CN104088002A - 一种复合涂层的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种周期性磁场调制的复合涂层制备方法，是在复合镀装置中设有周期性运动磁场，所述磁场强度为20高斯至10特斯拉，频率为0.1-20kHz；本发明通过周期性运动磁场调控镀液中荷电粒子的运动，强化镀液中固体分散颗粒的传质，进而促进复合镀层的快速形核/生长。本发明可有效提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性，制备出高品质的功能复合镀层；适于规模化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合涂层的制备装置及制备方法，具体涉及一种周期性磁场调制的复合涂层制备装置及制备方法，属于材料合成技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，现代工业对工程材料及设备零部件在耐磨、减磨、防腐、耐氧化等诸多方面提出了愈来愈高的要求；而磨损是现代工业中零部件失效的一种最基本的类型，由于相互接触物体相对运动时，表层材料不断发生损耗转移或者产生残余变形，使得零部件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续的破坏，从而降低其精度、可靠性与工作效率，直至破坏；有资料显示：全球大约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损引起的；因磨损造成的经济损失大约占发达国家国民经济总产值的2%-7%；
采用材料的表面涂层技术，可以修复磨损，提高材料耐摩擦、抗高温氧化、耐腐蚀等性能；复合镀是一种新型表面处理技术，它是在基础镀液中加入不溶性的固体颗粒，实现分散颗粒与基质金属的共沉积，从而制备出具有高硬度、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性及特殊装饰外观等功能性的涂层；
但是，镀液中离子浓度高，严重压缩固体颗粒的表面双电层，如何保证固体颗粒在镀液中有效分散与稳定，提高固体颗粒的共沉积的效果，一直是制约复合镀的瓶颈；团聚的固体颗粒非但达不到改善涂层的目的，反而会恶化涂层性能；
为此，C. Zhu等对镀液施加高达800rpm速度的搅拌，同时在渡槽中加挡板来改善镀液的流体传质行为；郑环宇等则利用内置式超声波发生器发出的超声波在镀液液中产生超声流，加快Al2O3颗粒向阴极运动的速率，旨在提高复合涂层中氧化铝的合量；中国专利CN 202610375U【申请日：2011年11月28日，公告日期：2012年12月19日】公开了一种通过磁铁对镀件施加外部磁场的电镀装置，主要是采用磁铁异性相吸为镀件提供磁场，这类磁场虽然在一定的程度上能够提高颗粒的运动速率，但是磁场易受到磁铁磁性的影响，磁场性能不稳定；中国专利CN 201053039Y【申请日：2007年3月29日，公告日期：2008年4月30日】公开了采用超导磁体产生定磁场来制备球状纳米镍铁镀层的电沉积装置，主要是采用强磁场与电流作用使镀层粒子细小化，同时利用强磁场强大的磁化力使球状纳米晶取向，形成球状纳米晶镍铁镀层；该装置是电沉积装置，价格一般比较昂贵，主要是针对纳米晶球化作用，粒子取向和形状比较单一，分布不均匀，镀层比较薄弱；
鉴于此，我们设计一种利用周期性运动的磁场来调控镀液中荷电粒子的运动，强化镀液中固体分散颗粒的传质，从而促进复合镀层的快速形核、生长，提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供一种结构简单的复合涂层制备装置，该装置能够有效地实现荷电粒子周期性运动的磁场，强化镀液中的固体分散颗粒的传质，促进复合镀层的快速形核、生长，提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性；本发明的另一目的，在于提供一种复合涂层制备方法，该方法操作简单，实施方便，能有效地强化镀液中固体颗粒的传质，促进复合镀层的形核、生长，提高复合镀层中固体颗粒含量和分布均匀性；
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种复合涂层的制备装置，包括复合镀装置，其特征在于：所述复合镀装置内设有周期性运动磁场；
进一步改进，所述周期性运动磁场为电磁场或稳恒磁场；所述电磁场的磁场强度为20高斯～500高斯，磁场旋转频率为0.5kHz～20kHz；所述稳恒磁场的磁场强度为50高斯～10特斯拉，磁场旋转频率为0.1kHz～15kHz；所述稳恒磁场为氧化磁铁、合金磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁体、钕铁硼磁铁、橡胶磁铁或塑料磁铁中的一种或多种；
进一步改进，所述复合镀装置为化学复合镀装置、复合电沉积装置或复合电泳沉积装置；
进一步改进，所述复合镀装置包括镀槽、搅拌系统、周期性运动磁场产生与调节系统、温控系统；
所述镀槽为复合镀反应室，用于复合镀层的形核、镀层的生长、固体颗粒与基质金属的共沉积；
所述搅拌系统置于镀槽内，用于提高镀液与固体颗粒的分散性，增加镀液的传质与流动；
所述周期性运动磁场产生与调节系统用于产生作用域镀槽的特定强度的周期性运动磁场，并控制运动磁场的频率周期；
所述温控系统置于镀槽底部，用于测量与稳定镀液的温度；
进一步改进，上述复合镀装置还包括直流稳压电源与电极；所述直流稳压电源与电极用于复合电沉积或复合电泳沉积时提供竖直电极和水平电极；
进一步改进，所述周期性运动磁场置于镀槽的外侧或内部；
利用上述装置进行复合镀层制备的方法，具体步骤如下：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
步骤二、选取试样基体、并进行试样基体预处理；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将试样基体放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在试样基体上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
步骤五、将步骤四中施镀后的试样基体利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的试样基体的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的试样基体进行热处理，热处理时间为1h或6h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
进一步改进，在步骤二中，所述试样基体为低碳钢板、铜片、镍板、钢板；
试样基体预处理的步骤，具体如下：
1）、试样基体去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2）、对步骤1中去油的试样基体进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3）、对步骤2中的冲洗后试样基体进行电解除锈处理；
4）、对步骤3中除锈后的试样基体进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5）、对步骤4中水洗后的试样基体进行活化处理，主要采用酸活化处理；活化处理采用的原料为盐酸或硫酸的混合液；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6）、对步骤5中活化处理后的试样基体进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍20~35g/L，硼酸30~45g/L。镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.5A/dm2；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍35~45g/L，硫酸钴2.5~3.0g/L，硼酸30~45g/L。镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.0A/dm2；
进一步的，所述步骤三中纳米粒子为纳米金刚石、纳米Fe3O4、纳米WS2、纳米TiO2；
与现有技术相比，采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明是在复合镀装置中设有周期性运动磁场，所述磁场强度为20高斯至10特斯拉，频率为0.1-20kHz；本发明通过周期性运动磁场调控镀液中荷电粒子的运动，强化镀液中固体分散颗粒的传质，进而促进复合镀层的快速形核、生长；本发明可有效提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性，制备出高品质的功能复合镀层；适于规模化应用。
附图说明
图1是本发明中化学复合镀的结构示意图；
图2是本发明中电沉积复合镀或电泳沉积复合镀的结构示意图；
图3是本发明Ni-P-纳米金刚石复合涂层的截面示意图；
其中，1、搅拌系统；2、镀槽；3、变频装置；4、磁场产生装置；5、温控装置；6、电极阴极；7、电极阳极；8、电流稳压电源；9、纳米金刚石复合镀层；10、低碳钢板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种复合涂层的制备装置，包括复合镀装置，所述复合镀装置内设有周期性运动磁场；所述复合镀装置为化学复合镀装置、复合电沉积装置或复合电泳沉积装置；所述周期性运动磁场为电磁场或稳恒磁场；所述电磁场的磁场强度为20高斯～500高斯，磁场旋转频率为0.5Hz～20kHz；所述稳恒磁场的磁场强度为50高斯～10特斯拉，磁场旋转频率为0.1Hz～15kHz；所述稳恒磁场为氧化磁铁、合金磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁体、钕铁硼磁铁、橡胶磁铁或塑料磁铁中的一种或多种；
如图1所示，所述化学复合镀装置包括镀槽2、周期性运动磁场产生与调节系统、搅拌系统1及温控系统5；所述镀槽2为复合镀反应室，用于复合镀层的形核、镀层的生长、固体颗粒与基质金属的共沉积；所述搅拌系统1置于镀槽2内，用于提高镀液与固体颗粒的分散性，增加镀液的传质与流动；所述周期性运动磁场产生与调节系统用于产生作用域镀槽的特定强度的周期性运动磁场，并控制运动磁场的频率周期；所述温控系统5置于镀槽2的底部；用于测量与稳定镀液的温度；
所述周期性运动磁场产生与调节系统包括磁场产生装置4及变频装置3；所述磁场产生装置4负责产生特定强度周期性运动磁场；所述变频装置3负责控制运动磁场的频率周期；
如图2所示，所述复合电沉积装置或复合电泳沉积装置包括镀槽2、直流稳压电源与电极、周期性运动磁场产生与调节系统、搅拌系统1及温控系统5；所述直流稳压电源与电极用于复合电沉积或复合电泳沉积时提供竖直电极和水平电极；
所述直流稳压电源与电极包括直流稳压电源8、电极阴极6、电极阳极7；所述电极阴极6与阳极7置于镀槽2内；
所述周期性运动磁场置于镀槽的外侧或内测；
利用上述装置进行复合镀层制备的方法，具体步骤如下：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
步骤二、选取试样基体、并进行试样基体预处理；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将试样基体放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在试样基体上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
步骤五、将步骤四中施镀后的试样基体利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的试样基体的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的试样基体进行热处理，热处理时间为1h或6h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
进一步的，在步骤二中，所述试样基体为低碳钢板、铜片、镍板、钢板；
试样基体预处理的步骤，具体如下：
1）、试样基体去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2）、对步骤1中去油的试样基体进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3）、对步骤2中的冲洗后试样基体进行电解除锈处理；
4）、对步骤3中除锈后的试样基体进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5）、对步骤4中水洗后的试样基体进行活化处理，主要采用酸活化处理；活化处理采用的原料为盐酸或硫酸的混合液；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6）、对步骤5中活化处理后的试样基体进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍20~35g/L，硼酸30~45g/L。镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.5A/dm2；
进一步的，所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍35~45g/L，硫酸钴2.5~3.0g/L，硼酸30~45g/L。镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.0A/dm2；
进一步的，所述步骤三中纳米粒子为纳米金刚石、纳米Fe3O4、纳米WS2、纳米TiO2；
下面例举几个具体的纳米镀层的制备方法：
实施例一、Ni-P-纳米金刚石涂层的制备
装置：采用如图1所示的化学复合镀装置，所述周期性磁场发生与调节装置置于镀槽外侧；周期性运动磁场产生与调节系统所产生的周期性运动磁场置于镀槽外侧，作用于镀槽；
涂层制备方法：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
优选地，本实施例中选用低转速周期性运动磁场，采用步进电机带用永磁体做周期性旋转运动，磁场强度设定为0.2特斯拉，磁场旋转频率设定为200Hz；
步骤二、选取低碳钢板、并进行低碳钢板预处理；
优选地，本实施例中，低碳钢板选用尺寸为Φ48mm×2.0mm的低碳钢板；
低碳钢板预处理的步骤，具体如下：
1、低碳钢板去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2、对步骤1中去油的低碳钢板进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3、对步骤2中的冲洗后低碳钢板进行电解除锈处理；
4、对步骤3中除锈后的低碳钢板进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5、对步骤4中水洗后的低碳钢板进行活化处理，采用盐酸活化处理；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6、对步骤5中活化处理后的低碳钢板进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
优选地，本实施例中，镀液的配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5；
将镀液配料放置镀槽2内，利用搅拌系统1进行均匀搅拌，使原料均匀混合在一起，形成镀液；
步骤四、将低碳钢板放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在低碳钢板上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
优选地，本实施例中，施镀温度为85±1℃；施镀后形成涂层，如图3所示，Ni-P-纳米金刚石复合涂层的截面示意图，在低碳钢板的表面形成一层涂层；
步骤五、将步骤四中施镀后的低碳钢板利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的低碳钢板的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的低碳钢板进行热处理，热处理时间为1h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
优选地，本实施例中，施镀后的低碳钢板经过400℃热处理1h；当镀液中纳米金刚石颗粒的浓度为4g/L时，复合镀层显微硬度可达1500 kg/mm2；
磨损实验结果表明：周期性运动磁场调制所制备的Ni-P-纳米金刚石复合镀层的抗磨损能力为未施加周期性运动磁场调整所制备的复合镀层的抗磨损能力的2倍。
实施例二、Ni-纳米金刚石复合涂层的制备
装置：采用如图2所示的复合电沉积装置，所述周期性磁场发生与调节装置置于镀槽外侧；周期性运动磁场产生与调节系统所产生的周期性运动磁场置于镀槽外侧，作用于镀槽；
涂层制备方法：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
优选地，本实施例中，电极阳极7、电极阴极6均与磁场垂直；磁场选用根据电动机定子原理设计的周期性运动磁场，采用步进电机待用永磁体做周期性旋转运动，磁场强度设定为300高斯，磁场旋转频率设定为10kHz；
步骤二、选取铜片、并进行铜片预处理；
优选地，本实施例中，铜片选用尺寸为尺寸50mm×30×2.0mm的铜片；
铜片预处理的步骤，具体如下：
1、铜片去油处理；主要是主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2、对步骤1中去油的铜片进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3、对步骤2中的冲洗后铜片进行电解除锈处理；
4、对步骤3中除锈后的铜片进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5、对步骤4中水洗后的铜片进行活化处理，采用硫酸活化处理；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6、对步骤5中活化处理后的铜片进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
优选地，本实施例中，镀液的配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍20~35g/L，硼酸30~45g/L；镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.5A/dm2；
将镀液配料放置镀槽2内，利用搅拌系统1进行均匀搅拌，使原料均匀混合在一起，形成镀液；
将改性后纳米金刚石加入到镀液中，浓度为5g/L时，采用间隙机械搅拌，使纳米金刚石颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将铜片放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在铜片上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
优选地，本实施例中，施镀温度为45±1℃；施镀后形成涂层，
步骤五、将步骤四中施镀后的铜片利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的铜片的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的铜片进行热处理，热处理时间为1h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
优选地，本实施例中，施镀后的铜片经过400℃热处理1h，获得具有高耐磨性的纳米金刚石复合涂层。
实施例三、Ni-Co-纳米Fe3O4复合涂层的制备
装置：采用如图2所示的复合电沉积装置，所述周期性磁场发生与调节装置置于镀槽外侧；周期性运动磁场产生与调节系统所产生的周期性运动磁场置于镀槽外侧，作用于镀槽；
涂层制备方法：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
优选地，本实施例中，电极阳极7、电极阴极6均与磁场垂直；磁场选用根据电动机定子原理设计的周期性运动磁场，采用步进电机待用永磁体做周期性旋转运动，磁场强度设定为200高斯，磁场旋转频率设定为12kHz；
步骤二、选取镍板、并进行镍板预处理；
优选地，本实施例中，镍板选用尺寸为尺寸50mm×30×3.0mm的镍板；
镍板预处理的步骤，具体如下：
1、镍板去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2、对步骤1中去油的镍板进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3、对步骤2中的冲洗后镍板进行电解除锈处理；
4、对步骤3中除锈后的镍板进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5、对步骤4中水洗后的镍板进行活化处理，采用盐酸与硫酸的混合溶液进行活化处理；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6、对步骤5中活化处理后的镍板进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
优选地，本实施例中，镀液的配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍35~45g/L，硫酸钴2.5~3.0g/L，硼酸30~45g/L；镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.0A/dm2；
将镀液配料放置镀槽2内，利用搅拌系统1进行均匀搅拌，使原料均匀混合在一起，形成镀液；
将改性后纳米Fe3O4加入到镀液中，浓度为4g/L时，采用间隙机械搅拌，使纳米金刚石颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将镍板放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在镍板上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
优选地，本实施例中，施镀温度为45±1℃；施镀后形成涂层，
步骤五、将步骤四中施镀后的镍板利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中的水洗后镍板的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的镍板进行热处理，热处理时间为6h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
优选地，本实施例中，施镀后的镍板经过800℃热处理6h，获得具有高耐腐的Ni-Co-纳米Fe3O4复合涂层复合涂层。
实施例四、Ni-P-WS2复合涂层的制备
装置：采用如图1所示的复合电沉积装置，所述周期性磁场发生与调节装置置于镀槽外侧；周期性运动磁场产生与调节系统所产生的周期性运动磁场置于镀槽外侧，作用于镀槽；
涂层制备方法：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
优选地，本实施例中，采用步进电机带用永磁体做周期性旋转运动，磁场强度设定为0.2特斯拉，磁场旋转频率设定为200Hz；
步骤二、选取钢板、并进行钢板预处理；
优选地，本实施例中，钢板选用尺寸为尺寸Φ48mm×2.0mm的45#钢板；
钢板预处理的步骤，具体如下：
1、钢板去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2、对步骤1中去油的钢板进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3、对步骤2中的冲洗后钢板进行电解除锈处理；
4、对步骤3中除锈后的钢板进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5、对步骤4中水洗后的钢板进行活化处理，采用硫酸活化处理；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6、对步骤5中活化处理后的钢板进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
优选地，本实施例中，镀液的配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5；
将镀液配料放置镀槽2内，利用搅拌系统1进行均匀搅拌，使原料均匀混合在一起，形成镀液；
将改性后纳米WS2加入到镀液中，浓度为3.5g/L时，采用间隙机械搅拌，使纳米金刚石颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将钢板放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在钢板上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
优选地，本实施例中，施镀温度为85±1℃；施镀后形成涂层，
步骤五、将步骤四中施镀后的钢板利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的钢板的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的钢板进行热处理，热处理时间为1h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
优选地，本实施例中，施镀后的钢板经过400℃热处理1h，具自润滑性能的Ni-P-WS2复合涂层。
实施例五、Ni-P-纳米TiO2复合涂层的制备
装置：采用如图1所示的复合电沉积装置，所述周期性磁场发生与调节装置置于镀槽外侧；周期性运动磁场产生与调节系统所产生的周期性运动磁场置于镀槽外侧，作用于镀槽；
涂层制备方法：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
优选地，本实施例中，采用步进电机带用永磁体做周期性旋转运动，磁场强度设定为0.2特斯拉，磁场旋转频率设定为500Hz；
步骤二、选取低碳钢板、并进行低碳钢板预处理；
优选地，本实施例中，低碳钢板选用尺寸为尺寸Φ48mm×2.0mm的低碳钢板；
低碳钢板预处理的步骤，具体如下：
1、低碳钢板去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2、对步骤1中去油的低碳钢板进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3、对步骤2中的冲洗后低碳钢板进行电解除锈处理；
4、对步骤3中除锈后的低碳钢板进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5、对步骤4中水洗后的低碳钢板进行活化处理，采用盐酸活化处理；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6、对步骤5中活化处理后的低碳钢板进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
优选地，本实施例中，镀液的配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5；
将镀液配料放置镀槽2内，利用搅拌系统1进行均匀搅拌，使原料均匀混合在一起，形成镀液；
将改性后纳米TiO2颗粒加入到镀液中，浓度为4g/L时，采用间隙机械搅拌，使纳米金刚石颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将低碳钢板放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在低碳钢板上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
优选地，本实施例中，施镀温度为50±1℃；施镀后形成涂层，
步骤五、将步骤四中施镀后的低碳钢板利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的低碳钢板的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的低碳钢板进行热处理，热处理时间为1h，得到具有高性能的纳米复合涂层；
优选地，本实施例中，施镀后的低碳钢板经过200℃热处理1h，得到具有光催化功能的Ni- P-纳米TiO2复合涂层；
本发明是在复合镀装置中设有周期性运动磁场，所述磁场强度为20高斯至10特斯拉，频率为0.1-20kHz；本发明通过周期性运动磁场调控镀液中荷电粒子的运动，强化镀液中固体分散颗粒的传质，进而促进复合镀层的快速形核、生长；本发明可有效提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性，制备出高品质的功能复合镀层；适于规模化应用；
与现有技术相比，采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明是在复合镀装置中设有周期性运动磁场，所述磁场强度为20高斯至10特斯拉，频率为0.1-20kHz；本发明通过周期性运动磁场调控镀液中荷电粒子的运动，强化镀液中固体分散颗粒的传质，进而促进复合镀层的快速形核、生长；本发明可有效提高复合镀层中固体颗粒的含量及其分布的均匀性，制备出高品质的功能复合镀层；适于规模化应用。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合涂层的制备装置，包括复合镀装置，其特征在于：所述复合镀装置内设有周期性运动磁场；所述周期性运动磁场置于镀槽的外侧或内部。
2.根据权利要求1所述的一种复合涂层的制备装置，其特征在于：所述周期性运动磁场为电磁场或稳恒磁场；所述电磁场的磁场强度为20高斯～500高斯，磁场旋转频率为0.5kHz～20kHz；所述稳恒磁场的磁场强度为50高斯～10特斯拉，磁场旋转频率为0.1kHz～15kHz；所述稳恒磁场为氧化磁铁、合金磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁体、钕铁硼磁铁、橡胶磁铁或塑料磁铁中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种复合涂层的制备装置，其特征在于：所述复合镀装置为化学复合镀装置、复合电沉积装置或复合电泳沉积装置。
4.根据权利要求1所述的一种复合涂层的制备装置，其特征在于：所述复合镀装置包括镀槽、搅拌系统、周期性运动磁场产生与调节系统、温控系统；
所述镀槽为复合镀反应室，用于复合镀层的形核、镀层的生长、固体颗粒与基质金属的共沉积；
所述搅拌系统置于镀槽内，用于提高镀液与固体颗粒的分散性，增加镀液的传质与流动；
所述周期性运动磁场产生与调节系统用于产生作用域镀槽的特定强度的周期性运动磁场，并控制运动磁场的频率周期；
所述温控系统置于镀槽底部，用于测量与稳定镀液的温度。
5.根据权利要求1所述的一种复合涂层的制备装置，其特征在于：所述复合镀装置还包括直流稳压电源与电极；所述直流稳压电源与电极用于复合电沉积或复合电泳沉积时提供竖直电极和水平电极。
6.利用如权利要求1所述的装置进行复合镀层制备的方法，具体步骤如下：
步骤一、设定磁场强度及磁场旋转频率；
步骤二、选取试样基体、并进行试样基体预处理；
步骤三、调配镀液；将镀液放置入镀槽内，并将改性后的纳米粒子，放置到镀液中，利用搅拌系统进行搅拌，主要采用间隙机械搅拌，使纳米粒子的颗粒均匀分散在镀液中；
步骤四、将试样基体放置在镀液中，利用磁场作用使镀液在试样基体上快速形核、生长，促使镀层快速形成；完成复合镀，复合镀的时间为60min；复合镀的温度为45±1℃～85±1℃；
步骤五、将步骤四中施镀后的试样基体利用去离子水进行冲洗；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
步骤六、对步骤五中水洗后的试样基体的镀层进行去氢处理；
步骤七、对步骤六中的试样基体进行热处理，热处理时间为1h或6h，得到具有高性能的纳米复合涂层。
7. 根据权利要求6所述的复合镀层制备的方法，其特征在于：在步骤二中，所述试样基体为低碳钢板、铜片、镍板、钢板；
试样基体预处理的步骤，具体如下：
1）、试样基体去油处理；主要是采用超声波处理去油，将基体放入10%的NaOH溶液中，去油温度为25℃；超声去油时间为5min；
2）、对步骤1中去油的试样基体进行第一次水洗，主要是采用去离子水进行冲洗，去离子水的电阻率大于5MΩ·cm；反复冲洗3次；冲洗时间为5min；
3）、对步骤2中的冲洗后试样基体进行电解除锈处理；
4）、对步骤3中除锈后的试样基体进行第二次水洗，方法和过程与第一次相同；
5）、对步骤4中水洗后的试样基体进行活化处理，主要采用酸活化处理；活化处理采用的原料为盐酸或硫酸的混合液；活化处理的温度为25℃；时间为2min；
6）、对步骤5中活化处理后的试样基体进行第三次水洗，其方法与过程与第一次相同。
8.根据权利要求6所述的复合镀层制备的方法，其特征在于：所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍25~30g/L，次磷酸钠25~30g/L，乳酸20~25ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液的pH为4.5。
9.根据权利要求6所述的复合镀层制备的方法，其特征在于：所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍20~35g/L，硼酸30~45g/L；
镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.5A/dm2。
10.根据权利要求6所述的复合镀层制备的方法，其特征在于：所述步骤三中的镀液配方为：硫酸镍250~300g/L，氯化镍35~45g/L，硫酸钴2.5~3.0g/L，硼酸30~45g/L；
镀液的pH为4.5，电流密度为I=2.0A/dm2。
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