CN113430621A

CN113430621A - 一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法

Info

Publication number: CN113430621A
Application number: CN202110711638.6A
Authority: CN
Inventors: 黄梁; 黄巍; 戴庆文; 王晓雷; 谢兴飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2021-09-24

Abstract

本发明公开了一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，首先对基材表面进行打磨抛光处理；然后将其放入分散好的Si₃N₄电泳液中，以基材为阴极进行恒压电泳后取出置于空气中挥发掉电泳层中的乙醇；其次，将附有Si₃N₄电泳层的基材放入预设ph值的镀镍液中，以其作为阴极，以纯镍板作为阳极，进行恒流电镀；最后在镍覆盖Si₃N₄电泳层之前取出基材，将其超声清洗以去除表面多余的Si₃N₄颗粒，便得到水润滑陶瓷复合镀层。本发明制备的镀层其氮化硅的含量更高，与之相应的硬度也更高，在水润滑的环境中可以更好地发挥氮化硅的特性，摩擦系数更低，耐磨性也相应提高；且制备工艺简单，可操作性强，可在常温下制备，有利于该镀层的推广应用。

Description

一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，尤其涉及一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法。

背景技术

据不完全统计，由于船舶使用传统油润滑方式导致每年油泄漏量为300万吨，这将导致严重的环境污染。由于水的来源广泛且对环境无污染，通过采用水润滑的方式将产生巨大的经济效益，对环境保护也有一定益处。

氮化硅作为一种陶瓷材料且具有优异的水润滑性能，其自配对副在水润滑环境下摩擦系数可达到0.01以下。但是由于氮化硅陶瓷材料质脆，具有难加工性，其在水润滑领域的应用范围受到一定限制。而镍作为常用的镀层金属，其具有较好的耐腐蚀性。通过复合镀层技术实现镍与氮化硅的复合，进而将氮化硅与镍的性能协同发挥出来。

李函利用脉冲共沉积技术对Ni-W基氮化硅复合镀层进行了相关研究，制备了Si₃N₄质量分数最高达到2％的复合镀层，相比于Ni-W镀层耐磨性和硬度均有所提高。宋振兴等在Ni-W-P合金中复合Si₃N₄微粒，研究了镀液中Si3N4含量和电流密度等对镀层Si3N4复合量的影响，Si₃N₄质量分数最高可达到10.3％。然而，通过共沉积技术制备的Si₃N₄复合镀层中氮化硅的含量均不高，这使得氮化硅的水润滑特性难以发挥出来，从而限制了氮化硅在水润滑领域的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，制成的水润滑陶瓷复合镀层氮化硅含量高、硬度高、摩擦系数低，同时具有耐磨及减摩作用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)，对基材表面进行打磨抛光，然后对基材表面进行超声清洗除油、活化、干燥；

步骤2)，配制Si₃N₄电泳液，对配制好的电泳液超声分散并在电泳期间使用磁力搅拌器进行搅拌，以防止Si₃N₄颗粒下沉团聚；

步骤3)，将基材放入分散好的Si₃N₄电泳液中，以基材为阴极进行恒压电泳，在电场的作用下，使得Si₃N₄颗粒向阴极移动并在阴极表面不断沉积，在阴极表面形成Si₃N₄电泳层；

步骤4)，从电泳液中将附有Si₃N₄电泳层的基材取出，水平置于空气中，以挥发电泳层中的乙醇；

步骤5)，将附有Si₃N₄电泳层的基材放入预设ph值的镀镍液中，以其作为阴极，以纯镍板作为阳极，进行恒流电镀，在电场的作用下，镍离子得电子被还原并在阴极上不断沉积在Si₃N₄颗粒之间的缝隙中，从而不断填充Si₃N₄颗粒之间的缝隙进而镶嵌Si₃N₄颗粒，在阴极表面形成镍基氮化硅复合镀层；

步骤6)，在镍覆盖Si₃N₄电泳层之前取出基材，将其超声清洗以去除表面多余的Si₃N₄颗粒，便得到水润滑陶瓷复合镀层。

作为本发明一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法进一步的优化方案，步骤2)中的Si₃N₄电泳液采用Si₃N₄和氯化镁的电泳液，溶剂采用无水乙醇，Si₃N₄颗粒浓度为2g/L～16g/L，Si₃N₄粒径为10nm～10μm，氯化镁浓度为0.001mol/L～0.06mol/L。

作为本发明一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法进一步的优化方案，步骤5)中的镀镍液按照如下步骤制备：

溶剂采用去离子水，氯化镍50g/L，氯化铵10g/L，苯亚磺酸钠0.2g/L，充分溶解后，向溶液中滴加氨水调节溶液ph值，溶液ph值的范围为6.4～6.8。

作为本发明一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法进一步的优化方案，所述基体采用紫铜或不锈钢。

作为本发明一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法进一步的优化方案，步骤3)中进行恒压电泳时，电场强度为10V/cm～30V/cm,电泳时间为1min～10min。

作为本发明一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法进一步的优化方案，步骤5)中进行恒流电镀时，电流密度为0.1A/dm²～2A/dm²。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与现有的Ni基氮化硅复合镀层相比，本发明制备的镀层其氮化硅的含量更高，与之相应的硬度也更高，在水润滑的环境中可以更好地发挥氮化硅的特性，摩擦系数更低，摩擦系数为0.01左右，耐磨性也相应提高。此外镀层的制备工艺简单，可操作性强，可在常温下制备，有利于该镀层的推广应用。

附图说明

图1为本发明制成的水润滑陶瓷复合镀层的结构示意图；

图2为本发明在基体上依次沉积氮化硅电泳层和镍复合镀层的过程示意图；

图3为本发明在水润滑条件下镀层的摩擦曲线。

图中，1-基体，2-镍，3-氮化硅颗粒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明制成的水润滑复合镀层如图1所示，该镀层位于基体表面，为一层由弥散分布的氮化硅与形成金属骨架的镍构成的复合镀层，基体可以采用金属或者合金制得，本领域的技术人员可根据实际需要进行选择；述氮化硅为市场上可以购买到的氮化硅粉末产品，也可以是通过一定工艺制备的氮化硅粉末，本领域的技术人员可根据实际需要进行选择；镀层的厚度本领域技术人员可根据实际的需要如基体的材质、用途等的不同进行确定。所述镀层的厚度可达1-50μm。

该水润滑陶瓷复合镀层的制备方法的具体步骤如下：

步骤3)，如图2所示，电泳液中的Si₃N₄颗粒带有正电荷，将基材放入分散好的Si₃N₄电泳液中，以基材为阴极进行恒压电泳，在电场的作用下，使得Si₃N₄颗粒向阴极移动并在阴极表面不断沉积，由于范德华力的存在，Si₃N₄颗粒之间相互吸引，在阴极表面形成Si₃N₄电泳层；

步骤5)，将附有Si₃N₄电泳层的基材放入预设ph值的镀镍液中，以其作为阴极，以纯镍板作为阳极，进行恒流电镀，在电场的作用下，镍离子得电子被还原并在阴极上不断沉积，由于Si₃N₄颗粒的存在，镍原子只能沉积在Si₃N₄颗粒之间的缝隙中从而不断填充缝隙进而镶嵌Si₃N₄颗粒，在阴极表面形成镍基氮化硅复合镀层；

步骤2)中的Si₃N₄电泳液采用Si₃N₄和氯化镁的电泳液，溶剂采用无水乙醇，Si₃N₄颗粒浓度为2g/L～16g/L，Si₃N₄粒径为10nm～10μm，氯化镁浓度为0.001mol/L～0.06mol/L。

步骤5)中的镀镍液按照如下步骤制备：溶剂采用去离子水，氯化镍50g/L，氯化铵10g/L，苯亚磺酸钠0.2g/L，充分溶解后，向溶液中滴加氨水调节溶液ph值，溶液ph值的范围为6.4～6.8。

所述基体采用紫铜或不锈钢，但不限于此。将基体表面进行打磨抛光后，对基体表面进行除油活化，然后清洗活化后的基体置于空气中干燥。

步骤3)中进行恒压电泳时，电场强度为10V/cm～30V/cm,电泳时间为1min～10min。

步骤5)中进行恒流电镀时，电流密度为0.1A/dm²～2A/dm²，电镀时间以沉积镍的厚度不超过Si₃N₄电泳层厚度为准。

实施例1

一种在紫铜表面的镀层，所述镀层的厚度为20μm左右。

具体实施步骤为：

(1)选取紫铜片为基材，将紫铜片表面打磨抛光，去油活化，置于空气中干燥。

(2)配制8g/L的Si₃N₄电泳液，其中氯化镁浓度为0.001mol/L，Si₃N₄粒径为0.5μm。

(3)配制镀镍液，其中氯化镍50g/L，氯化铵10g/L，苯亚磺酸钠0.2g/L，氨水添加至镀液ph为6.6。

(4)超声分散电泳液，将处理后的紫铜片作为阴极竖直放入电泳液，镍板作为阳极，在电场强度为20V/cm情况下恒压电泳3min，在电泳期间持续搅拌电泳液。

(5)电泳后的紫铜片取出水平置于空气中60s，然后将其作为阴极轻轻竖直放入镀镍液中，镍板作为阳极，在电流密度为1A/dm²情况下恒流电镀120min。

(6)取出电镀后的阴极，将其表面的未被嵌入镀层的Si₃N₄颗粒去除，便在紫铜片表面得到镀层。

对比例1

该对比例具体实施步骤为：

(2)配制镀镍液，其中氯化镍50g/L，氯化铵10g/L，苯亚磺酸钠0.2g/L，氨水添加至镀液ph为6.6。

(3)将处理后紫铜片作为阴极竖直放入镀镍液中，镍板作为阳极，在电流密度为1A/dm²情况下恒流电镀120min。

对比例2

该对比例具体实施步骤为：

(3)将粒径为0.5μm的Si₃N₄粉末加入镀镍液中并超声搅拌，其中Si₃N₄浓度为8g/L。

(4)将处理后紫铜片作为阴极竖直放入带有Si₃N₄的镀镍液中，镍板作为阳极，电镀期间保持搅拌镀液，在电流密度为1A/dm²情况下恒流电镀120min。

对于实施例1和对比例1-2得到的镀层进行硬度测试，Si元素含量分析和摩擦磨损实验，测试结果如表1。

硬度测试的条件：利用纳米压痕仪进行压凹痕，借由压痕投影尺寸与施加力量得到材料硬度，具体测试条件为利用维氏压头在载荷为2.942N情况下保压10s。元素分析的测试，利用场扫描电镜对镀层表面进行元素分析，可获得Si元素质量百分含量。

摩擦磨损实验的条件：利用球盘摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，上试样为氮化硅球，下试样为实施例1和对比例1-2，润滑环境为去离子水，施加载荷为2N，线速度为0.25m/s，摩擦力与摩擦系数通过力传感器和电脑相应软件获得。图3为本发明在水润滑条件下镀层的摩擦曲线。硬度测试、Si元素百分含量和摩擦系数测试结果如下表：

	硬度(HV)	Si元素质量百分含量	摩擦系数
				实施例1	237.735	0	0.35左右
对比例1	305.42	1.16	0.28左右
				对比例2	418.91	16	0.01左右

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1），对基材表面进行打磨抛光，然后对基材表面进行超声清洗除油、活化、干燥；

步骤2），配制Si₃N₄电泳液，对配制好的电泳液超声分散并在电泳期间使用磁力搅拌器进行搅拌，以防止Si₃N₄颗粒下沉团聚；

步骤3），将基材放入分散好的Si₃N₄电泳液中，以基材为阴极进行恒压电泳，在电场的作用下，使得Si₃N₄颗粒向阴极移动并在阴极表面不断沉积，在阴极表面形成Si₃N₄电泳层；

步骤4），从电泳液中将附有Si₃N₄电泳层的基材取出，水平置于空气中，以挥发电泳层中的乙醇；

步骤5），将附有Si₃N₄电泳层的基材放入预设ph值的镀镍液中，以其作为阴极，以纯镍板作为阳极，进行恒流电镀，在电场的作用下，镍离子得电子被还原并在阴极上不断沉积在Si₃N₄颗粒之间的缝隙中，从而不断填充Si₃N₄颗粒之间的缝隙进而镶嵌Si₃N₄颗粒，在阴极表面形成镍基氮化硅复合镀层；

步骤6），在镍覆盖Si₃N₄电泳层之前取出基材，将其超声清洗以去除表面多余的Si₃N₄颗粒，便得到水润滑陶瓷复合镀层。

2.根据权利要求1所述的水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤2）中的Si₃N₄电泳液采用Si₃N₄和氯化镁的电泳液，溶剂采用无水乙醇，Si₃N₄颗粒浓度为2g/L~16g/L，Si₃N₄粒径为10nm~10µm，氯化镁浓度为0.001mol/L~0.06mol/L。

3.根据权利要求1所述的水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤5）中的镀镍液按照如下步骤制备：

溶剂采用去离子水，氯化镍50g/L，氯化铵10g/L，苯亚磺酸钠0.2g/L，充分溶解后，向溶液中滴加氨水调节溶液ph值，溶液ph值的范围为6.4~6.8。

4.根据权利要求1所述的水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，所述基体采用紫铜或不锈钢。

5.根据权利要求1所述的水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤3）中进行恒压电泳时，电场强度为10V/cm~30V/cm,电泳时间为1min~10min。

6.根据权利要求1所述的水润滑陶瓷复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤5）中进行恒流电镀时，电流密度为0.1A/dm²~2A/dm²。