CN109023451A - 一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方及处理方法 - Google Patents

一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方及处理方法，电镀液配方为氨甲磺酸镍150‑650g/l、氯化钴1‑50g/l、硼酸15‑60g/l、纳米硫化钨镀浆2‑80g/l、硫酸铈0.5‑3g/l和1‑2‑3‑苯并三唑0.5‑3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40‑70纳米之间。本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，通过氨甲磺酸镍为主的电镀液，并添加纳米硫化钨镀浆形成电镀液，进行电镀后的镀层机械性能强，延展性、均匀性、耐蚀性能都得到了大幅度提高，达到耐磨减摩，延长使用寿命效果，具有良好的应用前景。

Description

一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方及处理方法
技术领域
本发明涉及机械零部件表面处理技术领域，具体涉及一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方及处理方法。
背景技术
随着建设节约型社会的要求，能耗过高已经成为制约我国经济发展的瓶颈。在工业生产中摩擦磨损是造成高能耗的一个重要原因；摩擦导致大量机械能的损耗，而磨损则是机械零件失效的重要原因。据统计，工业化国家能源的30%消耗于摩擦。对于一个高度工业化的国家，每年因摩擦磨损所造成的经济损失几乎占国民经济年产值的1-2%。在我国，磨损在汽车、拖拉机以及电力、采矿、建筑等行业造成的材料损耗的数量是巨大的。至于能源的消耗，仅据大庆油田的粗略估计，油田每年总能耗的1/3-1/2是因无功损耗而消耗掉的。因此现代工业生产的发展迫切需要机械零部件能在真空、高温、高负荷、无油等苛刻环境下具有良好的摩擦学性能（低的摩擦系数和低的磨损率）以降低生产能耗。
由于材料的摩擦与磨损均发生在材料表面，因此，改善机械零部件表面的摩擦性能是一种经济有效的技术手段。近年来，表面技术作为一种改善材料表面性能的方法受到人们的日益关注，从材料表面来研究，提高耐磨性能有两种途径：一是研究具有良好机械特性的表面改性材料及工艺手段；二是研究具有非金属性质的摩擦面(例如石墨、二硫化钨等)的摩擦磨损性能和应用方法。在力学性能的诸多指标中，与摩擦磨损关系最密切的性能参数是硬度，在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低，目前，对于提高材料表面硬度的研究已经取得了很多成果、，但是高硬度并不是影响耐磨性的唯一因素，高硬度往往会带来高的摩擦系数，耐磨而不减摩。单纯的减摩材料因其硬度不高，减摩不耐磨。从摩擦学的基本理论出发，要降低材料的摩擦系数和磨损率，就必须使材料的表面同时具有高硬度和低剪切强度。事实上很难获得这种性能的单一材料，这只能通过在高硬度的基质金属上镶嵌低剪切强度的非金属陶瓷材料的来实现。这种复合材料不仅要有利于降低材料的摩擦系数，而且还必须可以阻止材料表面微凸体与对偶件的直接接触，增大承载面积，使垂直于滑行方向的压应力和接触点处的正交切应力都降低，从而抑制接触区域萌生裂纹降低材料的磨损率。
目前，在保持零件母体材料原有性能的基础上，采用涂（镀）层技术在摩擦副表面制备高硬度、耐磨损的自润滑涂层，已成为摩擦学领域一个新的发展方向。这种技术具有三方面的优势：第一，机械零部件可采用价格低廉的普通碳钢作基体，降低了生产成本；第二，解决了固体润剂在使用过程中难以补充的难题，保证了固体润滑的长期有效；第三，可以对摩擦损伤部位进行涂层修复，实现了机械零部件的再制造。
而现有技术中，如专利公告号为：CN 201410820218.1的发明专利，其公开了一种活塞环采用镍钴硫化钨纳米晶合金电镀代替镀硬铬所使用的电镀液，电镀液各组份及含量如下：硫酸镍100-165g/l、硫酸钴80-136g/l、硼酸40-50g/l、氯化钾3-9g/l、纳米二硫化钨镀浆5-38g/l、光亮剂和糖精3-5g/l、润湿剂十二烷基硫酸钠0.3-0.7g/l、柠檬酸钠20g/l。
该工艺存在的问题：是因其使用的是传统的硫酸盐主盐体系，以及镀液中的糖精会引起内应力提高，镀层发脆现象，从而会影响镀层机械性能， 延展性, 均匀性。共沉积的材料-纳米硫化钨在镀层中含量偏低，影响纳米硫化钨在镀层中润滑功能性更好的发挥。
通过上述的描述，如何设计一种对机械零部件的表面处理方法，克服上述缺点，达到耐磨减摩，延长使用寿命效果，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中对机械零部件表面处理所存在的问题。本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，通过氨甲磺酸镍为主的电镀液，并添加纳米硫化钨镀浆形成电镀液，进行电镀后的镀层机械性能强， 延展性、 均匀性、耐蚀性能都得到了大幅度提高，达到耐磨减摩，延长使用寿命效果，具有良好的应用前景。
为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案如下：
一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，包括如下组分，且各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍210g/l、氯化钴30g/l、硼酸25g/l、纳米硫化钨镀浆29g/l、硫酸铈1.2g/l和1-2-3-苯并三唑1.5 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为50纳米。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍253g/l、氯化钴23g/l、硼酸33g/l、纳米硫化钨镀浆32g/l、硫酸铈1.8g/l、1-2-3-苯并三唑 1.2 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为65纳米。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍350g/l、氯化钴30g/l、硼酸35g/l、纳米硫化钨镀浆10g/l、硫酸铈1.5g/l、1-2-3-苯并三唑2g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为在40-70纳米之间。
一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，包括以下步骤，
步骤（A），配置电镀液，各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间，将配置好的电镀液在电镀槽内搅拌均匀；
步骤（B），对机械零部件进行镀前检验；
步骤（C），对电镀槽的阴极进行电解脱脂，水洗后通过盐酸酸洗，再次经过水洗后对阴极进行二次电解脱脂，再次进行水洗；
步骤（D），对机械零部件进行弱酸活化，然后进行水洗；
步骤（E），将步骤（D）处理后的机械零部件，放入步骤（A）装有电镀液的电镀槽内进行表面电镀，电镀工艺条件为：搅拌方式为连续过滤、超声波辅助分散；电镀液ph值保持在6.5-8之间；电镀液温度为55℃；电镀时间为8-45分钟；平均脉冲电流密度0.5-1.3A/dm2；平均脉冲电流频率为1200HZ；平均脉冲电流占空比为65％；
步骤（F），对完成电镀的机械零部件，进行水洗，并在离心机内进行脱水处理；
步骤（G），对脱水后的机械零部件进行烘干处理；
步骤（H），对烘干后的机械零部件进行去氢处理；
步骤（I），对去氢的机械零部件进行烘烤后，采用风冷进行冷却处理；
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍210g/l、氯化钴30g/l、硼酸25g/l、纳米硫化钨镀浆29g/l、硫酸铈1.2g/l和1-2-3-苯并三唑1.5 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为50纳米。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍253g/l、氯化钴23g/l、硼酸33g/l、纳米硫化钨镀浆32g/l、硫酸铈1.8g/l、1-2-3-苯并三唑 1.2 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为65纳米。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍350g/l、氯化钴30g/l、硼酸35g/l、纳米硫化钨镀浆10g/l、硫酸铈1.5g/l、1-2-3-苯并三唑2g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为在40-70纳米之间。
前述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，步骤（E），电镀槽的阳极为99．99％的电解镍制成。
本发明的有益效果是：本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，通过氨甲磺酸镍为主的电镀液，并添加纳米硫化钨镀浆形成电镀液，氨基磺酸镍镀液获得的镀层比硫酸镍镀液镀层内应力低，延展性更好，均匀性更佳，镀层机械性能更优良，而且，氨基磺酸镍镀液电流效率高，可节约电镀时间，提高生产效率，镀层结晶细致，均匀平滑，色泽光亮，镀层内应力低，延展性好，特别适用于功能性纳米复合电镀低应力镀层之要求，并且氨基磺酸镀液在无需任何添加剂情况下就能产生低应力镀层，达到耐磨减摩，延长使用寿命效果，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层处理方法的流程图；
图2是采用本发明配方的制成镀层的原子力显微镜（AFM）的效果示意图；
图3是采用传统配方的制成镀层的原子力显微镜（AFM）的效果示意图；
图4是采用本发明配方的制成镀层的场发射扫描电子显微镜（FESEM）的效果示意图；
图5是采用传统配方的制成镀层的场发射扫描电子显微镜（FESEM）的效果示意图；
图6是采用本发明配方的磨痕场发射扫描电子显微镜（FESEM）的效果示意图；
图7是采用传统配方的制成镀层的磨痕场发射扫描电子显微镜（FESEM）的效果示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，包括如下组分，且各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间，从而形成耐磨减摩延寿纳米镀层的电镀液配方，
本发明的氨基磺酸镍镀液获得的镀层比传统的硫酸镍镀液镀层内应力低，延展性更好，均匀性更佳，而且，镀层机械性能更优良；氨基磺酸镍镀液电流效率高，可节约电镀时间，提高生产效率，镀层结晶细致，均匀平滑，色泽光亮。镀层内应力低，延展性好，特别适用于功能性纳米复合电镀低应力镀层之要求，并且氨基磺酸镀液在无需任何添加剂情况下就能产生低应力镀层。
氨甲磺酸镍的分子式：Ni(NH2SO 3)2
而且，在电镀液中加入硫酸铈0.5-3g/l后，可以改善镀液的分散能力和深镀能力，提高电镀的电流效率，增加镀层的硬度和耐蚀性能。硫酸铈的加入同时起到了稳定镀液的作用，通过分析发现，硫酸铈的加入增大了镍钴硫化钨合金电沉积的阴极极化，并使获得的镀层的晶粒更加细小，均匀，致密，从而提高镀层的耐蚀性能。经对其实际使用性能的测试，其抗弯强度，硬度，冲击韧性均有较大幅度提高，孔隙率则有了明显降低。镀液中加入硫酸铈后，镀层与基体的结合强度明显提高。本发明机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方的第一实施例，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍210g/l、氯化钴30g/l、硼酸25g/l、纳米硫化钨镀浆29g/l、硫酸铈1.2g/l和1-2-3-苯并三唑1.5 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为50纳米，电镀形成的镀层中纳米硫化钨质量比提高百分之二十五，镀层润滑性能最佳。
本发明机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方的第二实施例，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍253g/l、氯化钴23g/l、硼酸33g/l、纳米硫化钨镀浆32g/l、硫酸铈1.8g/l、1-2-3-苯并三唑 1.2 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为65纳米，电镀形成的镀层硬度达到最高，镀层平整度最优
本发明机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方的第三实施例，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍350g/l、氯化钴30g/l、硼酸35g/l、纳米硫化钨镀浆10g/l、硫酸铈1.5g/l、1-2-3-苯并三唑2g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为在40-70纳米之间，电镀形成的镀层的摩擦磨损量最小，耐磨减摩最匹配。
本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，如图1所示，包括以下步骤，
步骤（A），配置电镀液，各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间，将配置好的电镀液在电镀槽内搅拌均匀，该电镀液通过需要，可对上述的第一到第三实施例的配方构成，形成对应的电镀液；
步骤（B），对机械零部件进行镀前检验；
步骤（C），对电镀槽的阴极进行电解脱脂，水洗后通过盐酸酸洗，再次经过水洗后对阴极进行二次电解脱脂，再次进行水洗；
步骤（D），对机械零部件进行弱酸活化，然后进行水洗；
步骤（E），将步骤（D）处理后的机械零部件，放入步骤（A）装有电镀液的电镀槽内进行表面电镀，电镀工艺条件为：搅拌方式为连续过滤、超声波辅助分散；电镀液ph值保持在6.5-8之间；电镀液温度为55℃；电镀时间为8-45分钟；平均脉冲电流密度0.5-1.3A/dm2；平均脉冲电流频率为1200HZ；平均脉冲电流占空比为65％；
步骤（F），对完成电镀的机械零部件，进行水洗，并在离心机内进行脱水处理；
步骤（G），对脱水后的机械零部件进行烘干处理；
步骤（H），对烘干后的机械零部件进行去氢处理；
步骤（I），对去氢的机械零部件进行烘烤后，采用风冷进行冷却处理；
优选的，步骤（E），电镀槽的阳极为99．99％的电解镍制成，电镀效果好，技能减排。
通过本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的配方及处理方法，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线衍射（XRD）技术对镀层进行了表征。纳米压痕、球盘摩擦仪、极化曲线、交流阻抗谱等方法对原有配方镀层和新配方镀层的机械性能、摩擦磨损性能及耐蚀性能进行了对比研究。新配方镀层耐蚀性、机械性能、摩擦磨损性能相比传统的配方镀层得到了相应提高。
其中，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM, Helios Nanolab 600i）对镀层的表面及截面形貌进行观察，采用原子力显微镜（AFM, Bruker Multimode 8）对镀层表面粗糙度进行分析；采用HIT-II型摩擦磨损实验机——球盘式接触（Center for Tribology, HIT,China）对镀层的摩擦磨损性能进行研究，并通过FESEM对磨痕的形貌特征进行观察
如图2及图3所示，AFM结果表明，新配方镀层比传统配方镀层更加平整；如图4、图5所示，FESEM结果表明新配方镀层比传统配方镀层镀层更加均匀、细密；采用FESEM对镀层的磨痕形貌进行了观察，原有配方磨痕表面沿滑动方向上布满凹槽和犁沟，同样摩擦磨损条件下，新配方则表现为相对较小的磨痕宽度和轻微的塑性形变，这表明新配方镀层摩擦磨损性能优于原有配方镀层，具体效果如6及图7所示，因此，新配方无论在镀层的晶粒细化作用方面，还是整平能力方面均优于传统的配方。
综上所述，本发明的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，通过氨甲磺酸镍为主的电镀液，并添加纳米硫化钨镀浆形成电镀液，氨基磺酸镍镀液获得的镀层比硫酸镍镀液镀层内应力低，延展性更好，均匀性更佳，镀层机械性能更优良，而且，氨基磺酸镍镀液电流效率高，可节约电镀时间，提高生产效率，镀层结晶细致，均匀平滑，色泽光亮，镀层内应力低，延展性好，特别适用于功能性纳米复合电镀低应力镀层之要求，并且氨基磺酸镀液在无需任何添加剂情况下就能产生低应力镀层，达到耐磨减摩，延长使用寿命效果，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本实用范围新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，其特征在于，包括如下组分，且各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间。
2.根据权利要求1所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，其特征在于，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍210g/l、氯化钴30g/l、硼酸25g/l、纳米硫化钨镀浆29g/l、硫酸铈1.2g/l和1-2-3-苯并三唑1.5 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为50纳米。
3.根据权利要求1所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，其特征在于，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍253g/l、氯化钴23g/l、硼酸33g/l、纳米硫化钨镀浆32g/l、硫酸铈1.8g/l、1-2-3-苯并三唑 1.2 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为65纳米。
4.根据权利要求1所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层配方，其特征在于，各组份及含量如下：氨甲磺酸镍350g/l、氯化钴30g/l、硼酸35g/l、纳米硫化钨镀浆10g/l、硫酸铈1.5g/l、1-2-3-苯并三唑2g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为在40-70纳米之间。
5.一种机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤（A），配置电镀液，各组份及含量如下：
氨甲磺酸镍150-650g/l、氯化钴1-50g/l、硼酸15-60g/l、纳米硫化钨镀浆2-80g/l、硫酸铈0.5-3g/l和1-2-3-苯并三唑0.5-3g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径在40-70纳米之间，将配置好的电镀液在电镀槽内搅拌均匀；
步骤（B），对机械零部件进行镀前检验；
步骤（C），对电镀槽的阴极进行电解脱脂，水洗后通过盐酸酸洗，再次经过水洗后对阴极进行二次电解脱脂，再次进行水洗；
步骤（D），对机械零部件进行弱酸活化，然后进行水洗；
步骤（E），将步骤（D）处理后的机械零部件，放入步骤（A）装有电镀液的电镀槽内进行表面电镀，电镀工艺条件为：搅拌方式为连续过滤、超声波辅助分散；电镀液ph值保持在6.5-8之间；电镀液温度为55℃；电镀时间为8-45分钟；平均脉冲电流密度0.5-1.3A/dm2；平均脉冲电流频率为1200HZ；平均脉冲电流占空比为65％；
步骤（F），对完成电镀的机械零部件，进行水洗，并在离心机内进行脱水处理；
步骤（G），对脱水后的机械零部件进行烘干处理；
步骤（H），对烘干后的机械零部件进行去氢处理；
步骤（I），对去氢的机械零部件进行烘烤后，采用风冷进行冷却处理；
步骤（J），成品检验，包装入库。
6.根据权利要求5所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，其特征在于，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍210g/l、氯化钴30g/l、硼酸25g/l、纳米硫化钨镀浆29g/l、硫酸铈1.2g/l和1-2-3-苯并三唑1.5 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为50纳米。
7.根据权利要求5所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，其特征在于，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍253g/l、氯化钴23g/l、硼酸33g/l、纳米硫化钨镀浆32g/l、硫酸铈1.8g/l、1-2-3-苯并三唑 1.2 g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为65纳米。
8.根据权利要求5所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，其特征在于，步骤（A），配置电镀液，各组份及含量具体如下：氨甲磺酸镍350g/l、氯化钴30g/l、硼酸35g/l、纳米硫化钨镀浆10g/l、硫酸铈1.5g/l、1-2-3-苯并三唑2g/l，该纳米硫化钨镀浆的片层状粒径为在40-70纳米之间。
9.根据权利要求5所述的机械零部件的耐磨减摩延寿纳米镀层的处理方法，其特征在于，步骤（E），电镀槽的阳极为99．99％的电解镍制成。
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