CN1766174A - 耐磨镍磷功能梯度镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨镍磷功能梯度镀层的制备方法。利用梯度材料的设计思路，采用单槽电镀法，通过逐渐增大电流密度和控制相应的沉积时间可以制备出磷含量呈明显梯度变化的镍磷合金功能梯度镀层。其优点在于制备出的合金梯度层所具有的磷含量梯度和热膨胀系数梯度分布可以有效地缓解镀层与底材由于热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题。从而表现出与底材显著增强的结合强度和较高的抗磨性能。高温热处理后，镍磷功能梯度镀层常温耐磨性与硬铬镀层相当，其高温耐磨性是硬铬层的2倍。该梯度镀层有望在成本和性能方面代替目前工业上广泛应用的耐磨硬铬镀层。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨镍磷功能梯度镀层的制备方法。
背景技术
电镀铬镀层以其优异的耐磨耐蚀性，在机械加工工业中得到了广泛的应用，如在液压油缸、活塞环、模具等许多机械零部件表面均采用电镀硬铬来提高其强度和耐磨性能。资料显示，如果没有镀铬工艺，全球由于磨损而造成的损失，将会以千万亿元计算。但是，在电镀硬铬的过程中，废水和废气中大量的六价铬对环境造成很大的污染，六价铬可以造成人体肾功能衰竭，心率衰竭，白血病，并可强烈引发癌症。为此，各国政府都采取了一定的限制措施，欧盟发布指令，2007年7月1日以后，将在欧洲全境禁止使用六价铬和其制品。因此，广大从事表面处理的科技工作者都积极寻找代铬工艺，其中电沉积镍基合金镀层技术将是未来比较理想的代铬工艺。
非晶态合金是近30年发展起来的“世纪性材料“，具有优良的机械性能和物理化学性能，已经引起工业界和科学界的极大兴趣。非晶态镍磷合金镀层具有优异的耐蚀性，且镀层经热处理后的硬度接近或超过硬铬镀层，同时具有低的摩擦系数和高的耐磨性，因而在材料表面处理工程中已经得到了越来越广泛的应用。但是高温热处理后，由于镍磷合金镀层与底材热膨胀系数的差异较大，镀层内部会产生大量的深度裂纹，从而使界面难以达到足够的强度，同时在磨损过程中裂纹向底材的迅速扩展会大幅降低其耐磨性。从而限制了镍磷合金镀层在高温以及耐磨场合下的实际应用。因此，合理的开发镍磷基功能梯度镀层是目前研究的主要方向之一。
所谓功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料，该材料所展现的优良性能已收到世界材料工作者的高度重视。因此，采用功能梯度材料的设计思路可以有效缓解高温热处理过程中镀层与底材间由于热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题，从而提高其抗磨性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨镍磷功能梯度代铬镀层的制备方法，通过镍磷镀层内部合理的成分和结构的多层梯度化设计，制备的功能梯度合金镀层可以有效地缓解镀层与底材的热应力问题，抑制高温热处理后合金镀层由于脆性以及热应力而在磨损过程中产生的严重破坏性裂纹，从而提高其强度和抗磨性能。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种耐磨镍磷功能梯度镀层的制备方法，其特征在于采用电镀法制备，电解液由硫酸镍，氯化镍，硼酸和亚磷酸组成；电镀时纯镍片为阳极，将经过常规镀前预处理后的钢铁工件作阴极；电解液pH值控制在1-2，控制施镀温度在65-70℃，沉积过程中通过控制阴极电流密度和控制相应的沉积时间：
阴极电流密度(A/dm2) 电沉积时间(min)
5 15
10 6
15 5
20 4
25 3
30 2
即可沉积出厚度超过30μm，总层数为6层的非晶态镍磷功能梯度镀层。
本发明每升电解液中含有硫酸镍的浓度为225-255g，氯化镍28-32g，硼酸28-32g，亚磷酸19-21g。
本发明制备出的梯度层结构致密均匀，表面平整，表面达到了镜面光亮的效果。梯度层EDS成分分析结果表明，从底材界面到镀层表面，磷含量从14.79wt％到8.52wt％逐渐降低，镀层中磷含量呈显著的梯度变化。(翟金坤，黄子勋译.化学镀镍.北京：航空航天大学出版社，1987)报道表明镀层热膨胀系数基本上随着磷含量增加而线性下降，高磷含量镀层的系数近似于钢的。对梯度合金镀层，采用淬水法作了热震实验，温差为400℃，经过5次热循环后，普通镍磷合金镀层的表面出现了一定的裂纹；经过20次热循环后，普通镍磷镀层完全剥落。而梯度镍磷合金镀层经过80次热循环后，仍然没有发生剥落，说明具有梯度镀层设计的镍磷镀层的抗热冲击性显著优于非梯度镀层。这也说明了本发明中的镍磷合金梯度镀层设计，能够有效缓解高温热处理过程中，镀层与钢底材间由于热膨胀系数不匹配而造成的热应力和镀层内部深度裂纹的问题。摩擦磨损试验表明：经400℃高温热处理后，镍磷功能梯度镀层耐磨性比普通镍磷合金镀层提高1-2倍。
附图说明
图1是是本本发明非晶态镍磷合金功能梯度镀层断面的SEM照片
图2是本发明非晶态镍磷合金功能梯度镀层中磷含量的相对变化。
具体实施方式
实施例1：
耐磨镍磷功能梯度镀层采用电镀法制备，使用可控电流的直流电源。电镀时纯镍片作阳极，将经过常规镀前预处理后的钢铁工件作阴极，电镀镍磷梯度镀层的电解液组成如下：硫酸镍的浓度为240g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，亚磷酸20g/L。调节镀液pH值在1.5，保持温度在65-70℃范围内，在上述镀液中，采用稀盐酸调节电镀过程中镀液的pH值恒定，按照表1所示的工艺控制电流密度和相应的电沉积时间，即可沉积出厚度超过30μm的非晶态镍磷合金功能梯度镀层。
表1电镀非晶态镍磷功能梯度镀层工艺参数
| 阴极电流密度(A/dm2)51015202530 | 电沉积时间(min)1565432 |
制备的镍磷功能梯度镀层，镀层总层数为6层。将该镀层与工业硬铬镀层的技术指标及性能进行了对比，采用表面轮廓仪测试了镀层表面粗糙度；采用显微硬度计测试了镀层的显微硬度；采用往复球盘摩擦磨损实验机测试了镀层的室温磨损率；采用高温摩擦实验机对镀层的高温抗磨性进行了测试，结果如表2所示。可见，镍磷功能梯度镀层经高温热处理后，室温干摩擦条件下，其耐磨性硬硬铬镀层相当或略优于硬铬镀层；高温磨损实验表明，梯度合金镀层的耐磨性均好于硬铬镀层，400℃时梯度合金镀层耐磨性是硬铬镀层的2倍左右，同时镍磷功能梯度镀层表现出较低的干摩擦系数和较好的高温硬度特性。因此，本发明镍磷功能梯度镀层又望在性能方面取代硬铬镀层，同时该工艺大大降低了对环境的污染和对人体的危害，是一种非常有工业应用前景的新技术工艺。
表2镍磷功能梯度镀层与工业硬铬镀层性能对比
| 镍磷功能梯度镀层 | 工业硬铬镀层 | |
| 镀层表面光亮度表面粗糙度(Ra，μm) | 镜面全光亮0.11-0.18 | 半光亮0.39-0.43 |
| 镀态硬度 | 500-600Hv | 900-1100Hv |
| 400℃回火硬度 | 1000-1100Hv | 750-800Hv |
| 室温磨损率(载荷，20N) | 3.55×10-5mm3/Nm | 4.23×10-5mm3/Nm |
| 400℃高温磨损率(载荷，10N) | 3.74×10-5mm3/Nm | 7.22×10-5mm3/Nm |
| 摩擦系数 | 0.44-0.47 | 0.53-0.58 |
Claims (2)
1、一种耐磨镍磷功能梯度镀层的制备方法，其特征在于采用电镀法制备，电解液由硫酸镍，氯化镍，硼酸和亚磷酸组成；电镀时纯镍片为阳极，将经过常规镀前预处理后的钢铁工件作阴极；电解液pH值控制在1-2，控制施镀温度在65-70℃，沉积过程中通过控制阴极电流密度和控制相应的沉积时间：
阴极电流密度(A/dm2) 电沉积时间(min)
5 15
10 6
15 5
20 4
25 3
30 2
即可沉积出厚度超过30μm，总层数为6层的非晶态镍磷功能梯度镀层。
2、如权利要求1所说的方法，其特征在于每升电解液中含有硫酸镍的浓度为225-255g，氯化镍28-32g，硼酸28-32g，亚磷酸19-21g。
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Assignee: YIZHENG DOUBLE LOOP PISTON RING Co.,Ltd. Assignor: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2011320000704 Denomination of invention: Antiwear nickel phosphor functionalized gradient plate preparation method Granted publication date: 20081210 License type: Exclusive License Open date: 20060503 Record date: 20110509 |
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