CN1696353A - 一种金属材料表面纳米化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属材料表面纳米化方法，在电镀装置的电镀液中，将金属材料体作为两个电极中的某一个电极，加载交流电源，对金属材料体表面进行交流电处理，形成具有纳米结构特征的表层。本发明在电镀液中通过交流电作用使金属材料体表面原子不断的剥离与重组，使其表面晶粒细化形成具有纳米结构的表层。与现有超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法相比，设备简单，成本低。且金属材料体在电镀液中进行处理，不受宏观力作用，不会发生塑性形变，不仅适于处理大平面工件，而且特别适于处理形状复杂或精密工件，还能较好地满足精度要求。处理后工件表面纳米层均匀，不存在死角，厚度达10nm～15μm。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料表面纳米化方法。
背景技术
随着纳米科技的发展和纳米材料研究的深入，具有力、热、声、光、电、磁等特异性能的许多低维、小尺寸、功能化的纳米结构表面层能够显著改善材料的组织结构或赋予材料新的特性。在服役环境下，金属材料的失稳多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为。表面纳米化技术和表面纳米化材料有许多独特之处：表面纳米晶组织与基体组织之间不存在明显的界面，不会发生剥层和分离；表面纳米化既适用于材料的整体、又可用于局部的表面改性。表面纳米化既着眼于目前的科学技术水平、又面向实际工程应用，为利用纳米技术明显提高传统工程金属材料的性能和使用寿命提供一条切实可行的途径。中国发明专利CN1180095C提供了一种超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法，该方法利用压缩气体携带硬质微粒，通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面，其表面纳米化工艺参数如下：喷射距离5～50mm、气体压力0.4～3.0Mpa、气体温度为室温、气体流量10～30g/s、送粉电压5～30V，硬质微粒粒径为50纳米～200微米。该方法虽然可可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，纳米层分布也较为均匀。但是这种表面喷丸处理方式通常会使工件表面产生了塑性变形，对于薄片件和精密件处理后会影响工件技术要求精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属材料表面纳米化的方法，不但可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，而且对精密工件表面纳米化处理后能较好地满足精度技术要求。
为解决上述技术问题，其技术解决方案是：
一种金属材料表面纳米化方法，即在电镀装置的电镀液中，将金属材料体作为两个电极中的某一个电极，加载交流电源，对金属材料体表面进行交流电处理，形成具有纳米结构特征的表层。
上述交流电处理中，交流电源可选用20~100Hz交流电源，电流密度为5A/dm2~20A/dm2，通电时间为10~60分钟。
上述电镀液可选用与金属材料体主要元素相同的或其它适宜的金属盐溶液；电镀液为呈酸性的非饱和金属盐溶液；电镀装置中的另一个电极可选用惰性电极、或者与金属材料体同种材质的电极。
上述电镀液的PH值为0.2~3。
上述另一个电极的表面约为金属材料体法向等距面。
上述金属材料体可为纯铁件、碳钢件、不锈钢件或其他适应金属件。
上述金属材料体为纯铁件、碳钢件或不锈钢件；电镀液采用工业镀铁用的氯化物镀液或硫酸盐镀液。
上述氯化物镀液可为氯化亚铁和氯化钙混合镀液，其中氯化亚铁为300~450g/L，氯化钙为150~190g/L，镀液的PH值为0.2~1.8。
上述氯化亚铁镀液，可直接采用铁屑与盐酸反应制得氯化亚铁溶液，再以8A/dm2~10A/dm2的阴极电流密度电解后得到。
上述电镀装置中的另一个电极可选用纯铁电极。
本发明金属材料表面纳米化方法，在电镀液中通过交流电作用使金属材料体表面原子不断的剥离与重组，金属材料体表面晶粒细化形成具有纳米结构的表层。与现有技术中超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法相比，设备简单，成本低。被处理金属材料体置于电镀液中进行处理，不受宏观力作用，处理工件不会产生应力从而不会发生塑性形变，不但可以对大平面的工件进行表面纳米化处理，而且可以对形状复杂或精密工件进行表面纳米化处理且能较好地满足精度技术要求。处理后工件表面纳米层均匀，不存在死角，厚度达10nm～15μm。
具体实施方式
实施例1，对纯铁件、碳钢件或不锈钢件表面的纳米化处理，所配制电镀液可选用氯化亚铁和氯化钙的混合镀液，其中氯化亚铁300g/L，氯化钙150g/L，PH值为0.2；为了进一步降低成本，可自行配置上述氯化亚铁镀液，直接采用铁屑与盐酸反应制得氯化亚铁溶液，再以8A/dm2~10A/dm2的阴极电流密度电解后即可作为镀液使用。将镀液倒入电解槽中，把经过常规表面抛光，丙酮、酒精清洗过的上述金属材料件作为一个电极固定，另一个电极选用纯铁电极或其他同种金属材质的电极。加载(接通)20Hz的交流电源，电流密度为5A/dm2，通电时间为10分钟。
上述实施例1中，交流电源还可选用30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、80Hz、100Hz、120Hz、160Hz、180Hz或220Hz交流电源等；电流密度还可设为6A/dm2、8A/dm2、10A/dm2、15A/dm2、18A/dm2、20A/dm2、30A/dm2、40A/dm2或60A/dm2等；通电时间也可设为15分钟、20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟、60分钟、80分钟、90分钟、100分钟或120分钟等。上述电镀液为非饱和金属盐溶液，还可有其他多种显而易见的浓度配比方式，其PH值还可为0.3、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3或4等。
实施例2，对铜件表面的纳米化处理，所配制电镀液可为硫酸铜溶液，其中硫酸铜200g/L，金属铜55g/L，硫酸60g/L，硫酸质量浓度与铜质量浓度之比约为1∶1。将镀液倒入电解槽中，把经过常规表面抛光，丙酮、酒精清洗过的铜件作为一个电极固定，另一个电极选用惰性电极诸如石墨等。加载(接通)100Hz的交流电源，电流密度为15A/dm2，通电时间为20分钟。
上述实施例2中，交流电源还可选用30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、80Hz、120Hz、160Hz、180Hz或220Hz交流电源等；电流密度还可设为5A/dm2、8A/dm2、10A/dm2、18A/dm2、20A/dm2、30A/dm2、40A/dm2或60A/dm2等；通电时间也可设为10分钟、15分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟、60分钟、80分钟、90分钟、100分钟或120分钟等。上述电镀液为非饱和硫酸铜溶液，还可有其他多种显而易见的浓度配比方式，其PH值可为0.3、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3或4等。
在上述两个实施例中，为了进一步提高金属材料体纳米结构表层厚度的均匀性，可以将上述另一个电极的表面制成约为金属材料体法向等距面。
Claims (10)
1、一种金属材料表面纳米化方法，特征在于：在电镀装置的电镀液中，将金属材料体作为两个电极中的某一个电极，加载交流电源，对金属材料体表面进行交流电处理，形成具有纳米结构特征的表层。
2、根据权利要求1所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述交流电处理中，交流电源选用20~100Hz交流电源，电流密度为5A/dm2~20A/dm2，通电时间为10~60分钟。
3、根据权利要求1所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述电镀液选用与金属材料体主要元素相同的或其它适宜的金属盐溶液；电镀液为呈酸性的非饱和金属盐溶液；电镀装置中的另一个电极可选用惰性电极、或者与金属材料体同种材质的电极。
4、根据权利要求3所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述电镀液的PH值为0.2~3。
5、根据权利要求1所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述电镀装置中另一个电极的表面约为金属材料体法向等距面。
6、根据权利要求1至5任一要求所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述金属材料体为纯铁件、碳钢件、不锈钢件或其他适应金属件。
7、根据权利要求6所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述金属材料体为纯铁件、碳钢件或不锈钢件；电镀液采用工业镀铁用的氯化物镀液或硫酸盐镀液。
8、根据权利要求7所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述氯化物镀液为氯化亚铁和氯化钙混合镀液，其中氯化亚铁为300~450g/L，氯化钙为150~190g/L，镀液的PH值为0.2~1.8。
9、根据权利要求8所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述氯化亚铁镀液，直接采用铁屑与盐酸反应制得氯化亚铁溶液，再以8A/dm2~10A/dm2的阴极电流密度电解后得到。
10、根据权利要求7所述的金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述电镀装置中的另一个电极选用纯铁电极。
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