CN1435514A - 一种获得高耐磨、减摩纳米复合功能镀层的工艺 - Google Patents

Abstract

一种获得高耐磨、减摩纳米复合功能镀层的工艺，其特点是在常规电镀中的瓦特镍镀液或普通酸性化学镀的镍液中加入100－150g/l的以α－Al₂O₃或SiC为主的纳米微粒制成的浆料，纳米离子在镀液中能均匀弥散，纳米复合镀层中弥散的纳米微粒含量为3－10％(wt)，纳米微粒的原晶粒径为1－150nm，对镀液用压缩空气搅拌，搅拌速度以浆料中全部粒子悬浮为度，获得金属镍与纳米微粒组成的纳米复合镍电镀层或纳米复合化学镀层。本工艺是将原复合镀中的粒子由微米级降到纳米级，获得一种集硬度、耐磨、减摩、韧性为一体的纳米复合功能镀层，协调了镀层硬度与韧性之间的矛盾，为易磨损件及无油摩擦组件表面处理提供可靠的技术手段。

Description

一种获得高耐磨、减摩纳米复合功能镀层的工艺

技术领域

本发现属于表面处理技术领域，涉及一种在金属或非金属表面利用α-Al₂O₃、SiC等纳米材料通过复合电镀或化学镀的方式，获得镍基纳米复合电镀层或化学镀层。该镀层具有高耐磨、减摩性能，可满足在摩擦条件下使用制品的表面处理需求。

技术背景

人们为了寻求高耐磨镀层，自上个世纪六十年代以来，以日本林忠夫等人为代表，极力推动复合镀的研究和开发。此后，复合镀成为现代电镀发展史中研究最为活跃的部分，发展较为迅速，应用领域不断扩大。我国以郭鹤桐教授为首的天津大学、厦门大学等单位在上个世纪七十年代末，八十年代初，对复合镀也进行了深入的研究，取得十分可喜的成果。并对提高镀层耐磨性的研究和开发，起到十分重要的推进作用。

传统复合电镀认为，粒径太小的微粒材料弥散于镀层，对改善镀层的耐磨性能作用不大。因此，传统复合电镀的研究和开发，仅仅停留在微米级粒径上，所得镀层不能协调硬度和韧性之间的矛盾。迄今为止，尚未见集硬度、耐磨性、减摩性和韧性为一体的复合功能镀层面市，也未见相关的专利和研究论文报导。

发明内容

本发明旨在将原复合镀中的粒子由微米级降到纳米级，获得一种集硬度、耐磨、减摩、韧性为一体的纳米复合功能镀层，协调了镀层硬度与韧性之间的矛盾，为易磨损件及无油摩擦组件表面处理提供可靠的技术手段。本发明要解决的技术问题是：提供一种能获得纳米复合功能镀层，包括纳米复合镍电镀层和纳米复合化学镀层的工艺。

解决本发明技术问题是通过下述的技术方案实现的：

一种获得高耐磨、减摩纳米复合功能镀层的工艺，其特征在于是在常规电镀中的瓦特镍镀液或普通酸性化学镀的镍液中加入100-150g/l的以α-Al₂O₃或SiC为主的纳米微粒制成的浆料，纳米离子在镀液中能均匀弥散，纳米复合镀层中弥散的纳米微粒含量为3-10％(wt)，纳米微粒的原晶粒径为1-150nm，对镀液用压缩空气搅拌，搅拌速度以浆料中全部粒子悬浮为度，获得金属镍与纳米微粒组成的纳米复合镍电镀层或纳米复合化学镀层。

上述工艺所的纳米复合镍电镀层以下列组合形式实现功能完整的纳米复合功能电镀层：闪镀镍/半光亮镍/纳米复合镍电镀层，所得的纳米复合功能电镀层组合是一种集硬度、耐磨性、减摩性、韧性为一体的纳米复合电镀层。

其中纳米复合镍电镀层中弥散有3-10％的以α-Al₂O₃或SiC为主的纳米微粒，纳米微粒的原晶粒径为1-150nm。

上述镀层组合中，闪镀镍层厚为1-2μm，半光亮镍层厚为3-5μm，纳米复合镍层厚为2-90μm(视具体耐磨工件的要求而定)。镀层组合总厚度为6-100μm。

纳米复合功能电镀层组合中的闪镀镍和半光亮镍采用常规电镀工艺，纳米复合镍电镀层是在常规瓦特镍电镀液中加入光亮剂1ml/l、润湿剂0.5ml/l，再加入100-150g/l的α-Al₂O₃复合纳米浆料，浆料中分散粒子的原晶粒度小于150nm，它是一种在酸、碱溶液中均稳定存在的α-晶态粒子，在电镀过程中它能较均匀地分散于镀层之中，弥散粒子含量为3-10％(wt)。为了增加弥散粒子在镀层中的含量，本发明在镀液中加入17-20g/l的纳米浆料助剂。

按照上述技术方案，本发明在纳米复合镍电镀层镀液中所使用的工艺配方和工艺条件如下：

    硫酸镍                           350-380g/l

    硼酸                             40-45g/l

    氯化钠                           12-15g/l

    纳米浆料助剂                     17-20g/l

    α-Al₂O₃复合纳米浆料           100-150g/l

    光亮剂                           1ml/l

    润湿剂                           0.5ml/l

    pH                               3.5-4

    Dk                               4A/dm2

    t℃                              55-65

    时间                             按工艺厚度要求确定

工艺中，阳极一般为纯镍阳极，特殊要求的情况下，可用钛管上电镀镍做为阳极，镀液需压缩空气搅拌。搅拌速度以镀液中全部粒子悬浮为度，新配液必须搅拌6小时，熟化槽液。有特殊要求的工件，本发明设计特殊挂具以适应其特殊需要。

该镀层组合具有良好的耐磨性能、抗高温氧化性能、减摩性能、储油及自润滑性能，且表面光洁，硬度为HV450-600，镀层与基体的结合力高，镀层的均匀度为0.1-0.5μm/cm。

上述工艺所获得的纳米化学镀层亦是一种集硬度、耐磨性、减摩性、韧性为一体的镀层。其中弥散有2-8％的以α-Al₂O₃或SiC为主的纳米微粒，纳米微粒的原晶粒径为1-150nm。该镀层具有良好的耐磨性能，特别是无法进行电镀或电镀较为困难的工件(深孔件、狭缝件等)，化学镀则显示出其独特的优越性。

纳米复合化学镀层是采用普通酸性化学镀镍液中加入100-150g/l的α-Al₂O₃复合纳米浆料实现的。具体工艺配方和工艺条件如下：

硫酸镍                          20-25g/l

次磷酸钠                        25-30g/l

醋酸钠                          15-20g/l

乳酸                            1-3g/l

α-Al₂O₃复合纳米浆料          100-150g/l

十二烷基磺酸纳                  0.5-1g/l

pH                              3.5-4.5

t℃                             86±1

时间(h)                         0.5-1

压缩空气搅拌

镀液需压缩空气搅拌，搅拌速度以镀液中全部粒子悬浮为度。镀后的工件需在400-450℃下烘烤30min后浸油。

纳米复合化学镀适用于电镀时易产生低电区，且要求耐磨的零件，例如：齿轮或有深孔、狭缝孔等的工件。

本发明的优越性是显而易见的：首先，将在镀层中能均匀弥散的以α-Al₂O₃为主的复合纳米微粒制成的浆料，添加于含有少量光亮剂和润湿剂的瓦特镍电解液中或常规化学镀镍液中，通过电镀或化学镀，获得金属镍与纳米微粒的复合功能镀层。此种镀层具有特殊结构：镍以钠米晶的形态结晶形成的镀层呈多孔态，其孔径＜100nm。纳米微粒均匀镶嵌于这些孔隙中，形成网状结构；且可在短程(15埃至20埃)中滑动和移动，使镀层具有很高的自润滑性能和减摩性能，这就大大地提高了镀层的耐磨性，这是微米级复合镀无法具备的特征；又由于α-Al₂O₃的硬度高，因此整体上提高了镀层的硬度，纳米微粒在镀层中的含量仅为1-10％，镀层的主体仍为金属镍，因此镀层具有金属镍的韧性。本发明所获得的是集硬度、耐磨性、减摩性和韧性为一体的镀层，此种镀层是常规镀层无法比拟的。

本发明的另一优越性在于它是由常规的瓦特镍或化学镍的镀液中改造而来，因此它极易由常规电镀镍或化学镀镍转化为纳米镀镍，它仅需要将阴极移动改为空气搅拌，不再另加设备，极易推广。

具体实施方式

实施例1：在摩托车发动机缸体上获得镍基纳米复合功能电镀层的工艺。

1、主要工艺流程：有机溶剂除油→化学除油→超声波清洗→酸洗→闪镀镍→电镀半光亮镍→镍基纳米复合电镀→烘干→浸油。

2、电镀纳米复合镍的镀液配方及工艺条件。

硫酸镍                           370g/l

硼酸                             45g/l

氯化钠                           15g/l

α-Al₂O₃复合纳米浆料           120g/l

纳米浆料助剂                     17g/l

光亮剂                           1ml/l

润湿剂                           0.5ml/l

D_k                              4A/dm²

t℃                              55-65℃

pH                               3.5-4

由于缸体对镀层厚度和均匀性要求十分严格，因此，本发明采用钛管镀镍做为像形阳板，并针对缸体设计了特殊挂具。镀液采用压缩空气搅拌，电镀时间根据缸孔尺寸大小及镀层厚度要求确定。

3、实测结果。

按上述工艺电镀后的缸体，在重庆宗申摩托车科技集团有限公司进行耐久性试验。测试结果如下：

项  目	最大功率基准点	磨合20h测试	强化60h测试	强化100h测试	强化200h测试
						最大功率kw/r/min(企业标准7.2)	8.01kw/8493r/min	8.72	9.13	8.67	8.31
工作转速范围内的平均功率	7.65	8.11	7.85	7.69
					最大扭矩N·M/r/min(企业标准8.6)	9.55		10.15	9.91	9.77
工作转速范围内的平均扭矩	9.40	9.96	9.67	9.50
					最低油耗g/kw.h(企业标准367)	279.9		278.1	287.6	270.3
工作转速范围内的平均油耗	286.5	287.3	296.9	289.5

以下是重庆宗申摩托车科技集团有限公司对用本发明进行镍基纳米电镀所镀的缸体的评价(原《技术报告》原文抄录)：

“从强化实验可以看出，纳米电镀使缸体具有以下特点：

1)纳米电镀技术处理的缸体，表面摩擦系数小，发动机功率、扭矩大，油耗低。

在试验60h时测试，最大功率大到9.13kw/9064r/min，最大扭矩达10.15N·M/8000r/min，最低油耗278.1g/kw.h。这样好的性能参数，在普通CG125发动机强化中是不能达到的。

2)纳米电镀技术处理的缸体表面具有自润滑性能。

纳米电镀技术处理的缸体表面无普通缸体储油的网纹，机油条件差，但通过200h的台架强化实验，活塞环磨损量很小(一环桶面还在，二环锥面磨损二分之一)缸体珩磨网纹与活塞加工纹路还存在。

3)纳米电镀技术处理缸体比金陶处理缸体成本低。”

实施例2：在链条上获得镍基纳米复合功能电镀层的工艺。

1、主要工艺流程：化学除油→酸洗→电镀半光亮镍→镍基复合电镀→烘干→浸油。

2、电镀纳米复合镍的镀液配方及工艺条件：

同实施例1。

3、试验结果。

经用本发明电镀的链条在重庆长江链条有限公司试验，该公司对本发明所镀链条做出评价。现将评价抄录如下：

1)采用整条链条纳米电镀后，表面光亮透明，完全可以不再进行防锈工序处理，防锈保质期可达3年以上。

2)经纳米电镀链条零件的镀层在0.006-0.012mm范围内，其维氏硬度可达1600以上(HV₀₂)，超出渗金属复合处理工艺水平的1/3。

3)该纳米链条的耐磨性能试验显示耐磨性能大幅度提高。

4)纳米链条技术的展开将形成大规模的生产能力，面向市场，与主机单位形成新的技术热点。

实施例3：在齿轮上获得镍基纳米复合功能化学镀层的工艺。

1、主要工艺流程：有机溶剂除油→化学除油→超声波清洗→酸洗→纳米复合化学镀→烤干→浸油。

2、纳米复合功能化学镀的工艺配方及工艺条件：

硫酸镍                         25g/l

次磷酸钠                       30g/l

醋酸钠                         20g/l

乳酸                           3g/l

α-Al₂O₃复合纳米浆料         120g/l

十二烷基磺酸钠                 1g/l

pH                             3.7

t℃                            86

时间(h)                        1

压缩空气搅拌

3、验证结果。

用本发明对齿轮进行纳米复合化学镀后，在重庆秋田齿轮有限公司进行质量验证，该公司对齿轮的电镀质量验证报告，现将报告全文抄录如下：

                     齿轮工装纳米涂层使用验证报告

我司与阿波罗公司从2001年11月18日开始合作，阿波罗公司对我们生产的工装齿轮进行纳米复合电镀，从单件到批量加工，其技术性能和产品质量都得到提高。

剃齿的花键蕊轴(mlZ19)进行纳米电镀后，耐用度提高3倍，在秋田使用效果良好。

未采用纳米涂层前，耐用度低、工装费用高，我司已决定采用该项技术工艺，在工装和产品中大量使用。

                              重庆秋田齿轮有限公司

                                   2002年1月5日

Claims (6)

1、一种获得高耐磨、减摩纳米复合功能镀层的工艺，其特征在于是在常规电镀中的瓦特镍镀液或普通酸性化学镀的镍液中加入100-150g/l的以α-Al₂O₃或SiC为主的纳米微粒制成的浆料，纳米离子在镀液中能均匀弥散，纳米复合镀层中弥散的纳米微粒含量为3-10％(wt)，纳米微粒的原晶粒径为1-150nm，对镀液用压缩空气搅拌，搅拌速度以浆料中全部粒子悬浮为度，获得金属镍与纳米微粒组成的纳米复合镍电镀层或纳米复合化学镀层。

2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所获得复合镍电镀层与用常规电镀工艺获得的闪镀镍层、半光亮镍层共同构成功能完整的纳米复合功能电镀层，其中闪镀镍层厚为1-2μm，半光亮镍层后为3-5μm，纳米复合镍电镀层厚为2-90μm，镀层组合总厚度为6-100μm。

3、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于在获得复合镍电镀层的常规瓦特镍电镀液中加有光亮剂、湿润剂、和17-20g/l纳米浆料助剂，所用电镀阳极为可溶或不可溶性电极，镀前采用超声波清洗，电镀过程中采用双向脉冲电源。

4、根据权利要求1、2或3所述的工艺，其特征在于获得纳米复合镍功能电镀层的镀液中使用的工艺配方和工艺条件如下：

    硫酸镍                          350-380g/l

    硼酸                            40-45g/l

    氯化钠                          12-15g/l

    纳米浆料助剂                    17-20g/l

    α-Al₂O₃复合纳米浆料          100-150g/l

    光亮剂                          1ml/l

    润湿剂                          0.5ml/l

    pH                              3.5-4

    Dk                              4A/dm²

    t℃                             55-65

    时间                            按工艺厚度要求确定

5、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于获得纳米复合镍功能化学镀层的工艺配方和工艺条件如下：

硫酸镍                   20-25g/l

次磷酸钠                 25-30g/l

醋酸钠                   15-20g/l

乳酸                     1-3g/l

α-Al₂O₃复合纳米浆料   100-150g/l

十二烷基磺酸纳           0.5-1g/l

pH                       3.5-4.5

t℃                      86±1

时间(h)                  0.5-1

压缩空气搅拌

6根据权利要求5所述的工艺，其特征在于在获得纳米化学镀层后的工件需在400-450℃下烘烤30min后浸油。