專利名稱：耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法。
背景技術(shù)：
電鍍鉻鍍層以其優(yōu)異的耐磨耐蝕性，在機(jī)械加工工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如在液壓油缸、活塞環(huán)、模具等許多機(jī)械零部件表面均采用電鍍硬鉻來(lái)提高其強(qiáng)度和耐磨性能。資料顯示，如果沒有鍍鉻工藝，全球由于磨損而造成的損失，將會(huì)以千萬(wàn)億元計(jì)算。但是，在電鍍硬鉻的過程中，廢水和廢氣中大量的六價(jià)鉻對(duì)環(huán)境造成很大的污染，六價(jià)鉻可以造成人體腎功能衰竭，心率衰竭，白血病，并可強(qiáng)烈引發(fā)癌癥。為此，各國(guó)政府都采取了一定的限制措施，歐盟發(fā)布指令，2007年7月1日以后，將在歐洲全境禁止使用六價(jià)鉻和其制品。因此，廣大從事表面處理的科技工作者都積極尋找代鉻工藝，其中電沉積鎳基合金鍍層技術(shù)將是未來(lái)比較理想的代鉻工藝。
非晶態(tài)合金是近30年發(fā)展起來(lái)的“世紀(jì)性材料“，具有優(yōu)良的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，已經(jīng)引起工業(yè)界和科學(xué)界的極大興趣。非晶態(tài)鎳磷合金鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性，且鍍層經(jīng)熱處理后的硬度接近或超過硬鉻鍍層，同時(shí)具有低的摩擦系數(shù)和高的耐磨性，因而在材料表面處理工程中已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是高溫?zé)崽幚砗?，由于鎳磷合金鍍層與底材熱膨脹系數(shù)的差異較大，鍍層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的深度裂紋，從而使界面難以達(dá)到足夠的強(qiáng)度，同時(shí)在磨損過程中裂紋向底材的迅速擴(kuò)展會(huì)大幅降低其耐磨性。從而限制了鎳磷合金鍍層在高溫以及耐磨場(chǎng)合下的實(shí)際應(yīng)用。因此，合理的開發(fā)鎳磷基功能梯度鍍層是目前研究的主要方向之一。
所謂功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，簡(jiǎn)稱FGM)是指構(gòu)成材料的要素(組成、結(jié)構(gòu))沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)變化，從而使材料性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種新型材料，該材料所展現(xiàn)的優(yōu)良性能已收到世界材料工作者的高度重視。因此，采用功能梯度材料的設(shè)計(jì)思路可以有效緩解高溫?zé)崽幚磉^程中鍍層與底材間由于熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問題，從而提高其抗磨性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨鎳磷功能梯度代鉻鍍層的制備方法，通過鎳磷鍍層內(nèi)部合理的成分和結(jié)構(gòu)的多層梯度化設(shè)計(jì)，制備的功能梯度合金鍍層可以有效地緩解鍍層與底材的熱應(yīng)力問題，抑制高溫?zé)崽幚砗蠛辖疱儗佑捎诖嘈砸约盁釕?yīng)力而在磨損過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞性裂紋，從而提高其強(qiáng)度和抗磨性能。
本發(fā)明的目的是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的一種耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法，其特征在于采用電鍍法制備，電解液由硫酸鎳，氯化鎳，硼酸和亞磷酸組成；電鍍時(shí)純鎳片為陽(yáng)極，將經(jīng)過常規(guī)鍍前預(yù)處理后的鋼鐵工件作陰極；電解液pH值控制在1-2，控制施鍍溫度在65-70℃，沉積過程中通過控制陰極電流密度和控制相應(yīng)的沉積時(shí)間陰極電流密度(A/dm2) 電沉積時(shí)間(min)5 15106155204253302即可沉積出厚度超過30μm，總層數(shù)為6層的非晶態(tài)鎳磷功能梯度鍍層。
本發(fā)明每升電解液中含有硫酸鎳的濃度為225-255g，氯化鎳28-32g，硼酸28-32g，亞磷酸19-21g。
本發(fā)明制備出的梯度層結(jié)構(gòu)致密均勻，表面平整，表面達(dá)到了鏡面光亮的效果。梯度層EDS成分分析結(jié)果表明，從底材界面到鍍層表面，磷含量從14.79wt％到8.52wt％逐漸降低，鍍層中磷含量呈顯著的梯度變化。(翟金坤，黃子勛譯.化學(xué)鍍鎳.北京航空航天大學(xué)出版社，1987)報(bào)道表明鍍層熱膨脹系數(shù)基本上隨著磷含量增加而線性下降，高磷含量鍍層的系數(shù)近似于鋼的。對(duì)梯度合金鍍層，采用淬水法作了熱震實(shí)驗(yàn)，溫差為400℃，經(jīng)過5次熱循環(huán)后，普通鎳磷合金鍍層的表面出現(xiàn)了一定的裂紋；經(jīng)過20次熱循環(huán)后，普通鎳磷鍍層完全剝落。而梯度鎳磷合金鍍層經(jīng)過80次熱循環(huán)后，仍然沒有發(fā)生剝落，說明具有梯度鍍層設(shè)計(jì)的鎳磷鍍層的抗熱沖擊性顯著優(yōu)于非梯度鍍層。這也說明了本發(fā)明中的鎳磷合金梯度鍍層設(shè)計(jì)，能夠有效緩解高溫?zé)崽幚磉^程中，鍍層與鋼底材間由于熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力和鍍層內(nèi)部深度裂紋的問題。摩擦磨損試驗(yàn)表明經(jīng)400℃高溫?zé)崽幚砗?，鎳磷功能梯度鍍層耐磨性比普通鎳磷合金鍍層提?-2倍。


圖1是是本本發(fā)明非晶態(tài)鎳磷合金功能梯度鍍層斷面的SEM照片圖2是本發(fā)明非晶態(tài)鎳磷合金功能梯度鍍層中磷含量的相對(duì)變化。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1耐磨鎳磷功能梯度鍍層采用電鍍法制備，使用可控電流的直流電源。電鍍時(shí)純鎳片作陽(yáng)極，將經(jīng)過常規(guī)鍍前預(yù)處理后的鋼鐵工件作陰極，電鍍鎳磷梯度鍍層的電解液組成如下硫酸鎳的濃度為240g/L，氯化鎳30g/L，硼酸30g/L，亞磷酸20g/L。調(diào)節(jié)鍍液pH值在1.5，保持溫度在65-70℃范圍內(nèi)，在上述鍍液中，采用稀鹽酸調(diào)節(jié)電鍍過程中鍍液的pH值恒定，按照表1所示的工藝控制電流密度和相應(yīng)的電沉積時(shí)間，即可沉積出厚度超過30μm的非晶態(tài)鎳磷合金功能梯度鍍層。
表1電鍍非晶態(tài)鎳磷功能梯度鍍層工藝參數(shù)

制備的鎳磷功能梯度鍍層，鍍層總層數(shù)為6層。將該鍍層與工業(yè)硬鉻鍍層的技術(shù)指標(biāo)及性能進(jìn)行了對(duì)比，采用表面輪廓儀測(cè)試了鍍層表面粗糙度；采用顯微硬度計(jì)測(cè)試了鍍層的顯微硬度；采用往復(fù)球盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試了鍍層的室溫磨損率；采用高溫摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍層的高溫抗磨性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示。可見，鎳磷功能梯度鍍層經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅覝馗赡Σ翖l件下，其耐磨性硬硬鉻鍍層相當(dāng)或略優(yōu)于硬鉻鍍層；高溫磨損實(shí)驗(yàn)表明，梯度合金鍍層的耐磨性均好于硬鉻鍍層，400℃時(shí)梯度合金鍍層耐磨性是硬鉻鍍層的2倍左右，同時(shí)鎳磷功能梯度鍍層表現(xiàn)出較低的干摩擦系數(shù)和較好的高溫硬度特性。因此，本發(fā)明鎳磷功能梯度鍍層又望在性能方面取代硬鉻鍍層，同時(shí)該工藝大大降低了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害，是一種非常有工業(yè)應(yīng)用前景的新技術(shù)工藝。
表2鎳磷功能梯度鍍層與工業(yè)硬鉻鍍層性能對(duì)比

權(quán)利要求
1.一種耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法，其特征在于采用電鍍法制備，電解液由硫酸鎳，氯化鎳，硼酸和亞磷酸組成；電鍍時(shí)純鎳片為陽(yáng)極，將經(jīng)過常規(guī)鍍前預(yù)處理后的鋼鐵工件作陰極；電解液pH值控制在1-2，控制施鍍溫度在65-70℃，沉積過程中通過控制陰極電流密度和控制相應(yīng)的沉積時(shí)間陰極電流密度(A/dm2) 電沉積時(shí)間(min)5 1510 615 520 425 330 2即可沉積出厚度超過30μm，總層數(shù)為6層的非晶態(tài)鎳磷功能梯度鍍層。
2.如權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于每升電解液中含有硫酸鎳的濃度為225-255g，氯化鎳28-32g，硼酸28-32g，亞磷酸19-21g。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法。利用梯度材料的設(shè)計(jì)思路，采用單槽電鍍法，通過逐漸增大電流密度和控制相應(yīng)的沉積時(shí)間可以制備出磷含量呈明顯梯度變化的鎳磷合金功能梯度鍍層。其優(yōu)點(diǎn)在于制備出的合金梯度層所具有的磷含量梯度和熱膨脹系數(shù)梯度分布可以有效地緩解鍍層與底材由于熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問題。從而表現(xiàn)出與底材顯著增強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度和較高的抗磨性能。高溫?zé)崽幚砗?，鎳磷功能梯度鍍層常溫耐磨性與硬鉻鍍層相當(dāng)，其高溫耐磨性是硬鉻層的2倍。該梯度鍍層有望在成本和性能方面代替目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的耐磨硬鉻鍍層。
文檔編號(hào)C25D5/00GK1766174SQ200410090218
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者徐洮, 王立平, 高燕, 薛群基, 梁愛民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所