CN1228467C - 一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层及其制备方法，涉及耐磨耐蚀涂层及其制备领域。其特征在于该复合涂层由碳化硅(SiC)、聚四氟乙烯(PTFE)粒子均匀分布于镍磷合金中组成。SiC含量6～22vo1%，氟含量0.1～2.61wt%。涂层的制备方法是以NiSO4·6H2O、NaH2PO4·H2O、CH3COONa·3H2O、乳酸、Pb(NO3)2配制基本化学镀镍溶液，加入聚四氟乙烯乳液、SiC粉体和氟碳型和醇类高分子表面活性剂，通过工件的化学镀浴和热处理得到。制得的涂层具有优秀得抗磨损、耐腐蚀、防粘接得综合性能。

Description

一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层
技术领域
本发明涉及一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层，主要用于工业模具表面涂层，具有抗磨损、耐腐蚀、防粘接功能，属于功能涂层及其制备领域。
背景技术
现代科技发展和工业革命对材料提出了更全面和苛刻的要求，材料的表面处理、表面保护、表面强化以及表面改性等方面日益显示出不可替代的重要地位，各种具有特定功能的涂层得到相应的发展。作为一种极有希望的新型表面强化技术，化学镀镍涂层具有硬度高、耐磨、耐腐蚀性能好、镀层均匀以及适用于各种基材(经过敏化、活化等前处理，可以在非金属如塑料、陶瓷及半导体材料表面进行)等特点。近年来，国内外学者对通过添加微粒实现微粒与合金共沉积制备的化学复合镀层方面做了不同的尝试，希望保持原有基质金属镀层性能的基础上，辅以复合粒子相的特性，使复合镀层的功能具有相当的自由度。A.Grosjean等对化学镀镍涂层中共沉积SiC粒子感兴趣，SiC粒子的复合使化学镀镍涂层的镀态硬度显著提高从而耐磨性能也得到改善，但涂层表面粗糙度增加，摩擦系数上升一倍(Surface and coatingtechnology，137(2001)：92-96)。
发明内容
本发明的目的之一提供一种用于模具表面的一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层，同时具有抗磨损、耐腐蚀、防粘接的特点。该材料由碳化硅(SiC)粒子和聚四氟乙烯(PTFE)粒子均匀分散于镍磷合金基体中而组成，其中，SiC占镍磷合金6～22vol％，粉体粒径范围可以为0.5～1.0μm，；氟含量占镍磷合金0.1～2.61wt％，平均粒径可以为0.2μm。本发明镍磷合金基体的磷含量为5-8wt％，碳化硅的复合显著提高了镍磷化学镀镍磷合金涂层的显微硬度但使表面能上升；聚四氟乙烯的复合使镀层表面能显著降低同时却降低了镍磷镀层的硬度；碳化硅和聚四氟乙烯的共复合在保证镍磷合金镀层硬度的同时降低了镀层的表面能，从而赋予了镀层良好的综合性能。
本发明的第二个目的是针对这种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层的制备方法。
首先配制基本化学镀镍溶液，其组成为：化学镀主盐(NiSO4·6H2O26～30g/L，NaH2PO4·H2O 24～28g/L)，缓冲剂(CH3COONa·3H2O30～35g/L)，络合剂(乳酸18～24ml/L)，稳定剂(Pb(NO3)2 1～3mg/L)。
将市售平均粒径为0.2μm的PTFE乳液(50wt％)4～10ml/L加入基本化学镀镍溶液，超声并充分搅拌，再将阳离子型氟碳型表面活性剂a和阴离子型氟碳型表面活性剂b以体积配比a∶b＝1∶1～6混合后加入基本化学镀镍溶液的混合溶液，a、b活性剂的总量为200～500mg/L。氟碳型表面活性剂在随后化学镀浴中将不进入涂层。
以醇类高分子为分散剂c，与6～15g/L粉体粒径范围为0.5～1.0μm的SiC粉体混合后加入上述混合溶液后得最终化学镀液，醇类高分子分散剂c的加入量为150～350mg/L。
将工件在镀前经过除油及活化等常规预处理。化学镀浴的操作温度为86～90℃，pH＝4.7～5.0。镀速范围10～17μm/h，根据所需镀层厚度决定镀浴时间，达到较佳的镀浴时间为1～3小时。镀后在350-400℃惰性气氛中保温1h，涂层的综合性能达到最优化。
本发明有以下优点：
(1)碳化硅和聚四氟乙烯的复合都显著提高了镍磷化学镀层的耐磨损性能。硬质相碳化硅微粒的弥散分布使复合镀层的承载能力提高，镀层所体现的更多的是硬质相微粒的磨损行为；镍磷～聚四氟乙烯复合镀层主要通过改善摩擦界面间的接触状态(润滑)提高复合镀层的耐磨性能；硬质相和固体润滑剂颗粒的协同作用使该发明中的多组元复合镀层的耐磨性进一步得到改善。
(2)与文献报道的复合涂层相比，碳化硅和聚四氟乙烯的共复合在保证镍磷合金镀层硬度的同时降低了镀层的表面能，赋予了镀层良好的防粘结性能。(涂层的表面能以去离子水在该涂层表面的接触角表征，接触角越大，涂层表面能越高，从而防粘接性能越好。)
(3)与背景技术相比，本发明中所使用的碳化硅粒子平均粒径更细，所得到的复合镀层的表面粗糙度低。
附图说明
图1为本发明涉及的化学镀复合涂层制备工艺流程图。
图2为化学镀Ni-P涂层的表面形貌。
图3为化学镀Ni-P-SiC-PTFE涂层的表面形貌，可以看出SiC和PTFE粒子在基体中均匀分布。
图4为化学镀Ni-P-SiC涂层的表面形貌。
图5为化学镀Ni-P-PTFE涂层的表面形貌。
具体实施方式
下面以实施例的形式来说明本发明的效果，但不只是限于实施例。
实施例1
配制基本镀液(NiSO4·6H2O 26g/L，NaH2PO4·H2O 24g/L，CH3COONa·3H2O 35g/L，乳酸23ml/L，Pb(NO3)2ppm)加入PTFE乳液6ml/l(复合分散剂a为氟碳烷基季胺碘化物，b为氟碳烷基聚乙醇化合物，总量为300mg/L，a与b体积比为1∶4)和预分散的SiC粉体12g/l(分散剂c为四甲基癸炔乙二醇，剂量为350mg/l)，pH＝4.8，89℃下化学镀1.5h得到的复合涂层厚度29μm，其组成为：p＝5.76wt％，F＝1.96wt％，SiC＝19vol％。350℃流动氮气氛保温1h后，复合涂层硬度为850Hv50，磨损率为0.36×10-6mm3·N-1·m-1。与去离子水的接触角为101.5°。
实施例2
以实施例1的基本镀液加入PTFE乳液10ml/l(复合分散剂同实施例1，总量为400mg/L，a与b体积比为1∶4)和预分散的SiC粉体6g/l(分散剂c为四甲基癸炔乙二醇，剂量200mg/l)，PH＝4.8，操作温度89℃。化学镀1.0h得到的复合涂层厚度20μm，镀层组成为：p＝6.11wt％，F＝2.42wt％，SiC＝12vol％。与去离子水的接触角为102.7°。该复合镀层热处理后硬度为775Hv50，磨损率为0.34×10-6mm3·N-1·m-1。
对比例
为了有更好的可比性，我们按实施例1的配比分别同时去除SiC与PTFE、去除PTFE、去除SiC同时制备了普通的Ni-P(含磷6.11wt％)，Ni-P-SiC(磷5.75wt％，SiCl6vol％)，Ni-P-PTFE(含5.86wt％磷，F＝2.42wt％)涂层，相同实验条件下，与本发明中实施例中的两种涂层性能对比如下表：
  接触角   显微硬度HV50   摩擦系数   磨损率mm3.N.m-1
  镀态   350℃，热处理1h
  Ni-PNi.P-PNi-P-SjC实施例1实施例2   95120.279101.5102.7   460340530450370   9564211396850775   0.410.280.600.580.55   2.52×10-61.36×10-61.45×10-60.36×10-60.34×10-6
由表中可以看出本复合涂层具有良好的综合性能

Claims (6)

1、一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制基本化学镀镍溶液，其组成为：
NiSO4·6H2O 26～30g/L，NaH2PO4·H2O 24～28g/L，CH3COONa·3H2O30～35g/L，乳酸18～24ml/L，Pb(NO3)2 1-3mg/L；
(2)将4～10ml/L的50wt％聚四氟乙烯乳液加入基本化学镀镍溶液，再将阳离子型氟碳型表面活性剂a和阴离子型氟碳型表面活性剂b以体积配比a∶b＝1∶1～6混合后加入基本化学镀镍溶液的混合溶液，a、b活性剂的总量为200～500mg/L；
(3)以醇类高分子为分散剂c，与6～15g/L的SiC粉体混合后加入上述步骤(2)所得的混合溶液后得最终化学镀液，醇类高分子分散剂c的加入量为150～350mg/L；
(4)将工件浸入化学镀液中镀浴后取出进行热处理。
2、按权利要求1所述的一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层的制备方法，其特征在于加入的聚四氟乙烯乳液颗粒的平均粒径为0.2μm，加入的碳化硅粒子粒径范围为0.5～1.0μm。
3、按权利要求1所述的一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层的制备方法，其特征在于化学镀浴的操作温度为86～90℃，pH＝4.7～5.0；镀速范围10～17μm/h，根据所需镀层厚度决定镀浴时间。
4、按权利要求1、2或3所述的一种含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层的制备方法，其特征在于化学镀浴后，350-400℃惰性气氛中保温1h。
5、由权利要求1-3中任一项权利要求制备的含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层，以镍磷合金为基体，其特征在于碳化硅粒子和聚四氟乙烯粒子均匀分散于基体中，碳化硅粒子占镍磷合金19vol％，氟含量占镍磷合金1.96wt％，镍磷合金基体的磷含量为5.76wt％
6、由权利要求1-3中任一项权利要求制备的含碳化硅和聚四氟乙烯的镍磷基复合涂层，其特征在于碳化硅粒子和聚四氟乙烯粒子均匀分散于基体中，碳化硅粒子占镍磷合金12vol％，氟含量占镍磷合金2.42wt％，镍磷合金基体的磷含量为6.11wt％。
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