CN108588692A - 一种二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用，所述镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。将表面清洁的待镀工件放入化学镀液中进行化学镀覆处理，得到经过化学镀覆处理的镀态工件；再对该镀态工件进行表面热处理，从而即可制成所述的二元复合结构镍硼合金镀层。本发明不仅具有极佳散热性能、良好耐磨损能力和较低摩擦系数，而且附着力好、不易剥落、成本低廉、加工工序简单、无污染、可工程化实现，能够有效提高零部件的服役性能，延长使用寿命，可用于高速切削工具或速射武器的表面强化处理。

Description

一种二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用。

背景技术

目前，高速切削工具的锯片、刀刃等零部件以及速射武器的活塞、调节器、发射管等零部件的表面通常会采用镀铬处理或黑色磷化处理，来提高基体材料的耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能，但是镀铬处理所形成的硬铬镀层存在脆性高、散热性能差、易剥落、造价高、加工工序复杂、环境污染严重等问题，而黑色磷化处理所形成的磷化镀层在散热性、耐磨、耐高温、耐腐蚀等方面的性能均明显低于硬铬镀层，而且该磷化镀层还易出现膜层厚度不均匀、发花、白斑、瑕疵等问题。

发明内容

为了解决现有技术中零部件表面镀层存在的脆性高、散热性能差、易剥落、造价高、加工工序复杂、环境污染严重等技术问题，本发明提供了一种二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用，不仅具有极佳散热性能、良好耐磨损能力和较低摩擦系数，而且附着力好、不易剥落、成本低廉、加工工序简单、无污染、可工程化实现，能够有效提高零部件的服役性能，延长使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种二元复合结构镍硼合金镀层，所述镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。

优选地，所述涡胞状结构单元的表面分布着很多绒毛状结构单元。

优选地，所述二元复合结构镍硼合金镀层的膜厚为10～100微米。

一种二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法，包括以下步骤：

步骤A、将表面清洁的待镀工件放入化学镀液中进行化学镀覆处理，并通过恒温水浴控制镀覆温度，化学镀覆的条件为：pH值为13～14、镀覆温度为85～95℃、镀覆时间为1～5h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件；

其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤B、对所述经过化学镀覆处理的镀态工件进行表面热处理，并控制热处理温度为350～450℃、热处理时间为1～2h，从而制成上述的二元复合结构镍硼合金镀层。

优选地，对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥的表面前处理，从而制得表面清洁的待镀工件。

优选地，在进行化学镀覆处理过程中，对化学镀液进行磁力搅拌。

优选地，所述二元复合结构镍硼合金镀层的膜厚为10～100微米。

一种二元复合结构镍硼合金镀层的应用，将上述的二元复合结构镍硼合金镀层用于高速切削工具或速射武器的表面强化处理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶的形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶的形貌为纳米量级的绒毛状结构单元；这种特殊微观形貌结构使得该二元复合结构镍硼合金镀层的实际散热面积远大于基体材料表面，因此该二元复合结构镍硼合金镀层具有极佳的散热性能，能够快速降低基体材料的表面温度，例如：若将该二元复合结构镍硼合金镀层用于对速射武器的发射管进行表面强化处理，那么能够有效解决速射武器发射管的散热问题；同时，这种特殊微观形貌结构还能有效减少摩擦面之间的实际接触面积，从而使得该二元复合结构镍硼合金镀层具有较低的摩擦系数和良好耐磨损能力，可以有效缓解相对滑动部件之间的摩擦与磨损，例如：若将该二元复合结构镍硼合金镀层用于对速射武器的发射管与弹丸进行表面强化处理，那么能够有效缓解发射管与弹丸之间的摩擦与磨损。此外，这种二元复合结构镍硼合金镀层的附着力好、不易剥落，可以用于高速切削工具的锯片、刀刃等零部件的表面强化处理，也可以用于解决轻武器、小口径火炮等速射武器的散热及磨损问题。本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法加工工序简单、无污染、成本低廉、具有普遍适应性、可工程化推广，可作为对高速切削工具和速射武器关重件进行表面强化处理技术的工程化手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例1中二元复合结构镍硼合金镀层表面宏观图片及纵剖面金相图。

图2为本发明实施例1中二元复合结构镍硼合金镀层的微观形貌结构显微图片。

图3为本发明实施例中二元复合结构镍硼合金镀层的化学镀覆装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

一种二元复合结构镍硼合金镀层，所述镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。

其中，所述具有微、纳二元复合的微观形貌结构是菜花状的分型结构，其一阶形貌是用显微镜观察到的微米尺寸的形貌，即为微米量级的涡胞状结构单元；其二阶形貌是用放大倍数更高的显微镜观察到的纳米尺寸的形貌，即用放大倍数更高的显微镜对涡胞状结构单元进行观察，发现涡胞状结构单元的表面并不是光滑的，而是分布着纳米量级的绒毛状结构，这种纳米量级的绒毛状结构单元就是二阶形貌。二阶形貌是分布在一阶形貌表面的，即涡胞状结构单元的表面分布着很多绒毛状结构单元。所述二元复合结构镍硼合金镀层的膜厚最好为10～100微米，可用于速射武器发射管以及高速切削工具的表面强化处理。

具体地，如图3所示，该二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法可包括以下步骤：

步骤a、对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥处理，制得表面清洁的待镀工件。

步骤b、将表面清洁的待镀工件放入化学镀液中进行化学镀覆处理，并通过磁力搅拌基座和磁力搅拌磁子的作用对化学镀液进行磁力搅拌，同时通过恒温水浴控制镀覆温度，化学镀覆的条件为：pH值为13～14、镀覆温度为85～95℃、镀覆时间为1～5h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件；

其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤c、对所述经过化学镀覆处理的镀态工件进行表面热处理，并控制热处理温度为350～450℃、热处理时间为1～2h，从而即可制成膜厚为10～100微米的二元复合结构镍硼合金镀层。

与现有技术相比，本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层至少具有以下优点：

(1)在现有技术中，人们可以通过化学镀或者电镀来制备镍硼合金镀层，但主要的关注方向是通过调整镍、硼元素的含量或控制金相结构(例如：是晶体结构还是非晶体结构)等手段来改善镍硼合金镀层的耐磨损性能、机械强度和镀层附着力；而本发明创造性地提出从控制镀层微观形貌结构的角度来提高镀层的散热性能和耐磨损性能。

(2)本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶的形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶的形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。这种特殊微观形貌结构使得该二元复合结构镍硼合金镀层的实际散热面积远大于基体材料(例如：基体材料可以为普通金属)表面，因此该二元复合结构镍硼合金镀层具有极佳的散热性能，能够快速降低基体材料的表面温度，例如：若将该二元复合结构镍硼合金镀层用于对速射武器的发射管进行表面强化处理，那么能够有效解决速射武器发射管的散热问题；同时，这种特殊微观形貌结构还能有效减少摩擦面之间的实际接触面积，从而使得该二元复合结构镍硼合金镀层具有较低的摩擦系数和良好耐磨损能力，可以有效缓解相对滑动部件之间的摩擦与磨损，例如：若将该二元复合结构镍硼合金镀层用于对速射武器的发射管与弹丸进行表面强化处理，那么能够有效缓解发射管与弹丸之间的摩擦与磨损。

(3)本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层具有极佳散热性能、良好耐磨损能力和较低摩擦系数，而且附着力好、不易剥落，因此可以用于高速切削工具的锯片、刀刃等零部件的表面强化处理，也可以广泛用于解决轻武器、小口径火炮等速射武器的散热及磨损问题，从而有效提高速射武器关重件(例如：活塞、调节器、发射管等)乃至整个枪械的服役性能和寿命。

(4)本发明所提供的二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法采用了化学镀覆与热处理相结合的工艺，并通过对化学镀过程中化学镀液的组分配比、PH值、镀覆温度、镀覆时间以及热处理温度和热处理时间进行控制，从而制备出散热性能极佳的上述二元复合结构镍硼合金镀层；该制备方法的加工工序简单、无环境污染、成本低廉、具有普遍适应性、可工程化推广，可作为高速切削工具和速射武器关重件的表面强化处理技术的新型工程化实现手段。

综上可见，本发明实施例不仅具有极佳散热性能、良好耐磨损能力和较低摩擦系数，而且附着力好、不易剥落、成本低廉、加工工序简单、无污染、可工程化实现，能够有效提高零部件的服役性能，延长使用寿命。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明提供的二元复合结构镍硼合金镀层及其制备方法与应用进行详细描述。

实施例1

以80mm×40mm×5mm的不锈钢材质平板样品作为待镀工件，在该待镀工件表面制备二元复合结构镍硼合金镀层，其具体制备方法可包括以下步骤：

步骤a1、对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥处理，制得表面清洁的待镀工件。

步骤b1、将表面清洁的待镀工件放入pH值为13的化学镀液中进行化学镀覆处理，并对化学镀液进行磁力搅拌，以消除化学镀液的浓差极化，均匀溶液成分，提高镀层均匀度，同时通过恒温水浴控制镀覆温度为90±1℃、镀覆时间为1h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件。其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤c1、将所述经过化学镀覆处理的镀态工件放入真空炉中进行表面热处理，并控制热处理温度为400℃、热处理时间为1h，从而在不锈钢材质平板样品表面制备出二元复合结构镍硼合金镀层。

具体地，对本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层进行以下检测：

(1)分别采用白光干涉三维形貌仪、原子力显微镜和扫描电子显微镜对本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层进行表面微观形貌的测量和分析，从而可以得到如图1所示的镀层表面宏观图片及纵剖面金相图和如图2所示的微观形貌结构显微图片。由图1和图2可以看出：本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层具有微、纳两个尺度的微观形貌结构，其一阶的形貌为微米量级的涡胞状结构单元，且涡胞状结构单元的直径为5～25μm、高度为0.3～1.5μm，其二阶的形貌为纳米量级的绒毛状结构单元，且绒毛状结构单元的直径为5～15nm、高度为20～100nm，因此本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的镀层确实是二元复合结构镍硼合金镀层。

(2)采用膜厚测量仪测定出本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层的厚度为16.7μm。冲击及划痕试验结果表明：本发明实施例1中不锈钢材质平板样品表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层具有良好的附着力，不易剥落。在UMT摩擦磨损试验机上的测试结果表明：与具有常规光滑表面的不锈钢样品相比，本发明实施例1中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的不锈钢材质平板样品在同等工况下的磨损量减为原来的37％，即耐磨性能提高约2倍，摩擦系数降为原来的84％。

实施例2

以用于切削红橡木的Ф180mm×1.1mm的圆锯片作为待镀工件，在该待镀工件表面制备二元复合结构镍硼合金镀层，其具体制备方法可包括以下步骤：

步骤a2、对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥处理，制得表面清洁的待镀工件。

步骤b2、将表面清洁的待镀工件放入pH值为14的化学镀液中进行化学镀覆处理，并对化学镀液进行磁力搅拌，以消除化学镀液的浓差极化，均匀溶液成分，提高镀层均匀度，同时通过恒温水浴控制镀覆温度为85±1℃、镀覆时间为3.5h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件。其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤c2、将所述经过化学镀覆处理的镀态工件放入真空炉中进行表面热处理，并控制热处理温度为450℃、热处理时间为2h，从而在圆锯片表面制备出二元复合结构镍硼合金镀层。

具体地，对本发明实施例2中圆锯片表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层进行以下检测：

(1)测定本发明实施例2中圆锯片表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层的表面微观形貌，从而得出本发明实施例2中圆锯片表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层的厚度为78.3μm。

(2)采用本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片与现有技术中未镀覆镀层的相同规格圆锯片在同等工况下进行切削对比试验。结果表明：未镀覆镀层的相同规格圆锯片在间断性切削累计线性长度达到1440m时，发生失效；而本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片在间断性切削累计线性长度超过3000m后，仍未失效。可见，本发明实施例2中在圆锯片表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层具有良好的耐磨性能。

(3)将本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片与现有技术中未镀覆镀层的相同规格圆锯片在同等工况下进行连续性切削对比试验。试验结果表明：未镀覆镀层的相同规格圆锯片在连续性切削线性长度为360m时圆锯片表面温度为125℃，在连续性切削长度为480m时圆锯片表面温度达到174.7℃，由于温度过高，需要停止工作冷却后才能继续切削；而本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片在连续性切削线性长度为240m时的圆锯片表面温度为89.4℃，在连续性切削线性长度为840m时的圆锯片表面温度为90.6℃，在连续性切削线性长度为960m时圆锯片才因其表面温度达到176.7℃而停止工作进行冷却。也就是说，达到相同的失效表面温度时，本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片连续性切削长度是未镀覆镀层的相同规格圆锯片的2倍；在相同连续性切削长度时，本发明实施例2中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的圆锯片表面温度平均降低40℃左右，功率消耗由原来的0.664kW减少为0.351kW。可见，本发明实施例2中在圆锯片表面镀覆的二元复合结构镍硼合金镀层具有极佳的散热性能和较低的表面摩擦系数。

实施例3

以某型号机枪的枪栓、枪管、扳机等机枪关重件作为待镀工件，在该待镀工件表面制备二元复合结构镍硼合金镀层，其具体制备方法可包括以下步骤：

步骤a3、对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥处理，制得表面清洁的待镀工件。

步骤b3、将表面清洁的待镀工件放入pH值为14的化学镀液中进行化学镀覆处理，并对化学镀液进行磁力搅拌，以消除化学镀液的浓差极化，均匀溶液成分，提高镀层均匀度，同时通过恒温水浴控制镀覆温度为95±1℃、镀覆时间为2h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件。其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤c3、将所述经过化学镀覆处理的镀态工件放入真空炉中进行表面热处理，并控制热处理温度为450℃、热处理时间为1.5h，从而在机枪关重件表面制备出二元复合结构镍硼合金镀层。

具体地，将经过本发明实施例3中表面镀覆有二元复合结构镍硼合金镀层的机枪关重件装配在试验机枪上，并在没有使用任何润滑剂的条件下使用试验机枪发射15000发枪弹。试验过程中没有发生任何中断和故障，在射击结束后，对拆解机枪关重件进行观察，发现机枪关重件的表面仅有极少量污垢，且极易清除。

综上可见，本发明实施例不仅具有极佳散热性能、良好耐磨损能力和较低摩擦系数，而且附着力好、不易剥落、成本低廉、加工工序简单、无污染、可工程化实现，能够有效提高零部件的服役性能，延长使用寿命。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种二元复合结构镍硼合金镀层，其特征在于，所述镍硼合金镀层具有微、纳二元复合的微观形貌结构，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。

2.根据权利要求1所述的二元复合结构镍硼合金镀层，其特征在于，所述涡胞状结构单元的表面分布着很多绒毛状结构单元。

3.根据权利要求1所述的二元复合结构镍硼合金镀层，其特征在于，所述二元复合结构镍硼合金镀层的膜厚为10～100微米。

4.一种二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将表面清洁的待镀工件放入化学镀液中进行化学镀覆处理，并通过恒温水浴控制镀覆温度，化学镀覆的条件为：pH值为13～14、镀覆温度为85～95℃、镀覆时间为1～5h，从而得到经过化学镀覆处理的镀态工件；

其中，所述化学镀液包含以下重量份的各组分：

步骤B、对所述经过化学镀覆处理的镀态工件进行表面热处理，并控制热处理温度为350～450℃、热处理时间为1～2h，从而制成上述权利要求1至3中任一项所述的二元复合结构镍硼合金镀层。

5.根据权利要求4所述的二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法，其特征在于，对待镀工件进行除油、超声清洗和干燥的表面前处理，从而制得表面清洁的待镀工件。

6.根据权利要求4或5所述二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法，其特征在于，在进行化学镀覆处理过程中，对化学镀液进行磁力搅拌。

7.根据权利要求4或5所述二元复合结构镍硼合金镀层的制备方法，其特征在于，所述二元复合结构镍硼合金镀层的膜厚为10～100微米。

8.一种二元复合结构镍硼合金镀层的应用，其特征在于，将上述权利要求1至3中任一项所述的二元复合结构镍硼合金镀层用于高速切削工具或速射武器的表面强化处理。