CN114645306B

CN114645306B - 在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基镀层的方法

Info

Publication number: CN114645306B
Application number: CN202210194843.4A
Authority: CN
Inventors: 葛玉麟; 詹中伟; 彭超; 张骐; 宇波; 汤智慧; 孙志华
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2042-02-25
Also published as: CN114645306A

Abstract

本发明提出了一种在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的工艺方法。包括以下步骤：将cBN颗粒经碱洗和酸洗去除其表面污染和其中的金属杂质；将cBN颗粒与一定量的去离子水和表面活性剂混合，并调制成浆料状态；以绝缘胶带覆盖保护不需要上镀的区域，将浆料涂覆于待镀工件表面；对工件进行干燥使浆料固结；以工件为阴极，通过电镀薄层镍使部分颗粒固定；清除表面多余颗粒，再转入低应力镀镍液中对镍层进行增厚；清洗镀片并烘干。本发明采用的“浆料涂覆+干燥固结”的布砂方式，不仅便于在复杂形状的工件表面实施操作，保证颗粒在表面不规则区域的充分填充和分布的均匀性，而且可以通过调整浆料的浓度实现复合镀层中cBN颗粒含量的灵活调控。

Description

在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基镀层的方法

技术领域

本发明涉及一种复合电镀工艺，具体涉及在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒的镍基复合镀层。

背景技术

立方氮化硼(cBN)是一种氮化物陶瓷材料，具有类似金刚石的晶体结构，其硬度仅次于金刚石，而热稳定性则明显优于后者，具有很高的高温硬度和抗氧化能力。近年来，cBN被应用于机械加工的磨削和切削刀具等方面，与其它金属复合形成具有优良摩擦学性能的耐磨层。目前广泛采用复合电沉积的方法来制备金属－cBN镀层，而cBN在镀液中的引入方式则根据其颗粒尺寸的不同分为两种，一种是在颗粒尺寸较小的情况下，一般采用直接将颗粒加入镀液，搅拌使其悬浮的方法。另一种则是在颗粒尺寸比较大的情况下(一般认为在30微米以上时)，需要人为的在工件表面布砂。布砂工艺直接影响复合镀层中颗粒的含量和分布的均匀性，对最终镀层的摩擦性能有着重要的影响。

目前普遍采用的在工件表面进行大尺寸cBN颗粒的布砂工艺有两种。一种是先将颗粒铺洒于纱布之上，再将纱布包裹在工件表面。另一种方法是将工件直接包埋于粉末之中进行电镀。然而，对于一些形状比较复杂的工件，如多段轴承或具有不规则弧面的工件等情况，上述工艺难以保证颗粒在凹凸和转角区域的充分填充和均匀分布。此外，直接铺洒颗粒或是埋于颗粒之中，均不便于在不改变颗粒尺寸的前提下对复合镀层中颗粒的含量进行调控。

发明内容

本发明的目的是：

为了解决对于一些形状比较复杂的工件，如多段轴承或具有不规则弧面的工件等情况，难以保证颗粒在凹凸和转角区域的充分填充和均匀分布，此外，直接铺洒颗粒或是埋于颗粒之中，均不便于在不改变颗粒尺寸的前提下对复合镀层中颗粒的含量进行调控的问题。

本发明的技术方案是：

技术方案：一种在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的工艺方法：

(1)将cBN颗粒经碱洗和酸洗去除其表面污染和其中的金属杂质；

(2)将cBN颗粒与一定量的去离子水和表面活性剂混合，并调制成浆料状态；(3)以绝缘胶带覆盖不需要上镀的区域，将浆料涂覆于待镀工件表面；

(4)对工件进行干燥使浆料固结于表面；

(5)以工件为阴极，通过电镀薄层镍使部分颗粒固定；

(6)清除表面多余颗粒，再转入低应力镀镍液中对镍层进行增厚；

(7)清洗镀片并烘干。

步骤(1)中，所使用的cBN颗粒粒径≥30μm。碱洗液为NaOH，Na2CO₃，Na₃PO₄和Na2SiO₃配制成的水溶液，时间为5－10min，温度为70－90℃。酸洗液由HF和HNO₃混合配制，温度为室温，时间为30s－1min。

步骤(2)中，表面活性剂应为PEG、CTAB和SDS的混合物，该混合表面活性剂可以很好的解决cBN颗粒表面疏水的问题，保证含有cBN的浆料在工件表面的均匀覆盖。应控制cBN和去离子水的质量比在1：1－1：2，cBN与表面活性剂的质量比在1：0.05－1：0.1。通过cBN与去离子水的比例改变浆料的浓度，以达到控制复合镀层中cBN含量的目的。表面活性剂含量应考虑镀镍液的允许范围，过高时将导致镀层界面结合力下降。

步骤(3)中，所涂覆浆料的厚度不超过5mm。涂覆厚度应与电镀镍采用的电流密度相匹配，电流密度越小，则浆料厚度应越薄。

步骤(4)中，室温下对样品进行鼓风干燥，使涂覆的浆料固附于表面。浆料调制浓度越低，干燥时间应越长，以悬挂时颗粒不发生自然脱落为标准；

步骤(5)中，镀液需为酸性镀镍体系，控制镀镍层的厚度达到颗粒粒径的10－20％；

步骤(6)中，转入低应力镀镍液前应完全清除表面多余浆料。镀液需为低应力酸性镀镍体系，控制镀镍层总厚度达到颗粒尺寸的50％－90％。

本发明的优点和有益效果是：

目前普遍采用的大尺寸颗粒的布砂工艺有两种。一种是先将颗粒铺洒于纱布之上，再将纱布包裹在工件表面。另一种方法是将工件直接埋于颗粒之中进行电镀。然而，对于一些形状比较复杂的工件，如多段轴承或具有不规则的弧面的工件等情况，上述工艺难以保证颗粒在凹凸和转角区域的充分填充，而且往往难以很好的控制复合镀层中的颗粒含量。

本发明将cBN粉末与一定量去离子水和表面活性剂混合调制成浆料后进行涂覆，再通过快速鼓风干燥使浆料固附于工件表面。该方法可以很好的适应各种复杂形状的工件，保证颗粒在表面形状不规则区域的充分填充和均匀分布。此外，还可以通过改变浆料中颗粒的浓度来控制复合镀层中颗粒的含量，从而可以依据实际应用需求对复合镀层的性能进行调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，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的附图。

图1为在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的工艺方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在不同复杂形状工件表面上，进行多个制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的实施例。

实例1钛合金压气机叶片尖端耐磨镀层的制备：

航空发动机压气机叶片尖端与封严涂层对磨，叶尖磨损后会造成气路间隙增大，发动机燃油效率降低。因此，需在叶尖制备大尺寸防护涂层。由于发动机叶片处于高温和高速旋转的工况，要求涂层中包含有较大体积分数的强化颗粒。本工艺中可以通过调制浓度较高的浆料来实现这一目的。具体操作如下：

1.称取重量为4g、平均粒径为70μm的cBN粉末，浸泡于40g/LNaOH、25g/LNa₂CO₃、40g/LNa₂PO₄和5g/LNa2SiO₃的70℃的水溶液中15min。过滤后浸泡于250ml/LHF和500ml/LHNO₃的室温水溶液中1min后过滤。

2.将过滤后的cBN颗粒与4g去离子水，0.2g的PEG、CTAB和SDS(1：1：1)的表面活性剂混合，用玻璃棒搅拌成均匀的浆料状。

3.取一片压气机钛合金叶片，用绝缘防水保护胶带将无需镀覆的叶片根部区域进行覆盖，用玻璃片将浆料均匀刮涂在工件表面。

4.将叶片悬挂于鼓风干燥箱中，室温鼓风干燥5min。

5.在瓦特型镀镍液中以1A/dm²的电流密度挂镀2h。

6.取出试片，以去离子水超声清洗表面剩余浆料，仅保留已经被镀层附着于表面的颗粒。

7.将试片在氨基磺酸镍镀液中以2A/dm²的电流密度施镀2h。

8.上述工艺条件下镀层厚度约60μm，cBN体积分数约为65％。

实例2：

多段轴承表面耐磨涂层的制备：

轴承件表面长期处于对磨工况之下，对表面耐磨性能有着较高要求。多段轴承不同直径段之间存在垂直过渡面，传统复合电镀工艺往往难以保证颗粒在过渡面的均匀分布。采用本发明的浆料涂覆方法可以很好的克服这一不足。具体操作如下：

1.称取重量为4g、平均粒径为70μm的cBN粉末，浸泡于40g/LNaOH、25g/LNa₂CO₃、40g/LNa₂PO₄和5g/LNa₂SiO₃的70℃的水溶液中15min。过滤后浸泡于250ml/LHF和500ml/LHNO₃的室温水溶液中1min后过滤。

2.将过滤后的cBN颗粒与8g去离子水和0.3g的PEG、CTAB和SDS(1：1：1)表面活性剂混合，用玻璃棒搅拌成均匀的浆料状。

3.取一根钛合金转轴，该轴具有两个不同直径段，两段间以垂直面过渡。用玻璃片将浆料均匀刮涂在转轴表面。

4.在鼓风干燥箱中，于室温鼓风干燥10min。

5.在瓦特型镀镍液中以1A/dm²的电流密度施镀1h。

6.取出试片，以去离子水超声清洗表面浆料，仅保留已经被镀层附着于表面的颗粒。

7.将试片在氨基磺酸镍镀液中以2A/dm²的电流密度施镀1.5h。

8.上述工艺条件下镀层厚度约45μm，cBN体积分数约为50％。

实施例3：

图1为在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的工艺方法流程图。参考图1，该方法包括以下步骤：

(4)对工件进行干燥使浆料固结于表面；

(5)以工件为阴极，通过电镀薄层镍使部分颗粒固定；

(6)清除表面多余颗粒，转入低应力镀镍液中对镍层进行增厚；

(7)清洗镀片并烘干。

步骤(1)中，所使用的cBN颗粒粒径≥30μm。碱洗液为NaOH，Na₂CO₃，Na₃PO₄和Na₂SiO₃配制成的水溶液，时间为5－10min，温度为70－90℃。酸洗液由HF和HNO₃混合配制，温度为室温，时间为30s－1min。

步骤(4)中，对样品进行鼓风快速干燥，使涂覆的浆料固结，以悬挂时颗粒不发生自然脱落为标准；

步骤(5)中，镀液需为酸性镀镍体系，控制镀镍层的厚度达到颗粒粒径的10～20％；

步骤(6)中，镀液需为酸性低应力镀镍体系，控制镀镍层总厚度达到颗粒尺寸的50％－90％。

需要说明的是，上述流程操作可以进行不同程度的组合应用，为了简明，不再赘述各种组合的实现方式，本领域的技术人员可以按实际需要将上述的操作步骤的顺序进行灵活调整，或者将上述步骤进行灵活组合等操作。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种在复杂形状工件表面制备大尺寸cBN颗粒镍基复合镀层的方法，保证颗粒在表面形状不规则区域的充分填充和均匀分布，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将cBN颗粒经碱洗和酸洗去除其表面污染和其中的金属杂质；

S2，将cBN颗粒与一定量的去离子水和表面活性剂混合，并调制成浆料状态；

S3，以绝缘胶带覆盖不需要上镀的区域，将浆料涂覆于待镀工件表面；

S4，对工件进行干燥使浆料固结于表面；

S5，以工件为阴极，通过电镀薄层镍使部分颗粒固定；

S6，清除表面多余颗粒，转入低应力镀镍液中对镍层进行增厚；

S7，清洗镀片并烘干；

步骤S2中：

表面活性剂为PEG、CTAB和SDS的混合物；

控制cBN和去离子水的质量比在1：1－1：2；

cBN与表面活性剂的质量比在1：0.05－1：0.1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中：

碱洗时，碱洗液为NaOH，Na2CO₃，Na3PO4和Na2SiO₃配制成的水溶液，时间为5－10min，温度为70－90℃；

酸洗时，酸洗液由HF和HNO₃混合配制，温度为室温，时间为30s－1min。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中：

涂覆厚度应与电镀镍采用的电流密度相匹配，电流密度越小，则浆料厚度应越薄；

所涂覆浆料的厚度不超过5mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中：

对样品进行鼓风快速干燥，使涂覆的浆料固结，以悬挂时颗粒不发生自然脱落为标准。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中：

镀液需为酸性镀镍体系；

控制镀镍层的厚度达到颗粒粒径的10－20％。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中：

镀液需为酸性低应力镀镍体系；

控制镀镍层总厚度达到颗粒尺寸的50％－90％。

7.如权利要求1－6中任意一项所述的方法，其特征在于，其中：150μm≥cBN颗粒的粒径≥30μm。