CN104694926B - 一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面处理技术领域，特指一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，通过表面合金化和表面前处理过程提高Cu表面的耐磨和耐蚀性能。其步骤主要包括：1）铜表面预处理过程；2）NiCr沉积电极的准备及其处理过程；3）耐磨Ni/Cr涂层的制备过程。本发明工艺过程简单，设计合理，操作方便，加工成本低，没有气相沉积、溅射等过程工艺复杂，也没有电镀过程中所带来的环境污染等问题。涂层制备过程中改变制备工艺参数，可以获得不同厚度和性能的涂层。获得的NiCr涂层比采用气相沉积、溅射和电镀获得的涂层与基体的结合力强，涂层与基体具有冶金结合的特点，能保持良好的耐磨性能，涂层致密能有效抑制氧化。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，特指一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，通过表面合金化和表面前处理过程提高Cu表面的耐磨和耐蚀性能。
背景技术
近年来，由于人们对环保要求越来越重视，过去相对比较成熟的电镀Cu、Ni、Cr等行业受环保等部门监管更严格，因此很多电镀行业正在寻求更加环保和环境友好的工艺技术代替目前的高污染的电镀工业；而随着科学技术的发展和信息产业的兴起，对材料的表面处理和表面精饰的要求也越来越高，其相应的表面处理技术也越来越丰富，也越来越受到人们的重视。
铜及其铜合金导电、导热性能优良，但是铜的耐磨性、耐高温性能不佳一直是表面工程科学需要解决的重要课题；目前铜合金的表面防护主要采用化学镀、电镀等手段在其表面镀Cr来提高其耐磨和耐蚀性，但电镀过程中往往由于电镀工艺参数的控制不合理，造成镀层存在大量孔隙和空洞等缺陷，同时镀铬常使用铬酸即六价铬，铬酸毒性很大，且是致癌物质，已引起人们的广泛关注，因此目前人们希望通过其余表面处理手段对铜表面进行强化或者进行表面合金化处理提高其耐磨性和耐蚀性能；针对目前存在的问题，本发明采用一种新兴的表面处理技术，高能微弧合金化技术在铜及其合金表面制备耐蚀、耐磨性涂层，该技术是利用电源储存的能量通过短时、高电流脉冲将电极材料熔化并沉积到金属基体上，所形成的涂层具有微晶和纳米晶的特点、其与基体界面为冶金结合，结合强度高，通过该技术进行处理，具有非常方便、灵活、易操作等特点，同时也更环保。
发明内容
为了弥补现有电镀铬工艺技术中存在工艺繁琐、毒性大，镀层孔隙率高、涂层与基体结合强度低等不足，本发明提供了一种耐蚀性好、加工成本低、易于操作可在铜表面制备NiCr涂层制备方法。
本发明通过如下技术方案实施：
1）：Cu金属表面预处理过程
利用砂纸将铜表面进行打磨直至1200#，打磨后除油清洗，然后干燥晾干。
2）：沉积电极的预处理过程
将纯Ni和纯Cr加工成圆形棒材作为电极材料，同样除油清洗，然后进行晾干处理；
或采用非自耗电弧熔炼制备得到NiCr合金锭，进行切割加工成圆形棒材作为电极材料，然后同样除油清洗，进行晾干处理。
3）： NiCr涂层的制备
采用高能微弧合金化方法将预先处理好的纯Ni棒、纯Cr棒和NiCr合金棒电极材料分别作为旋转电极，基体Cu金属作为阴极。
工艺一，先选用Ni作为沉积电极，在惰性气体氩气保护下在铜合金表面先沉积一层Ni；然后将再将Cr作为沉积电极，同样在氩气保护下进行沉积，在沉积过程中通过调节电极的旋转速度、沉积过程中的电压、频率、脉宽、占空比和沉积时间从而得到一定成分和厚度的NiCr涂层。
工艺二，将NiCr合金棒材作为沉积电极，在惰性气体氩气保护下进行沉积，通过控制沉积过程中的电极旋转速度、沉积过程中的电压、频率、脉宽、占空比和沉积时间，在铜表面形成不同组织的NiCr涂层。
该制备工艺可以克服气相沉积方法所采用的昂贵设备，同时也可以避免采用电镀、化学镀等方法所带来的环境污染等问题，该工艺方法具有灵活、方便、环保可行等特点。
步骤1）中基体铜表面经400~1200#砂纸逐级打磨；步骤1）、2）中的除油清洗指在丙酮溶液中进行超声波辅助除油清洗。
步骤2）中沉积电极Ni棒纯度大于99.9wt. %，Cr棒纯度大于＞99.9wt.%；同时通过非自耗电弧熔炼而成的NiCr合金材料其原料也是选择纯度大于99.9wt. %的Ni和纯度大于＞99.9wt.%的Cr；熔炼后的NiCr合金棒成分，Cr含量在0-45 wt.% 范围，圆形棒材的直径为2~4mm。
步骤3）中的氩气的气体流量为3-15 L/min。
步骤3）中沉积涂层制备：采用工艺一制备NiCr涂层时，先在铜表面沉积Ni，此时主要控制参数为：采用单项交流电源，沉积电压为80V，频率为300Hz，脉宽为200μs，占空比为40%，电极旋转速度为1000r/min，沉积时间为1-15min可调，从而控制铜表面沉积的Ni量，然后继续沉积Cr，采用相同的工艺参数进行，沉积时间从1-15min 可调节，从而控制在Cu金属表面获得不同Ni/Cr含量的NiCr涂层。
此方法沉积过程中，同时也可以进行电压、频率、脉宽、占空比等参数正交调节。其设定电压范围60-90V，频率为200-400Hz，脉宽为200-300μs，占空比为20-50%，电机旋转速度为800-4000r/min，沉积时间1-15 min；在沉积过程通过选择一个工艺参数作为变量，恒定其余工艺参数，从而控制在Cu金属表面获得不同Ni/Cr含量的NiCr涂层。
步骤3）中沉积涂层制备：采用工艺方法二，制备NiCr涂层时，其电弧熔炼的NiCr合金的成分在为Cr含量在0-45wt.%，获得NiCr涂层的成分与电极的成分相一致；沉积采用单项交流电源，其设定电压范围60-90V, 频率为200-400Hz，脉宽为200-300μs，占空比为20-50%，电极旋转速度为800-4000r/min ，沉积时间1-15 min，在沉积过程通过选择一个工艺参数作为变量，恒定其余工艺参数，变化不同参数可以获得不同厚度和形貌的涂层。
本发明的有益效果是：本发明采用纯Ni和纯Cr作为电极，在氩气气氛保护下采用高能微弧合金化技术，在铜表面制备Ni层，再同样在氩气保护下进行沉积Cr层，原位生成不同比例的NiCr涂层；另外还可以直接利用NiCr合金，在Cu表面获得预先成分一定的NiCr合金层。
本发明提供的涂层制备工艺中，可以通过调节沉积电压、旋转速度、沉积时间等工艺参数来获得不同厚度NiCr涂层，本发明为制备NiCr涂层开辟了新思路，发展了高能微弧合金化技术的应用范围，开发了NiCr涂层制备的新途径，电极的导电材料溶渗进工件表面，形成合金层，从而制备出的涂层与基体具有冶金结合，结合力强，满足工作对于耐磨和抗氧化的双重防护需要。
附图说明
图1为实施例1沉积层的XRD图谱。
具体实施方式
制备涂层所选用纯Cu试样采用尺寸大小为：长*宽*高：10*10*3mm，下面通过具体实例来进一步说明本发明。
实施例1：
1）：表面预处理：将铜试样分别用400-1200#的砂纸逐级打磨后将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗3min，然后用去离子水冲洗后吹干备用。
2）：沉积电极表面预处理：将选择好的纯Ni(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)和纯Cr(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)电极棒（直径都是3mm）放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗后吹干备用。
3）：涂层的制备过程：将选定的铜试样作为基体材料，作为沉积过程中的阴极，接电源设备阴极，用Ni棒作为沉积电极，设定沉积工艺参数，沉积电压为80V，频率为300Hz，脉宽为200μs，占空比为40%，通以8L/min的氩气作为保护气体，沉积电极旋转速度保持1000r/min，沉积时间为4min；当铜表面形成一层Ni层后，用处理好的Cr作为沉积电极，设定同样的工艺参数，沉积电压为80V，频率为300Hz，脉宽为200μs，占空比为40%，沉积电极旋转速度保持1000r/min，在形成的Ni层上沉积4min，即可在铜表面制备一层致密的NiCr沉积层，沉积层厚度大约为5μm，其涂层中Ni/Cr质量比例大约为1:1。
图1是实施例1沉积层的XRD图谱，图1是为了说明在通过此工艺可以实现在铜表面制备得到Cr、Ni涂层，涂层制备的效果良好，另外涂层出现NiCu合金等也进一步说明沉积到基体表面的Ni与基体互熔形成的NiCu合金，这个也是形成的冶金结合，因为涂层形成的冶金结合，所以具有良好的结合强度，这个同时也是与高能微弧火花沉积技术相符合的，结合强度高。
实施例2：
1）：表面预处理：将2mm*2mm的纯铜片状试样分别用400-1200#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗吹干备用。
2）：沉积电极表面预处理：将选择好的纯Ni(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)和纯Cr(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)电极棒（直径都是2mm）放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。
3）：涂层的制备过程：将选定铜试样作为基体材料，沉积过程中作为阴极，接电源设备阴极，用Ni棒作为沉积电极，设定沉积工艺参数，沉积电压为90V，频率为400Hz，脉宽为250μs，占空比为50%，通以10L/min的氩气作为保护气体，沉积电极旋转速度保持3000r/min，沉积时间为5min；当铜表面形成一层Ni层后，用处理好的Cr棒作为沉积电极，设定相同的工艺参数，沉积电压为90V，频率为400Hz，脉宽为250μs，占空比为50%，沉积电极旋转速度保持3000r/min，在形成的Ni层上沉积Cr的时间为2min，即可在铜表面制备一层致密的沉积层，沉积层厚度大约为10μm，粘附性良好，沉积过程后形成的NiCr质量比例大约为5:2。
实施例2沉积层的XRD图谱与实施例1类似。
实施例3：
1）：表面预处理：将纯铜试样分别用400-1200#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗吹干备用。
2）：沉积电极表面预处理：将选择好的纯Ni(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)和纯Cr(纯度大于99.9wt%，以下实施例相同)电极棒（直径都是3mm）放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。
3）：涂层的制备过程：将选定的铜试样作为基体材料，作为沉积过程中的阴极，接电源设备阴极，用Ni棒作为沉积电极，设定沉积工艺参数，沉积电压为80V，频率为400Hz，脉宽为200μs，占空比为45%，通以10L/min的氩气作为保护气体，沉积电极旋转速度保持4000r/min，沉积时间为4min；当铜表面形成一层Ni层后，用处理好的Cr棒作为沉积电极，设定相同的工艺参数，沉积电压为80V，频率为400Hz，脉宽为200μs，占空比为45%，沉积电极旋转速度保持4000r/min，在形成的Ni层上沉积2min，即可在铜表面制备一层致密的沉积层，沉积层厚度大约为7μm，所形成的NiCr质量比例大约为2：1。
实施例3沉积层的XRD图谱与实施例1类似。
实施例4：
1）：表面预处理：将2mm*2mmd 纯铜片状试样分别用400-1200#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗吹干备用。
2）：沉积电极表面处理：选用纯Ni(纯度大于99.9wt%)和纯Cr(纯度大于99.9wt%，)采用非自耗电弧熔炼的熔炼NiCr合金，NiCr配比为Cr含量为20wt%。熔炼好的合金锭经过切割（直径是2mm）放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。
3）：涂层的制备过程：将选定的铜试样作为基体材料，作为沉积过程中的阴极，接电源设备阴极，用NiCr合金棒作为沉积电极，其成分中含Cr为20 wt.%，选择好适当的工艺参数，沉积工艺参数，沉积电压为90V，频率为400Hz，脉宽为250μs，占空比为50%，通以10L/min的氩气作为保护气体，沉积电极旋转速度保持3000r/min，沉积时间为5min，可在铜表面制备一层致密的NiCr沉积层，Cr含量为20wt.%，厚度大约为10μm，与基体为冶金结合，强度高，涂层具有良好的耐磨和耐蚀性能。
Claims (7)
1.一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，包括对Cu金属表面预处理的过程、沉积电极的预处理过程和NiCr涂层的制备过程，其特征在于所述NiCr涂层的制备过程如下：
采用高能微弧合金化方法，将预先处理好的纯Ni棒和纯Cr棒沉积电极材料分别作为旋转电极，基体Cu金属作为阴极；
工艺一，先选用Ni作为沉积电极，在惰性气体氩气保护下在铜合金表面先沉积一层Ni；然后将再将Cr作为沉积电极，同样在氩气保护下进行沉积，在沉积过程中通过调节电极的旋转速度、沉积过程中的电压、频率、脉宽、占空比和沉积时间从而得到一定成分和厚度的NiCr涂层；
采用工艺一制备NiCr涂层时，先在铜表面沉积Ni，此时主要控制参数为：采用单项交流电源，沉积电压为80V，频率为300Hz，脉宽为200μs，占空比为40％，电极旋转速度为1000r/min，沉积时间为1-15min可调，从而控制铜表面沉积的Ni量，然后继续沉积Cr，采用相同的工艺参数进行，沉积时间从1-15min可调节，从而控制在Cu金属表面获得不同Ni/Cr含量的NiCr涂层；
或在此方法沉积过程中，进行电压、频率、脉宽、占空比的参数正交调节；其设定电压范围60-90V，频率为200-400Hz，脉宽为200-300μs，占空比为20-50％，电机旋转速度为800-4000r/min，沉积时间1-15min；在沉积过程通过选择一个工艺参数作为变量，恒定其余工艺参数，从而控制在Cu金属表面获得不同Ni/Cr含量的NiCr涂层。
2.如权利要求1所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于所述Cu金属表面预处理的过程为：利用砂纸将铜表面进行打磨直至1200#，打磨后除油清洗，然后干燥晾干。
3.如权利要求1所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于所述沉积电极的预处理过程为：将纯Ni和纯Cr加工成圆形棒材作为电极材料，同样除油清洗，然后进行晾干处理。
4.如权利要求2所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：基体铜表面经400～1200#砂纸逐级打磨。
5.如权利要求2或3所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：除油清洗指在丙酮溶液中进行超声波辅助除油清洗。
6.如权利要求3所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：沉积电极Ni棒纯度大于99.9wt.％，Cr棒纯度大于＞99.9wt.％。
7.如权利要求1所述的一种在铜表面制备NiCr耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：所述氩气的气体流量为3-15L/min。
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