CN109652845A - 一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，包括：(1)将铬酐加入到石墨烯溶液中，随后加入浓硫酸和双氧水，得到电镀溶液；(2)对待镀零件表面进行除油和酸洗，随后进行电镀，最后进行风干和除氢，在零件表面得到石墨烯增强铬基复合镀层。本发明无需专用操作设备、成本低、操作环境宽松；相对已有的镀铬技术而言，由于石墨烯的引入其耐磨减摩性能得到了进一步的提高，具有良好的应用前景。

Description

一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法
技术领域
本发明属于纳米复合镀层领域，特别涉及一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，导电零部件已经广泛应用在各种生产领域，微米级的复合镀层已经不能满足人们的需要。美、英等国家今年来对各自国家摩擦学状况的调查结果表明：由于材料磨损失效所造成的损失估计每年都在上千亿。
纳米复合镀层具有优异的性能，相比普通材料而言具有更高的耐磨性、硬度、耐腐蚀性。有效提高零部件表面的耐磨性能，便能有效提高零件的使用寿命和工作可靠性，进而提高工业生产的经济效益。
目前已有的利用电沉积技术提高导电零部件表面耐磨性能的方法为在零件表面电沉积一层耐磨材料，例如在导电零部件表面镀镍、镀铬等。还可以向已有的电镀技术中添加第二相粒子，例如往镀铬溶液中添加金刚石、SiC、陶瓷等硬质材料，可以在原有镀镍、镀铬的基础上提高镀层的硬度，进而增强零部件的耐磨性。然而硬质材料的加入虽然能够提高镀层的硬度与耐磨性，但同样也会给零部件带来损坏。
专利文献(公开号CN102021621B)，公开了一种不锈钢导电辊镀铬方法，用配制的削峰去毛刺液将毛化时形成的废边，碎屑溶解掉，然后将经纯水清洗后将导电辊安放在水平镀的镀铬槽内进行电镀。其缺点在于，减摩耐磨性能有待于进一步提高。
石墨烯自从被人类发现以来，由于其所具有的独特的性能，例如比表面积大、热导率高、强度高、韧性大等特点，而迅速成为国内为许多科学家研究的热点。其独特的力学性能，如抗拉强度为125GPa，以及单层石墨稀的刚度达到0.25TPa，加之石墨烯片层之间的剪切力很小。因此石墨烯在耐磨减摩方面具有很大的发展潜力。
专利文献(公开号CN103695877A)公开了一种高耐磨耐腐蚀碳纳米管/石墨烯增强镍基复合镀层的制备方法，将碳纳米管/氧化石墨烯按质量比例1:1～10:1称取碳纳米管与氧化石墨烯并加入到500ml的去离子水中，搅拌超声2h，制得碳纳米管氧化石墨烯溶液。然后将上述溶液按照一定的比例加入到镀镍磷基础液中，在一定pH值，一定温度下对45#钢进行施镀。最后将上述复合镀层洗涤、烘干、并在氮氢混合气体中以400℃的温度处理1h，得到碳纳米管/石墨烯增强镍磷基复合镀层。该发明制备的复合镀层的耐磨性和耐蚀性高于镍磷镀层3～5倍。
由于石墨烯是纳米级材料，在范德华力的作用下，极易团聚，很难分散。因此要发挥石墨烯优异的性能，使石墨烯均匀分散是一个必须要解决的问题。传统的方法是加入表面活性剂，以提高石墨烯在镀液中的分散性能。但是活性剂的加入会使镀层及基底之间的结合力降低，并且在电镀过程中容易产生针孔或者孔洞等现象。进而影响复合镀层的形貌与质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，该方法相对已有的镀铬技术而言，由于石墨烯的引入其耐磨减摩性能得到了进一步的提高。
本发明提供了一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，包括：
(1)将铬酐加入到石墨烯溶液中，随后加入浓硫酸和双氧水，得到电镀溶液；电镀溶液中石墨烯的浓度为0.025～0.1g/L，铬酐的浓度为180～200g/L，浓硫酸的浓度为1～2g/L，双氧水的浓度为1～2ml/L；
(2)对待镀零件表面进行除油和酸洗，随后进行电镀，最后进行风干和除氢，在零件表面得到石墨烯增强铬基复合镀层。
所述步骤(1)中的浓硫酸的质量分数为98％；双氧水的质量分数为30％。
所述步骤(1)中的电镀溶液在电镀前进行超声。
所述步骤(2)中的除油工艺为先后经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗。
所述步骤(2)中的酸洗工艺为将待镀零件的待镀面在稀盐酸中浸泡。
所述步骤(2)中的除氢工艺为：将镀有复合镀层的零件放入管式炉中，对管式炉进行反复抽真空，每次抽到真空度为-0.1MPa；然后设置程序使管式炉以5℃/min的升温速度进行升温，并在温度为200℃时将温度保持3h，最后以10℃/min的速度进行降温，待温度将到常温时将零件取出。
相对而言，其他金属更容易提高摩擦磨损性能，而铬涂层的耐磨减摩性能要提高则比较难。本发明利用石墨烯独特的力学性能，如抗拉强度为125GPa，以及单层石墨稀的刚度达到0.25TPa，加之石墨烯片层之间的剪切力很小。因此石墨烯在耐磨减摩方面具有很大的发展潜力。本发明采用石墨烯，将其与六价铬电镀工艺进行结合，并配以独特的电镀溶液配方，进行铬/石墨烯复合电镀。引入石墨烯的复合电镀工艺相对于纯镀铬工艺而言其在耐磨减摩方面具有更加优异的性能，将其引入到导电零件表面能够进一步提高零件表面的耐磨减摩性能，进而提高零件的使用寿命。
有益效果
本发明无需专用操作设备、成本低、操作环境宽松；相对已有的镀铬技术而言，由于石墨烯的引入其耐磨减摩性能得到了进一步的提高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电镀装置示意图；其中，1为磁力搅拌器，2为热电偶，3为电镀阳极，4为镀液，5为待镀零件，6为水浴槽，7为磁力搅拌转子。
图2为不同电流密度条件下纯铬层及石墨烯增强铬基复合镀层的摩擦系数。
图3为不同电流密度条件下纯铬层及石墨烯增强铬基复合镀层的磨损量。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)配制电镀溶液
①电子天平分别称取质量为20mg、40mg、60mg、80mg的石墨烯，然后将其分别加入到800ml的去离子水中，然后搅拌超声2h，制备分散均匀的石墨烯溶液；
②将上述石墨烯溶液在磁力搅拌器上搅拌并加热到60℃。
③用电子天平称量180g的CrO3，让后将称量好的CrO3加入到上述用去离子水稀释好的含有石墨烯的溶液中，然后加入去离子水使溶液达到1L。
④向上述溶液中以细流方式按每升溶液中加入1mL质量分数为98％的H2SO4加入浓硫酸，并搅拌1h
⑤最后向上述溶液中以按每升溶液中加入1.67mL质量分数为30％的H2O2加入双氧水。
为了使电镀溶液中石墨烯分散均匀，将待镀溶液在功率为500W的超声机中进行超声1h。
(2)对待镀零件表面进行除油、酸洗
除油：其目的是除去零件表面存在的油污、有机物以及灰尘等。
①将零件在丙酮溶液中超声清洗10min，然后用去离子水冲洗，并在超净工作台中风干；
②将零件在无水乙醇溶液中超声清洗10min，然后用去离子水冲洗，并在超净工作台中风干；
③将零件在去离子水溶液中超声清洗10min，然后用去离子水冲洗，并在超净工作台中风干。
酸洗：将质量分数为37％的浓HCl按照1:5进行稀释，然后将待镀零件的待镀面在1:5的稀盐酸中浸泡3min，以出去零件表面的氧化层。
(3)电镀
电镀时电镀阳极3选用纯铅板，待镀零件5作为阴极，并用温控磁力搅拌器1通过热电偶2对水浴槽6进行加热，进而对镀液4进行恒水浴加热，并通过磁力搅拌转子7对镀液进行搅拌。通电后应该首先对待镀零件进行阴极活化处理，即将零件在小电流密度条件下进行阴极活化2min。然后以2倍的正常电流密度的电流进行冲击电镀2min，以提高镀层与基底之间的结合力。最后将电流调至转入正常的电流进行电镀。当接通电源后，镀液中的铬金属离子与石墨烯在电场力的作用下向着阴极导电零件表面运动，到达零件表面时金属铬离子在零件表面得到电子被还原成金属铬离子与石墨烯共沉积在待镀零件表面，在待镀零件表面均匀的镀上一层铬/石墨烯复合镀层。
(4)将镀有复合镀层的零件用去离子水进行冲洗，并在超净工作台中风干。风干完成后需要对镀好的零件进行除氢。除氢工艺为：
①将镀有复合镀层的零件放入管式炉中，对管式炉进行反复抽真空(5次)，每次抽到真空度为-0.1MPa，每次抽完后填充的都是高纯氩气第五抽完之后使氩气的流量为0.1L/min。
②然后设置程序使管式炉以5℃/min的升温速度进行升温，并在温度为200℃时将温度保持3h，最后以10℃/min的速度进行降温，待温度将到常温时将零件取出。
性能测试：
由图2可知，石墨烯增强铬基复合镀层的摩擦系数明显较低，这表明复合镀层有明显的减摩效果。石墨烯增强铬基复合镀层的摩擦系数均比纯铬层低，最高提高了7％左右，这表明石墨烯对镀层起到了良好的减摩效果。
由图3可知，纯铬层与石墨烯增强铬基复合镀层的磨损量随着电流密度的提高呈现下降的变化趋势，石墨烯增强铬基复合镀层的磨损量均比纯铬层低，这表明石墨烯对镀层的耐磨性起到了良好的强化作用，最大耐磨性能提高25％左右。

Claims (6)

1.一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，包括：
(1)将铬酐加入到石墨烯溶液中，随后加入浓硫酸和双氧水，得到电镀溶液；电镀溶液中石墨烯的浓度为0.025～0.1g/L，铬酐的浓度为180～200g/L，浓硫酸的浓度为1～2g/L，双氧水的浓度为1～2ml/L；
(2)对待镀零件表面进行除油和酸洗，随后进行电镀，最后进行风干和除氢，在零件表面得到石墨烯增强铬基复合镀层。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的浓硫酸的质量分数为98％；双氧水的质量分数为30％。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的电镀溶液在电镀前进行超声。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的除油工艺为先后经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的酸洗工艺为将待镀零件的待镀面在稀盐酸中浸泡。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铬基复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的除氢工艺为：将镀有复合镀层的零件放入管式炉中，对管式炉进行反复抽真空，每次抽到真空度为-0.1MPa；然后设置程序使管式炉以5℃/min的升温速度进行升温，并在温度为200℃时将温度保持3h，最后以10℃/min的速度进行降温，待温度将到常温时将零件取出。
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CN115787002A (zh) * 2021-09-10 2023-03-14 东华大学 一种石墨烯增强金属/合金复合材料及其制备方法

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