CN104694997A

CN104694997A - 获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法及Cu-Sn-石墨电镀液

Info

Publication number: CN104694997A
Application number: CN201510112342.7A
Authority: CN
Inventors: 应丽霞; 吕秀鹏; 吴珂; 王桂香; 石洪瑞; 朱腾飞
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明提供的是一种获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法及Cu-Sn-石墨电镀液。将通过电解法制备的纳米石墨溶胶加入到Cu-Sn镀液中制成Cu-Sn-石墨电镀液，将金属部件置于所述Cu-Sn-石墨电镀液中，在温度为35～45℃、搅拌转速为100～200r/min、pH值为9～10、电流形式为脉冲电流、电流密度为2～4A/dm²、占空比为30％～80％、频率为50～5000Hz的条件下电镀，得到含有铜、锡、石墨以及铜锡结晶产物的复合镀层。本发明的方法具有可在复杂曲面施镀、镀液无污染、易于大规模生产等优点，本方法获得的镀层具有耐磨损性能优异、摩擦系数低、耐蚀性好、致密性好、厚度均匀且易于控制、无针孔汽包等优点。

Description

获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法及Cu-Sn-石墨电镀液

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料的表面处理方法，具体地说是一种域获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的新方法。

背景技术

石墨在复合材料中的应用比较广泛，有Cu/石墨复合材料、Ni/石墨复合材料、Al/石墨复合材料、Ag/石墨复合材料、合金与石墨的复合材料及聚合物与石墨的复合材料等。目前国内外主要利用了以下方法制备这些复合材料：利用粉末冶金法、喷射沉积法、液相浸渍法、复合铸造法、机械合金化制备以及内氧化法制备C/Cu复合材料；利用H₂还原氧化石墨层制备Ni/石墨复合材料；利用化学镀和复合电镀法制备Ni-P-石墨镀层，其方法是向镀液中加入石墨粉；利用粉末冶金法制备了Ni-Cr和Ni-Cr-W自润滑材料；利用粉末冶金法、喷射沉积法、铸造法制备Al/石墨复合材料；利用电镀法制备银-石墨自润滑镀层，粉末冶金法制备了Ag-Cu-石墨和银-石墨-二硫化钼复合材料；采用粉末冶金法制备SiC/C-Cu复合材料；加入纳米硬质粒子SiO₂、TiO₂、Al₂O₃与石墨混合填充PTFE复合材料，提高PTFE耐磨性；通过机械共混法制备了改性石墨/丁腈橡胶复合材料；以酚醛树脂为碳源，正硅酸乙酯为硅源，采用凝胶-碳热还原法制备C/SiC-W复合体等。

铜/石墨复合材料综合了铜和石墨的优良性能而被广泛应用在润滑材料中，目前国际上多用粉末冶金法、喷射沉积法、液相浸渍法、复合铸造法、机械合金化制备以及内氧化法制备铜合金-石墨复合材料。粉末冶金法则存在对颗粒的损伤大、颗粒易团聚、生产成本高、设备维护贵、颗粒分散不均、存在较大孔隙率等缺点；热压烧结法则存在工艺较复杂，制造成本高等缺点；液相浸渍法则存在工艺复杂、设备庞大、能耗大等缺点；铸造法则存在气孔、材料疏松、表面有裂纹、夹杂杂质、有针孔等缺点；机械合金化则存在工艺复杂、工艺时间长、经济效益低等缺点；相比以上工艺方法化学镀和电镀法则具有操作简单、镀层均匀、致密性好、成本低等优点，但化学镀相对于电镀所产生的工业废水要多、效率要低、材料的耐磨性差。同时电镀法获得的镀层可满足金属光泽美观、物品的防锈、防止磨耗、提高导电度、润滑性、强度、耐热性、耐候性、热处理中防止渗碳、氮化、修补尺寸错误或磨耗。从材料本身来说，石墨与铜基体的润湿性较差，固、液两相均不相容或发生化学反应，所以其界面结合强度低，结合处易存在裂缝产生应力，这是影响复合材料性能的主要因素，而传统的制备方法不能很好的解决界面结合问题。电镀法则可以有效的解决润湿性差的问题，从而增强铜和石墨的界面结合强度，获得的镀层结晶度高，致密性也好，使复合材料中的石墨能很好的包裹在材料中，充分的发挥其自身减摩特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能制备出摩擦系数小、显微硬度高、致密性好、综合性能优良的纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法。本发明的目的还在于提供一种获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法所用的Cu-Sn-石墨电镀液。

本发明的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法为：

将通过电解法制备的纳米石墨溶胶加入到Cu-Sn镀液中制成Cu-Sn-石墨电镀液，将金属部件置于所述Cu-Sn-石墨电镀液中，在温度为35～45℃、搅拌转速为100～200r/min、pH值为9～10、电流形式为脉冲电流、电流密度为2～4A/dm²、占空比为30％～80％、频率为50～5000Hz的条件下电镀，得到含有铜、锡、石墨以及铜锡结晶产物的复合镀层。

本发明的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法还可以包括：

1、所述的Cu-Sn-石墨电镀液是由Cu-Sn镀液和通过电解法制备的纳米石墨溶胶组成，所述Cu-Sn镀液包括：焦磷酸钾230～270g/L、焦磷酸铜20～25g/L、酒石酸钾钠30～35g/L、锡酸钠40～60g/L、硝酸钾40～45g/L、柠檬酸钠20～25g/L，通过电解法制备的纳米石墨溶胶的含量为60～70ml/L。

2、所述的Cu-Sn-石墨电镀液是的制备方法是：先将配制Cu-Sn镀液，将Cu-Sn镀液加热到40～80℃，保持恒温，然后缓慢加入电解法制备的纳米石墨溶胶。

3、所述的复合镀层中各元素所占的质量百分比为铜80％～90％、锡4％～10％、石墨3％～6％。

4、所述的复合镀层的镀层厚度为5～100μm。

因为Cu-石墨复合材料的耐腐蚀性能并不突出，加入锡元素则可以提高材料的耐蚀性。低锡铜锡合金对钢铁基体为阴极镀层，其孔隙率随锡含量升高而降低，镀层的耐腐蚀性提高，其摩擦系数比较低，其性能比较符合自润滑镀层的基本要求。所以根据Cu-Sn-石墨复合材料所具有的特性，本发明的方法采用复合电镀法。

本发明是利用电解法制备石墨溶胶，再将纳米石墨溶胶加入Cu-Sn基础镀液中进行复合电镀，目前在国际上以纳米石墨进行复合材料制备研究的不太多，而利用石墨溶胶加入镀液中进行复合电镀的方法更是没有。纳米级别下粒子具有特殊的效应，所以纳米石墨的减摩性能更为优异。同时纳米石墨有更大的比表面积，它的比表面积大约为600m²/g，使其具有表面活性大、扩散系数大、强度大、韧性好、显微硬度高等其他优点。而溶胶就是微小颗粒的分散系，其微粒的直径大小为1～100nm，微粒在液体中的分散和悬浮都很均匀，所以溶胶的形式加入纳米石墨颗粒就解决了颗粒分散的问题，这样石墨就会很好的分散在复合镀层中。同时溶胶的加入不会影响Cu-Sn基础镀液的稳定性，这样就不会影响最终的电镀结果，所以本发明可以获得摩擦系数低、镀层均匀、抛光性良好、孔隙率低、耐蚀性好的Cu-Sn-石墨复合镀层。

本发明将纳米石墨以溶胶的形式加入到Cu-Sn镀液中组成新的纳米Cu-Sn-石墨复合镀液，以克服石墨以粉状加入时容易团聚的问题。本发明的方法能制备出摩擦系数小、显微硬度高、致密性好、综合性能优良的纳米Cu-Sn-石墨复合镀层，同时也需要其操作简单、成本低、无污染、安全的电镀方法。

本发明的技术内容，利用电镀方法制备出纳米Cu-Sn-石墨复合镀层。其中的镀层为，在金属零部件表面镀覆一层含有铜、锡、石墨三种元素的复合镀层，其有益效果为提高镀层的耐磨损性、显微硬度、降低摩擦系数。镀层的厚度为5～100μm，镀层中各元素所占的质量百分比分别为铜80％～90％，锡4％～10％，石墨3％～6％。

本发明中的纳米石墨是以溶胶形式加入到铜锡镀液中。其有益效果为纳米石墨的分散效果更好，工艺简单、镀层更均匀，有利于提高镀层的综合性能。

本发明的包括基体前处理、镀液的配制、施镀、电镀后试样的后处理几部分内容。被镀基体经过打磨、超声水洗、碱洗液除油、水洗、快速吹干、称重、酸洗液除锈、浸渍液浸泡后放入电镀液中进行电镀。电镀后的试件取出后用去离子水或蒸馏水冲洗、放在酒精中进行超声清洗、重复此步骤四遍、快速吹干、称重、再放入酒精中超声清洗、快速吹干后立即放入封口袋中。其有益效果分别为增强基体与镀层之间的结合力，使镀层可以充分发挥其优异性能和去除基体表面镀液的残留物，防止空气中其它物质污染镀层表面，影响其检测效果。

所述的Cu-Sn镀液，其主要成分及含量是焦磷酸钾(K₄P₂O₇·3H₂O)230～270g/L，焦磷酸铜(Cu₂P₂O₇)20～25g/L，酒石酸钾钠(KNaC₄H₄O₆·4H₂O)30～35g/L，锡酸钠(Na₂SnO₃·3H₂O)40～60g/L，硝酸钾(KNO₃)40～45g/L，柠檬酸钠(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)20～25g/L。其中主盐为铜盐(焦磷酸铜)和锡盐(锡酸钠)，酒石酸钾钠在镀液中充当辅助络合剂的角色，硝酸钾是电镀中常用的去极化剂，可以降低阴极的极化，提高阴极的电流密度上限。

所述的纳米Cu-Sn-石墨复合镀液，其中的纳米石墨溶胶，是由石墨电解得到，电解液中含有分析纯硝酸和少量阴离子表面活性剂，溶剂则为去离子水或蒸馏水。向Cu-Sn镀液中加入纳米石墨溶胶的方法，在于先将Cu-Sn镀液放入水浴锅中加热到40～80℃，保持恒温，然后在稳定的温度下向其中缓慢的加入纳米石墨溶胶，待石墨溶胶加入完毕后立即从水浴锅中取出放入超声振动中3～5min，使其充分溶解，然后立即放到恒温磁力搅拌器上，使其保持镀液温度。其有益效果为，可以使石墨充分的分散到镀液中，使镀层均匀，保持镀层的致密性。

本发明由于采用脉冲电镀方法，水溶性纳米Cu-Sn-石墨镀液，加入的是易于制备和分散效果好的纳米石墨溶胶，最后获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层，因此本方法具有可在复杂曲面施镀、镀液无污染、易于大规模生产等优点，本方法获得的镀层具有耐磨损性能优异、摩擦系数低、耐蚀性好、致密性好、厚度均匀且易于控制、无针孔汽包等优点。

附图说明

图1为纳米Cu-Sn-石墨复合镀层在扫面电镜下的图片。

图2为纳米Cu-Sn-石墨复合镀层EDS能谱图。

具体实施方式

下面举例对发明作进一步说明。

在钢片上镀覆纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，包括被镀基体的打磨，本实验方法中使用的是CW系列耐水砂纸对试件进行打磨，砂纸牌号由粗至细依次为320目、400目、600目、800目、1000目，更换下一牌号时，钢片沿上次打磨方向旋转90度，打磨至上一牌号砂纸的磨痕被完全覆盖，依次增加牌号。打磨完成后要进行超声水洗5min，取出基体，将其放入碱洗液中除油，将碱洗液放入到水浴锅中恒温80℃，加热20min。然后将基体用去离子水冲洗，再快速吹干，对其进行称重，记录数值并将基体放入到酸洗液中除锈，时间为30s，最后将其放入浸渍液浸泡30s，取出后放入电镀液中进行电镀。电镀液中的主要成分及含量是焦磷酸钾(K₄P₂O₇·3H₂O)260g/L，焦磷酸铜(Cu₂P₂O₇)20g/L，酒石酸钾钠(KNaC₄H₄O₆·4H₂O)30g/L，锡酸钠(Na₂SnO₃·3H₂O)40g/L，硝酸钾(KNO₃)40g/L，柠檬酸钠(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)20g/L，纳米石墨溶胶67ml/L。设定工艺参数，电镀温度为40℃，机械搅拌转速为100r/min，pH值为9.5，电流形式为脉冲电流，电流密度为3.1A/dm²，占空比为40％，频率为4000Hz，电镀时间为60min。取出电镀后试件后立即用去离子水冲洗，然后放在酒精中进行超声清洗3min，重复此步骤四遍，快速吹干、称重、再放入酒精中超声清洗、快速吹干后立即放入封口袋中。就可以获得耐磨损、摩擦系数低、耐蚀性好的纳米Cu-Sn-石墨复合镀层。

然后用扫描电镜对纳米Cu-Sn-石墨复合镀层进行表面形貌分析，从图1中可以看出，镀层表面粒度分布均匀，无大面积团聚，无针孔汽泡等现象。图2为复合镀层的EDS能谱图，可知镀层中各元素的质量的分数分别为铜84.4％，锡8.89％，石墨4.88％。用销盘式摩擦磨损试验机(SFT-2M销盘式)测试看复合镀层的摩擦系数，在100g载荷下，镀层破损前系数稳定在0.119～0.143之间，可以看出其摩擦系数较低。

Claims

1.一种获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，其特征是：将通过电解法制备的纳米石墨溶胶加入到Cu-Sn镀液中制成Cu-Sn-石墨电镀液，将金属部件置于所述Cu-Sn-石墨电镀液中，在温度为35～45℃、搅拌转速为100～200r/min、pH值为9～10、电流形式为脉冲电流、电流密度为2～4A/dm²、占空比为30％～80％、频率为50～5000Hz的条件下电镀，得到含有铜、锡、石墨以及铜锡结晶产物的复合镀层。

2.根据权利要求1所述的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，其特征是：所述的Cu-Sn-石墨电镀液是由Cu-Sn镀液和通过电解法制备的纳米石墨溶胶组成，所述Cu-Sn镀液包括：焦磷酸钾230～270g/L、焦磷酸铜20～25g/L、酒石酸钾钠30～35g/L、锡酸钠40～60g/L、硝酸钾40～45g/L、柠檬酸钠20～25g/L，通过电解法制备的纳米石墨溶胶的含量为60～70ml/L。

3.根据权利要求2所述的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，其特征是：所述的Cu-Sn-石墨电镀液是的制备方法是：先将配制Cu-Sn镀液，将Cu-Sn镀液加热到40～80℃，保持恒温，然后缓慢加入电解法制备的纳米石墨溶胶。

4.根据权利要求1、2或3所述的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，其特征是：所述的复合镀层中各元素所占的质量百分比为铜80％～90％、锡4％～10％、石墨3％～6％。

5.根据权利要求4所述的获得纳米Cu-Sn-石墨复合镀层的方法，其特征是：所述的复合镀层的镀层厚度为5～100μm。

6.一种Cu-Sn-石墨电镀液，其特征是由Cu-Sn镀液和通过电解法制备的纳米石墨溶胶组成，所述Cu-Sn镀液包括：焦磷酸钾230～270g/L、焦磷酸铜20～25g/L、酒石酸钾钠30～35g/L、锡酸钠40～60g/L、硝酸钾40～45g/L、柠檬酸钠20～25g/L，通过电解法制备的纳米石墨溶胶的含量为60～70ml/L。