CN1557997A - 纳米金属陶瓷的超声——电化学沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学处理方法及其应用，尤其涉及纳米级金属陶瓷的超声——电沉积方法。其特征在于该超声——电沉积过程由以下工艺步骤构成：(1)纳米级金属化合物的预处理(2)电镀液的配制(3)纳米金属混合液与电镀液的配制(4)超声——电沉积的工艺过程(5)镀件的预处理及后处理。本发明应用的纳米颗粒材料为TiN、TiC、SiN、SiC和Al₂O₃中的一种或一种以上的组合物，超声—电沉积过程中使用的辅助电极为Ni板或Ni仿形电极，极间距为20～100mm。超声——电沉积过程形成的纳米级功能膜层，结构紧密，强度高韧性好，与基体结合牢固，洛氏硬度可达HRC60以上。适于工业零部件的表面强化或耐磨零件修复作业。

Description

纳米金属陶瓷的超声—电化学沉积方法

技术领域

本发明属于电化学处理方法及其应用，尤其涉及纳米级金属陶瓷的超声—电沉积方法。

背景技术

目前，用于制备纳米金属陶瓷复合材料的主要方法是高能球磨法，即MA法和直接沉淀法。MA法工艺比较简单，制备效率高，但存在制备中易引入杂质，纯度不高，颗粒分布不均等缺点。电沉积法是近年来出现的生成纳米级膜层的高效方法之一，与其他方法相比，具备应用广泛，设备简单，成本低，效率高，工艺灵活，易于控制，便于由试验室向工艺现场转移等优点。但以电沉积法生成的纳米材料主要是纳米金属(合金)晶体和非晶膜，沉积层的厚度＜300nm。其成果尚处于实验室研究阶段，未见有关电沉积及超声—电沉积纳米级金属陶瓷复合膜层的文献报导。超声波技术是一项比较成熟的应用技术，近年才开始应用在纳米材料及纳米膜的制备中。充分发挥超声波和电沉积两种技术的特点，并把二者有机地结合起来，应用在钢制金属零件表面生成纳米金属陶瓷功能膜层的新技术，则是发明人所追求的目标。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用脉冲电流和超声波扰动的组合作用，在钢制金属零件的表面形成纳米金属陶瓷功能膜层的工艺方法。本发明提出的超声—电沉积方法所用的主要设备为适当的镀槽、脉冲电源及其供电线路，超声波发生系统及其传输通路以及进行钢制零件表面的弱腐蚀和汽热水清洗系统。电沉积的工艺过程首先应对纳米级金属化合物进行预先处理。本发明使用的纳米级金属化合物主要包括氮化钛TiN、碳化钛TiC、氮化硅SiN、碳化硅SiC和三氧化二铝Al₂O₃等纳米颗粒。根据复合膜层的需要可选择其中的一种或一种以上的任一组合物。在电镀液配制之前，纳米颗粒从市场购入，应首先进行清洗和分散处理，分散完好的纳米粒子可直接加入电镀液中。

本法采用的电镀液需事先制备，电镀液的成分如下：

        硫酸镍NiSO₄        5～12g/L

        硫酸H₂SO₄        10～50ml/L

        添加剂PPM           0.5～5g/L

        纳米金属粒子        0.2～10g/L

        温度                20～40℃

        PH值                1～6

        辅助电极            Ni板或Ni仿形电极

        极间距              20～100mm

配制完毕的电镀液最好进行电解处理，处理8小时后，静置12小时，再滤清，然后加入规定量的纳米粒子，成混浊液，随后加水至规定量。其次，取欲覆的零件进行镀前处理，无机溶剂或化学溶液去除油污，进行盐酸溶液的弱腐蚀并清洗净尽。在槽液带电的情况下取镀件放入镀槽中，配置好辅助电极，导入脉冲电流和超声波，开始超声—电沉积过程。脉冲电源的参数为：

      脉冲电压幅值        3～15V

      电流密度幅值        5～60A/dm²

      脉冲宽度            1～200ms

      脉冲间歇            1～1000ms

      脉冲占空比          1～1/10

      脉冲频率            100～2000Hz

      脉冲波形            矩形

      加电时间            10～60min

      超声波的参数为：

      波向                X、Y、X+Y

      功率                0～300W

      频率                18～50KHz

      时间                10～100min

镀件的后处理，主要包括热水清洗、流动水清洗等工序。

本发明提供的超声—电沉积方法简单易行，成本低、复合功能膜层的厚度10～100μm，耐磨性好，尤其适用于机械零件的表面强化或因磨损而发生的修复作业。

[实施案例]

实施例1  空压机转子轴颈的复合膜层的超声—电沉积。

空压机转子轴轴颈Φ100×200mm，因磨损而维修，需镀覆纳米金属陶瓷(TiC+TiN)0.08mm，按本法提出的工艺规范在相应镀槽中沉积8小时后，获得了很好的结果。经检测，该轴颈的尺寸已达Φ100.11mm，表面目视光滑，端部略显粗糙，洛氏硬度在HRC60以上。

实施例2  活塞压缩机阀片的表面强化处理

活塞式气体压缩机阀片(外径Φ100mm，内径80mm，厚度0.8mm)，材料为35CrMo。需镀覆纳米金属陶瓷(SiC+SiN)功能膜层厚度达0.02mm，按本法提出的工艺规范在相应镀槽中进行超声—电沉积处理2小时后，获得较好的结果，经检测，阀片表面硬度HRC65～70，单侧金属陶瓷膜层厚度0.02mm，表面光滑，与常规阀片比较，使用寿命提高1.5～2倍。

Claims (4)

1、一种纳米金属陶瓷的超声—电化学沉积方法，将欲镀覆的金属零(构)件经过预处理后置入常规电镀槽中通过脉冲电源和超声波发生器为镀槽加电和引入超声波，在镀件与阳极之间形成电流通路，其特征在于该超声—电沉积过程由以下步骤构成：

(1)纳米级金属化合物的预处理

(2)电镀液的配制

(3)纳米金属混合液与电镀液的配制

(4)超声—电沉积工艺过程

(5)镀件的后处理

2、根据权利要求1所述的一种纳米金属陶瓷功能膜层的超声一电化学沉积方法，其特征在于所述纳米级金属化合物为氮化钛TiN、碳化钛TiC、碳化硅SiC、氮化硅SiN、三氧化二铝Al₂O₃中的一种或其组合物。市售的化合物应置入容器中进行清洗和分散处理，然后按规定量加入配制的电镀液中。

3、根据权利要求1所述的一种纳米金属陶瓷功能膜层的超声—电化学沉积方法，其特征在于所述的电镀液成分为：

硫酸镍NiSO₄             5～12g/L

硫酸H₂SO₄              10～50ml/L

添加剂PPR                 0.5～5g/L

纳米金属粒子              0.2～10g/L

PH值                      1～6

温度                      20～40℃

电镀液配制完成后，通常均应进行电解处理，按常规方法处理8小时后静置12小时后滤清。然后加入规定量的纳米金属粒子混合液，加水至规定容量。

4、根据权利要求3所述的一种纳米金属陶瓷功能膜层的超声—电化学沉积方法，其特征在于所述的超声—电化学沉积过程的工艺参数为：

(1)脉冲电流：

脉冲电压幅值               3～15V

电流密度幅值               5～60A/dm²

脉冲宽度                   1～200ms

脉冲间歇                   1～1000ms

脉冲占空比                 1～1/10

脉冲频率                   100～2000Hz

脉冲波形                   矩形

加电时间                   10～60min

(2)超声波

波向                       X，Y，X+Y

功率                       0～300W

(3)辅助电极                Ni板及Ni仿形电极

(4)极间距                  20～100mm