CN104862764A - 强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法 - Google Patents

强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法，镀液包括以下组分：NiSO4·6H2O 200-280g/L，NiCl2·6H2O 20-40g/L，H3BO310-30g/L，纳米金刚石1-64g/L，表面活性剂0.5-1g/L。将基底进行前处理，然后镀液中与阴极相连进行恒电流电沉积制备镍-纳米金刚石复合镀层。本发明提出了新的纳米金刚石复合镀层的制备工艺，发挥了纳米金刚石的优异特性，并将工艺参数、微观结构、宏观性能联系起来，对复合电沉积的影响机制研究具有一定的指导意义。镍-纳米金刚石复合镀层的晶粒尺寸更加细致平整，达到10nm左右；镀层内金刚石粒子复合含量达到30％，从而使复合镀层的硬度及耐磨性得到显著提升。

Description

强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种强韧化镀液及镀层的制备方法，特别涉及镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法。
背景技术
本方法是希望提供新的镀层强韧化制备方法，利用纳米金刚石微粒的高硬度、高耐磨性，通过恒电流电沉积方法制备出具有更高性能的镀层。
纳米金刚石硬度高达100GPa，弹性模量达到1141GPa，是自然界中存在的硬度最高，刚性最大的物质。由于它的高硬度、高耐磨特性，在工业上应用广泛。基于以上特性，我们提出采用复合电沉积的方法将纳米金刚石嵌入到镀层中，从而实现活塞的表面强韧化。与本申请相关的已有技术可以从两方面做阐述。
首先针对活塞的基体材料45钢，目前广泛采用的电镀铬技术发展比较成熟，通常以铬酐和硫酸作为镀液的主要成分，以不溶性铅作为阳极，电沉积过程中消耗的铬不能通过阳极溶解来补充，而且铬离子在镀液中分散能力比较差，电沉积制备效率很低，通常只有10％左右，且制备过程中会产生大量有害气体，性价比极低，以上缺点在一定程度上限制了铬镀层在表面强化领域的进一步发展。
目前代铬镀层的发展趋势加快，利用金刚石的高硬度、高耐磨特性，采用不同的分散方式及工艺条件制备出具有不同机械性能的镀层。专利CN201410341438中提出了一种纳米金刚石分散的方法，使用这种方法在不同介质中均能够得到稳定分散的金刚石。此专利重点研究了不同介质中的金刚石分散状况，但是对于如何将纳米金刚石离子最大限度地应用于基底强化没有研究；专利CN200910043380提出了一种在柔性基底上进行纳米金刚石复合电沉积的工艺，提高了基底的切削能力，对目前的柔性基底强化方式进行替代。此专利主要针对A3钢等柔性基底表面的金刚石电沉积工艺，对于刚性基体如45钢等的强化则没有研究。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种镍-纳米金刚石复合电沉积镀液及镀层的制备方法，克服现有技术中刚性基体的强韧化的问题。
本发明的技术方案是：一种强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液，包括以下组分：NiSO4·6H2O 200-280g/L，NiCl2·6H2O 20-40g/L，H3BO310-30g/L，纳米金刚石1-64g/L，表面活性剂0.5-1g/L。
所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或者阳离子表面活性剂或者二者混合。
所述阴离子表面活性剂为硫酸酯盐型，所述阳离子表面活性剂为季铵盐型。
一种纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，包括以下步骤：
(1)将基底进行前处理，然后放入权利要求1所述镀液中与阴极相连；
(2)进行恒电流电沉积制备镍-纳米金刚石复合镀层；
(3)电沉积后采用纯水清洗，然后冷风吹干。
所述步骤(1)基底前处理是指：首先使用60#、80#的刚玉砂轮依次进行打磨，然后依次使用粒度为300#、800#的海绵砂轮对其表面进行细磨抛光，直到钢片表面光洁无明显划痕，使用纯水冲洗干净，然后进行化学除油及电化学除油，最后放入10％盐酸中进行酸化10s，使用纯水冲洗干净。
所述步骤(1)基底材料为45钢。
所述步骤(2)电沉积过程中，采用10％H2SO4和NaOH调整PH至3-5。
所述步骤(2)电沉积前采用集热式恒温加热磁力搅拌器保持温度恒定，当镀液温度稳定30min后进行电沉积，电沉积温度为45-60℃。
所述步骤(2)电沉积机械搅拌：50-200r/min，超声搅拌：40KHz。
所述步骤(2)电沉积电流密度为3-6A/dm2。
根据以上的实验步骤进行不同工艺下的镀层制备，然后进行性能测试。采用SEM扫描电镜对镀层表面形貌进行分析，观察镀层晶粒大小是否均匀及纳米金刚石的分散情况；根据XRD可以得出不同工艺条件下镀层的择优取向及残余应力；采用Nano Indenter XP型纳米力学测试系统测试镀层的加载-位移曲线，计算得到复合镀层的硬度。利用摩擦磨损试验机评价镀层在干摩擦往复滑动条件下的摩擦磨损性能。通过以上的性能测试结果，从而确定出具有最优性能的复合镀层的电沉积工艺参数。
本发明的有益效果是：本发明提出了新的纳米金刚石复合镀层的制备工艺，发挥了纳米金刚石的优异特性，并将工艺参数、微观结构、宏观性能联系起来，对复合电沉积的影响机制研究具有一定的指导意义。镍-纳米金刚石复合镀层的晶粒尺寸更加细致平整，达到10nm左右；镀层内金刚石粒子复合含量达到30％，从而使复合镀层的硬度及耐磨性得到显著提升，对于代铬镀层的发展起到很大的促进作用。
附图说明
图1是电沉积装置示意图；
图2是极化曲线测试装置图；
图3是镍-纳米金刚石复合镀层的XRD图谱；
图4是镍-纳米金刚石复合镀层的纳米硬度值；
图5是镍-纳米金刚石复合镀层的表面形貌及能谱分析；
其中：1-集热式恒温加热磁力搅拌器；2-电镀槽；3-磁子；4-阴极：45钢基体；5-阳极：铂网；6-参比电极；7-辅助电极；8-研究电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步详细的说明。
实施例1
(1)将240gNiSO4·6H2O，20gNiCl2·6H2O溶于去离子水，将20g H3BO3溶于去离子水，然后将两者混合，将16g纳米金刚石粒子加入溶液中，最后加入阴离子表面活性剂SDS0.4g，阳离子表面活性剂CTAB0.4g，定容至1L作为电沉积液。
(2)将45钢进行机械抛光，使用60#、80#的刚玉砂轮进行打磨，然后使用粒度为300#、800#的海绵砂轮抛光，表面粗糙度达到0.2μm。然后进行化学除油、电化学除油、酸化，然后电沉积。采用工艺参数为电流密度4A/dm2，温度45℃，PH4.5,机械搅拌100r/min，超声搅拌频率为40KHz，沉积时间为36min。
(3)电沉积后采用纯水清洗，然后冷风吹干。
(4)采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪等测试镀层性能。获得的镍-纳米金刚石复合镀层硬度为8.3GPa，金刚石粒子含量达到30％，镀层残余应力为128MPa，晶粒尺寸减小为10nm。
实施例2
(1)将200gNiSO4·6H2O，20gNiCl2·6H2O溶于去离子水，将10g H3BO3溶于去离子水，然后将两者混合，将1g纳米金刚石粒子加入溶液中，最后加入阴离子表面活性剂SDS0.8g，，定容至1L作为电沉积液。
(2)将45钢进行机械抛光，使用60#、80#的刚玉砂轮进行打磨，然后使用粒度为300#、800#的海绵砂轮抛光，表面粗糙度达到0.2μm。然后进行化学除油、电化学除油、酸化，然后电沉积。采用工艺参数为电流密度3A/dm2，温度45℃，PH3,机械搅拌50r/min，超声搅拌频率为40KHz，沉积时间为48min。
(3)电沉积后采用纯水清洗，然后冷风吹干。
(4)采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪等测试镀层性能。获得的镍-纳米金刚石复合镀层硬度为4.7GPa，金刚石粒子含量达到5.78％，镀层残余应力为102.56MPa，晶粒尺寸为24.5nm。
实施例3
(1)将280gNiSO4·6H2O，40gNiCl2·6H2O溶于去离子水，将30g H3BO3溶于去离子水，然后将两者混合，将64g纳米金刚石粒子加入溶液中，最后加入阳离子表面活性剂CTAB0.8g，定容至1L作为电沉积液。
(2)将45钢进行机械抛光，使用60#、80#的刚玉砂轮进行打磨，然后使用粒度为300#、800#的海绵砂轮抛光，表面粗糙度达到0.2μm。然后进行化学除油、电化学除油、酸化，然后电沉积。采用工艺参数为电流密度6A/dm2，温度60℃，PH5,机械搅拌200r/min，超声搅拌频率为40KHz，沉积时间为24min。
(3)电沉积后采用纯水清洗，然后冷风吹干。
(4)采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪等测试镀层性能。获得的镍-纳米金刚石复合镀层硬度为5.6GPa，金刚石粒子含量达到8.27％，镀层残余应力为163MPa，晶粒尺寸为18.7nm。实验时需注意以下几点：
(1)每次试验均要采用新配制的的镀液，以保持试验结果的准确性。
(2)阴极与阳极要保持平行相对，保证电流密度的均匀性。
(3)电沉积过程中保持镀液PH稳定，温度、电流、搅拌速度均保持实验设定值不变。
(4)进行性能测试时，注意不要破坏表面薄膜。
以上参照附图和实施例，对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的普通技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各部件的设置方式均可能发生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出多种形式的相似设计。需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变及其相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液，其特征在于，包括以下组分：NiSO4·6H2O200-280g/L，NiCl2·6H2O 20-40g/L，H3BO3 10-30g/L，纳米金刚石1-64g/L，表面活性剂0.5-1g/L。
2.根据权利要求1所述强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或者阳离子表面活性剂或者二者混合。
3.根据权利要求2所述强韧化镍-纳米金刚石复合电沉积镀液，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为硫酸酯盐型，所述阳离子表面活性剂为季铵盐型。
4.一种纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将基底进行前处理，然后放入权利要求1所述镀液中与阴极相连；
(2)进行恒电流电沉积制备镍-纳米金刚石复合镀层；
(3)电沉积后采用纯水清洗，然后冷风吹干。
5.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(1)基底前处理是指：首先使用60#、80#的刚玉砂轮依次进行打磨，然后依次使用粒度为300#、800#的海绵砂轮对其表面进行细磨抛光，直到钢片表面光洁无明显划痕，使用纯水冲洗干净，然后进行化学除油及电化学除油，最后放入10％盐酸中进行酸化10s，使用纯水冲洗干净。
6.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(1)基底材料为45钢。
7.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(2)电沉积过程中，采用10％H2SO4和NaOH调整PH至3-5。
8.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(2)电沉积前采用集热式恒温加热磁力搅拌器保持温度恒定，当镀液温度稳定30min后进行电沉积，电沉积温度为45-60℃。
9.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(2)电沉积机械搅拌：50-200r/min，超声搅拌：40KHz。
10.根据权利要求4所述纳米金刚石复合镀层强韧化电沉积制备方法，其特征在于，所述步骤(2)电沉积电流密度为3-6A/dm2。
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