiSO4置于1L水中，依次加入30mg NH4HCO3和3mg CTAB，在超声和磁力搅拌条件下反应至所有固体物全部溶解，并生成蓝色溶液。然后将溶液装入烧杯中，于80℃水浴加热反应2h，溶液变成绿色悬浊液后，离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次后，在80℃真空干燥15h后得到前驱体。最后将前驱体放在超声器中干超20分钟后，置于450℃马弗炉中煅烧3小时，得到纳米氧化镍粉末。
对比试验同实施例一。可得一号钢板表面硬度为120Hv，二号为83Hv；进行粗糙度测试后可知一号粗糙度为0.075μm，二号为0.061μm；根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验一盐雾试验》进行耐腐蚀测试，一号钢板在中性盐雾试验中开始出现腐蚀的时间为72小时，二号为50小时。
实施例三
纳米氧化镍粉体制备：
首先取12mg Ni(NO3)2置于1L水中，依次加入24mg氨水和3mg PEG，在超声和磁力搅拌条件下反应至所有固体物全部溶解，并生成蓝色溶液。然后将溶液装入烧杯中，于75℃水浴加热反应1h，溶液变成绿色悬浊液后，离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次后，在80℃真空干燥15h后得到前驱体。最后将前驱体放在超声器中干超20分钟后，置于400℃马弗炉中煅烧3小时，得到纳米氧化镍粉末。
对比试验同实施例一。可得一号钢板表面硬度为123Hv，二号为81Hv；进行粗糙度测试后可知一号粗糙度为0.083μm，二号为0.054μm；根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验一盐雾试验》进行耐腐蚀测试，一号钢板在中性盐雾试验中开始出现腐蚀的时间为72小时，二号为52小时。
实施例四
纳米氧化镍粉体制备：
首先取10mg Ni(NO3)2置于1L水中，依次加入40mg尿素和3mg PEG，在超声和磁力搅拌条件下反应至所有固体物全部溶解，并生成蓝色溶液。然后将溶液装入烧杯中，于80℃水浴加热反应1h，溶液变成绿色悬浊液后，离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次后，在80℃真空干燥15h后得到前驱体。最后将前驱体放在超声器中干超30分钟后，置于450℃马弗炉中煅烧3小时，得到纳米氧化镍粉末。
对比试验同实施例一。可得一号钢板表面硬度为125Hv，二号为86Hv；进行粗糙度测试后可知一号粗糙度为0.086μm，二号为0.053μm；根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验一盐雾试验》进行耐腐蚀测试，一号钢板在中性盐雾试验中开始出现腐蚀的时间为72小时，二号为54小时。
实施例五
纳米氧化镍粉体制备：
首先取6mg NiCl2置于1L水中，依次加入18mg尿素和和3mg PEG，在超声和磁力搅拌条件下反应至所有固体物全部溶解，并生成蓝色溶液。然后将溶液装入烧杯中，于80℃水浴加热反应2h，溶液变成绿色悬浊液后，离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次后，在80℃真空干燥15h后得到前驱体。最后将前驱体放在超声器中干超20分钟后，置于500℃马弗炉中煅烧3小时，得到纳米氧化镍粉末。
对比试验同实施例一。可得一号钢板表面硬度为130Hv，二号为83Hv；进行粗糙度测试后可知一号粗糙度为0.091μm，二号为0.061μm；根据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验一盐雾试验》进行耐腐蚀测试，一号钢板在中性盐雾试验中开始出现腐蚀的时间为72小时，二号为56小时。
Claims (3)
1.一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a，采用镍盐为原料，配制成一定浓度的溶液，然后加入一定量的沉淀剂，再加入添加剂；在超声和磁力搅拌条件下相互混合于去离子水中，使所有固体物全部溶解，生成一种蓝色配合物溶液；
b，将上述配合物溶液放在烧杯中，于70～80℃水浴加热反应1～2h，溶液变成绿色悬浊液；
所用的原料镍盐为NiCl2，NiSO4和Ni(NO3)2中的任一种；
所用的沉淀剂为NaOH、NH4HCO3、氨水和尿素中的任一种；
所用的添加剂为溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)、聚乙二醇(PEG)中的任一种；
镍盐原料与沉淀剂两者用量的质量比控制在1∶2～1∶4之间；
c，将上述绿色悬浮液进行离心分离，所得沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤3～6次后，在60～80℃真空干燥10～15h，得到浅绿色粉末状前驱体；
d，将上述所得前驱体放在超声器中超声处理15～30分钟后，置于400℃～500℃马弗炉中煅烧2～3小时，最终制得氧化镍纳米粉末。
2.如权利要求1所述的一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，其特征在于
所述的镍盐溶液的浓度为：NiCl2：2～8mg/L；NiSO4：5～10mg/L；Ni(NO3)2：10～15mg/L；
所用的沉淀剂的浓度为：NaOH：4～30mg/L；NH4HCO3：4～32mg/L；氨水：10～45mg/L；
尿素：6～45mg/L。添加剂的浓度为3mg/L。
3.如权利要求1所述的一种用于碳钢表面合金化的纳米氧化镍粉体的制备方法，其特征在于
所述的超声器为19W，40kHz；磁力搅拌速度保持在300转/分。
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