CN102400194A - 一种梯度纳米晶镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度纳米晶镀层的制备方法，该方法在基体表面上采用电沉积方法制备梯度纳米晶镀层：对基体表面进行表面处理；配置电解液；使用电沉积装置进行镀层加工，采用较低的电流密度，在基体表面上电镀晶粒尺寸较大的第1梯度纳米晶层；在其他电沉积参数保持不变的情况下，提高电流密度，在前期形成的第1梯度纳米晶层上再沉积一层新的第2纳米晶梯度层，重复操作，再加工下一层纳米晶镀层，直至最外层的纳米晶镀层的晶粒尺寸符合要求为止。本发明靠近基体的沉积层晶粒尺寸较大，靠近镀层表面的沉积层晶粒尺寸较小，降低了镀层与基体之间晶粒尺寸的差距，两者的相容性会变好，镀层的结合强度高。
Description
技术领域
本发明属于梯度材料制备领域，具体地说是一种梯度纳米晶镀层制备方法。
技术背景
纳米晶材料（尺寸在1~100nm）因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应而展现出许多优异的力学、热学、光学、磁学和电学等性质和新的规律，因而具有十分诱人的应用前景。近年来在世界上掀起了对这种新材料的研究热潮。目前，纳米晶材料制备技术按其界面形成过程可分为四大类：（1）外压力合成，如超细粉末冷压法、机械研磨法；（2）沉积合成，如电沉积法、等离子体沉积法；（3）相变界面形成，如非晶晶化法。(4)塑性变形法。其中，电沉积法因其材料适应性广、设备简单，成本低廉等优点因此受到了人们的广泛重视，例如电沉积得到的纳米晶铜和纳米晶镍药型罩，其破甲侵彻性能好于微米晶药型罩。
目前采用电沉积制备纳米晶材料主要基于两个思路：1、改进电沉积工艺，例如朱荻科研团队采用高频脉冲电流、高速冲液和添加剂等工艺措施来降低沉积层的尺寸，获得纳米晶镍；2、改进电沉积设备，例如黄因慧科研团队采用喷射电铸分别制备了纳米晶铜、镍，经过测试表明平均晶粒尺寸在50~60nm。乔桂英、荆天辅等人也研究了喷射电铸纳米晶镍的工艺，获得了20~30nm的镍结晶沉积层。沉积层晶体呈柱状生长，喷射电沉积能够将电流密度提高到90A/dm2以上，其沉积速度可高达32μm/min，为常规电沉积的90倍左右；其它参数一定时，电沉积速度随电流密度和电镀液喷射速度的增加而提高。测试发现，沉积镍层的平均硬度可达552HV。
从上面可以看出，采用电铸法能够直接制造出纳米晶零件，不过零件的晶粒尺寸的波动范围更小。这样将该工艺移植到纳米晶镀层的制备技术就受到了一定的限制。因为镀层基体晶粒尺寸较大，属于微米范畴。如果直接将其作为基体，在其电镀上纳米晶材料的话，由于两者晶粒尺寸相差过大，相容性不好，镀层的结合强度低。因此能够做到镀层的晶粒大小可控成为制备具有高结合强度的纳米晶镀层的关键。
发明内容
本发明提供了一种梯度纳米晶镀层的制备方法。该制备方法在基体表面上采用电沉积方法制备梯度纳米晶镀层，靠近基体的沉积层晶粒尺寸较大，靠近镀层表面的沉积层晶粒尺寸较小，降低了镀层与基体之间晶粒尺寸的差距，两者的相容性会变好，镀层的结合强度高。
本发明是通过以下技术方案是：
一种梯度纳米晶镀层的制备方法，其特征在于：该方法在基体表面上采用电沉积方法制备梯度纳米晶镀层，具体操作步骤如下：
1）对基体表面进行表面处理；表面处理包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥。
2）配置电解液；电解液的组成成分和和工艺参数分别为：CuSO4·5H2O 310~320g/L，98%浓硫酸110~115g/L，糖精5~6g/L。电解液温度为32±1℃，电解液喷射为10mm/s。
3）使用电沉积装置进行镀层加工，采用较低的电流密度，在基体表面上电镀晶粒尺寸较大的纳米晶镀层，得到第1梯度纳米晶层；
4）在其他电沉积参数保持不变的情况下，提高电流密度，在前期形成的第1梯度纳米晶层上再沉积一层新的镀层，形成第2纳米晶梯度层，该第2纳米晶梯度层的晶粒尺寸比第1纳米晶梯度层的晶粒尺寸小；
5）重复步骤4），再加工下一层纳米晶镀层，直至最外层的纳米晶镀层的晶粒尺寸符合要求为止，得到梯度纳米晶镀层。
本发明中，利用电沉积装置在基体表面上电镀具有晶粒尺寸较大的第1梯度纳米晶层，此时的电流密度较低；在其他电沉积参数保持不变的情况下，提高电流密度，在前期形成的镀层上在沉积一层新的镀层，形成第2纳米晶梯度层，该镀层的晶粒尺寸较底层的晶粒尺寸要小；再采用相同的方法分别进行第3、第4纳米晶梯度层的制备，直至镀层的厚度以及晶粒尺寸达到要求为止。
梯度纳米晶镀层就是镀层的晶粒尺寸从靠近基体到远离基体有着逐渐减小的过程。镀层的外表面晶粒尺寸较小，属于纳米晶范畴，可以充分发挥纳米材料的优异性能。研究表明，镀层晶粒的平均晶粒尺寸与电沉积工艺参数息息相关，其中影响最明显的工艺参数就是电流密度。一般来说电流密度越高，电沉积速度快，晶粒尺寸也相当较小。
本发明就是通过控制电沉积过程中的电流密度大小来调节镀层晶粒尺寸的。本发明特点在于：1、电流密度高，电沉积速度快，容易实现高速电沉积。2、高电流密度增加了阴极过电位，减小临界晶核半径，提高形核数量，形成了细小、致密的沉积层。沉积层平均晶粒尺寸属于纳米范畴。3、电沉积过程可以通过调节电流大小来控制金属沉积层的晶粒尺寸。
用本发明方法制备的梯度纳米晶镀层与基体结合强度高，镀层晶粒尺寸平稳有序变化，电沉积速度高等优点。本发明不需要复杂的设备，而且工艺简单制备成本低，本发明大大拓宽了纳米晶材料以及梯度材料的应用范围，具有比较明显的应用前景。
附图说明：
图1是本发明的工序流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明
梯度纳米铜镀层制备。
在6mm厚铜基（即基体）表面上采用电沉积设备加工方法制备纳米晶铜梯度镀层，表1 给出了各层相关信息。其操作步骤如下：
1）对铜基体表面进行表面处理。依次进行，抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。
2）配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：CuSO4·5H2O 310~320g/L，98%浓硫酸110~115g/L，糖精5~6g/L。电解液温度为32±1℃，电解液喷射为10mm/s。
3）使用喷射电沉积装置进行度镀层加工，在基体上制备厚度20μm的第1梯度纳米晶层 。
4）保持其他电沉积参数，仅仅提高电流密度，重复步骤3分别加工第2、3、4、5层纳米晶铜镀层，获得综合性能优良的镀层。具体的电流密度以及制备的镀层平均晶粒尺寸见表1。
表1 电沉积工艺以及获得镀层晶粒尺寸大小
本发明不需要复杂的设备，工艺简单制备成本低，电沉积速度快，容易实现高速电沉积，并可以通过调节电流大小来控制金属沉积层的晶粒尺寸；高电流密度增加了阴极过电位，减小临界晶核半径，提高形核数量，形成了细小、致密的沉积层。沉积层平均晶粒尺寸属于纳米范畴。
Claims (3)
1.一种梯度纳米晶镀层的制备方法，其特征在于：该方法在基体表面上采用电沉积方法制备梯度纳米晶镀层，具体操作步骤如下：
1）对基体表面进行表面处理；
2）配置电解液；
3）使用电沉积装置进行镀层加工，采用较低的电流密度，在基体表面上电镀晶粒尺寸较大的纳米晶镀层，得到第1梯度纳米晶层；
4）在其他电沉积参数保持不变的情况下，提高电流密度，在前期形成的第1梯度纳米晶层上再沉积一层新的镀层，形成第2纳米晶梯度层，该第2纳米晶梯度层的晶粒尺寸比第1纳米晶梯度层的晶粒尺寸小；
5）重复步骤4），再加工下一层纳米晶镀层，直至最外层的纳米晶镀层的晶粒尺寸符合要求为止，得到梯度纳米晶镀层。
2.根据权利要求1所述的梯度纳米晶镀层的制备方法，其特征在于：表面处理包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥。
3.根据权利要求1所述的梯度纳米晶镀层的制备方法，其特征在于：电解液的组成成分和和工艺参数分别为：CuSO4·5H2O 310~320g/L，98%浓硫酸110~115g/L，糖精5~6g/L；
电解液温度为32±1℃，电解液喷射为10mm/s。
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