一種非晶鐵磷合金復合鍍層及其電鍍工藝的制作方法
【專利摘要】一種非晶鐵磷合金復合鍍層及其電鍍工藝，所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的70-85wt%，P含量為復合鍍層的8-25wt%，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7和MoS2，V8C7含量為復合鍍層的1-10wt%，MoS2含量為復合鍍層的1-5wt%。本發明還包括所述非晶鐵磷合金復合鍍層的電鍍工藝。本發明復合鍍層在宏觀塑性、沖擊韌性方面具有良好性能且具有自潤滑特性，適用范圍更廣。
【專利說明】—種非晶鐵磷合金復合鍍層及其電鍍工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合鍍層及其電鍍工藝，尤其是涉及一種非晶鐵磷合金復合鍍層及其電鍍工藝。
【背景技術】
[0002]復合電鍍是采用電化學方法使金屬(或合金)與固體微粒(或纖維)共沉積。復合鍍層中基體金屬和添加的固體微粒之間幾乎不發生擴散現象，因此兼有基體金屬和固體微粒的綜合性能。復合電鍍的技術適用性和實用性寬廣，具有較強的可變性和可操作性，應用日益廣泛。
[0003]而非晶結構上的特殊性(短程有序)，使得非晶材料與傳統金屬相比，具有優良的力學性能、抗腐蝕能力、化學活性等優點。但是，非晶材料在室溫變形時易誘發局域絕熱剪切帶形成單重剪切裂紋而突然斷裂失效，幾乎不展現宏觀的塑性變形特征，這極大地限制了非晶材料作為結構材料的應用。另一方面，非晶的結構特點決定其處于熱力學的亞穩狀態，這也限制了非晶材料在較高溫度場合下的使用。因此，利用第二相強韌化原理，采用復合技術，在非晶材料中添加高硬度粒子(或纖維)，使宏觀塑性、沖擊韌性得以提高，已在一些非晶材料中取得一定的成果。
[0004]CN103436944A于2013年12月11日公開了一種非晶鐵磷合金/V8C7復合鍍層及其電鍍工藝，所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的60_89wt%，P含量為復合鍍層的10-30wt%，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7,含量為復合鍍層的l-10wt%o其鍍層添加的固體微粒單一，調整鍍層性能的范圍小，應用領域偏小。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種在宏觀塑性、沖擊韌性方面具有良好性能，及具有自潤滑特性的非晶鐵磷合金復合鍍層及其電鍍工藝。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
本發明之非晶鐵磷合金復合鍍層，所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的70-85wt%，P含量為復合鍍層的8-25wt% (優選10_20wt%)，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7和MoS2, V8C7含量為復合鍍層的l_10wt% (優選3-7wt%)，MoS2含量為復合鍍層的l-5wt% (優選2-3wt%)。
[0007]本發明之非晶鐵磷合金復合鍍層的電鍍工藝，包括以下步驟:
(O金屬被鍍表面的預處理:金屬被鍍表面預先采用機械(或電解)拋光，然后用15-25wt%氫氧化鈉溶液進行超聲波脫脂，最后采用8-15wt%鹽酸溶液活化處理
0.2—2.0min ；
(2)固體微粒的活化處理:將微粒V8C7與MoS2按質量比為5-25:5-15的比例一起加到15-25wt%的鹽酸溶液中，加熱至60-80°C處理10_30min，過濾后用蒸餾水清洗2_4次，備用；(3)復合電鍍液的配制；將亞鐵鹽(硫酸亞鐵、氯化亞鐵或兩者的混合物)、硼酸、十二烷基苯磺酸鈉、V8C7和MoS2、氯化鉀、抗壞血酸、次磷酸鈉溶入蒸餾水或去離子水中，加熱至50-700C，然后滴定磷酸溶液至pH值1-3，機械攪拌0.5-2.0h,得復合電鍍液；
所述蒸懼水或去離子水中:亞鐵鹽0.5-1.5mol/L,硼酸20_50g/L,十二烷基苯磺酸鈉
0.5-2g/L, V8C7 5-25g/L (優選 10_15g/L)，MoS2 5_15g/L，氯化鉀 10_40g/L (優選 20_30g/L)，抗壞血酸l-4g/L (優選2-3g/L)，次磷酸鈉20-50g/L ；
(4)復合鍍層的制備:預處理后的鍍件接入電鍍槽陰極，陽極采用石墨或不銹鋼，電鍍時攪拌復合電鍍液或平移鍍件(保證兩電極的距離不變)，電極的電流密度控制為50-500mA/mm2,電解液溫度為50_70°C，電鍍10_30min后，水洗、吹干；
(5)復合鍍層的后處理:將被鍍產品在溫度150-300°C下保溫0.5-3.0h,以降低鍍層內應力及除氫。
[0008]研究表明，Fe-P非晶合金具有高強、良好的耐磨和耐蝕等優異性能，且原材料成本低廉，是復合鍍層理想的基體材料；V8C7作為一種非化學計量化合物，具有很高的強度、硬度等特點，并是一種高效的晶粒長大抑制劑，可在提高非晶合金鍍層的耐磨性及組織穩定性方面發揮作用；而MoS2具有分散性好、不粘結的優點，可增加油脂的潤滑性和極壓性，適用于高溫、高壓、高轉速高負荷的機械工作狀態。由于MoS2與V8C7在硬度和彈性模量等方面性能差異較大，本發明復合鍍層可通過MoS2的變形以降低鍍層的內應力，還可使干摩擦狀態下的摩擦系數減小8~15%，以提高復合鍍層的耐磨性能。
[0009]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
1、與液態急冷法等方法制備非晶材料相比，電鍍法在常溫下進行，可解決高溫下MoS2這類易分解粒子復合的問題，且具有設備`投資少、鍍液成分簡單，穩定性高，壽命較長，原材料利用率高等特點；而與內生復合法制備非晶復合材料相比，能源消耗更少、組織更均勻。
[0010]2、該電鍍液配方不含氰化物、六價鉻、鎘等有毒物質，可降低電鍍液回收處理的成本和難度，可實現綠色生產。
[0011]3、利用V8C7的高硬度以抑制非晶變形時單一剪切帶的滑移，促使多重剪切帶的產生和滑移，提高非晶復合鍍層的宏觀塑性和沖擊韌性，同時也增強復合鍍層的耐磨性；利用V8C7對晶粒長大的高效抑制作用，提高組織的穩定性；利用MoS2的潤滑和減摩作用，特別可使復合鍍層在干摩擦狀態摩擦系數減小8~15%，提高復合鍍層的耐磨性。
[0012]4、兼有V8C7、MoS2和非晶合金的性能，復合鍍層具有高強、高塑、自潤滑、高耐磨等優點。
[0013]5、可通過調整電鍍液主要成分(亞鐵鹽、次磷酸鈉、V8C7, MoS2)的濃度配比及兩種微粒的大小配比，獲得不同成分的復合鍍層，滿足不同場合的性能要求。
【具體實施方式】
[0014]以下結合實施例對本發明作進一步說明。
[0015]實施例1
本實施例之非晶鐵磷合金復合鍍層，所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的82.lwt%，P含量為復合鍍層的11.5wt%，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7和MoS2, V8C7含量為復合鍍層的3.7wt%, MoS2含量為復合鍍層的2.7wt%。[0016]其電鍍工藝，包括以下步驟:
(1)被鍍金屬表面的預處理:鍍材選用45號鋼板，被鍍表面先后經銑削、磨削、研磨加工，然后在超聲波清洗機采用20wt%氫氧化鈉溶液清洗以去油脂，超聲波清洗機工作頻率為40KHz，最后采用10wt%鹽酸溶液去除被鍍表面的氧化膜，活化金屬表面0.5min ；
(2)固體微粒的活化處理:將微粒V8C7與MoS2按質量比為10:6的比例一起加到20wt%的鹽酸溶液中，加熱至70°C處理30min，過濾后用蒸餾水清洗3次，備用；
(3)復合電鍍液的配制；將氯化亞鐵、硼酸、十二烷基苯磺酸鈉、V8C7和MoS2、氯化鉀、抗壞血酸、次磷酸鈉加入去離子水中，加熱至60°C，再滴定磷酸溶液至pH值2，采用攪拌器攪拌1.5h，得復合電鍍液；
所述去離子水中:氯化亞鐵1.0mol/L,硼酸30g/L,十二烷基苯磺酸鈉0.5g/L, V8C710g/L，MoS2 6g/L，氯化鉀25g/L，抗壞血酸2g/L，次磷酸鈉35g/L ；
(4)復合鍍層的制備:預處理后的鍍件接入電鍍槽陰極，陽極采用石墨，攪拌器攪拌復合電鍍液，電流密度為120mA/mm2，溫度為60°C，電鍍20min后，水洗、吹干； (5)復合鍍層的后處理:將被鍍產品在溫度220°C下保溫2h，以降低鍍層的內應力和除氫。
[0017]本實施例所述的非晶鐵磷合金復合鍍層性能測試在立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，試樣尺寸為0 34mm，其摩擦對偶為經淬火處理的0 2mmGCrl5圓柱，試驗機轉速為200r/min，載荷為20g，磨損時間為20min，常溫無潤滑的滑動摩擦，摩擦系數為0.22，復合鍍層的單位磨損量為1.04 mg ο比在相同條件下的40CrNi (調制處理后)磨損量減小18%,摩擦系數減小9% ;與CN103436944A所述復合鍍層相比，摩擦系數減小11%，磨損量減小7.8%。
[0018]實施例2
本實施例之非晶鐵磷合金復合鍍層，所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的76.2wt%，P含量為復合鍍層的16.4wt%，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7和MoS2, V8C7含量為復合鍍層的4.3wt%，MoS2含量為復合鍍層的3.lwt%。
[0019]其電鍍工藝，包括以下步驟:
(1)電鍍表面的預處理:鍍材選用Q235號鋼板，首先經銑削、磨削、研磨加工被鍍表面，然后用20被％氫氧化鈉溶液進行超聲波脫脂，超聲波清洗機工作頻率為40KHz，最后采用15wt%鹽酸溶液去除被鍍表面的氧化膜，活化金屬表面0.5min ；
(2)微粒的活化處理:將微粒V8C7與MoS2按質量比為15:8的比例一起加到25wt%的鹽酸溶液中，加熱至65°C處理30min，過濾后用蒸餾水清洗3次，備用；
(3)復合電鍍液的配制；將氯化亞鐵、硫酸亞鐵、硼酸、十二烷基苯磺酸鈉、V8C7和MoS2、氯化鉀、抗壞血酸、次磷酸鈉加入去蒸餾水中，加熱至60°C，再滴定磷酸溶液調節pH值至1.5，機械攪拌1.5h，得復合電鍍液；
所述蒸餾水中:氯化亞鐵0.4mol/L，硫酸亞鐵0.6mol/L，硼酸25g/L，十二烷基苯磺酸鈉 0.5g/L，V8C7 15g/L，MoS2 8g/L，氯化鉀 20g/L，抗壞血酸 2g/L，次磷酸鈉 45g/L ；
(4)復合鍍層的制備:預處理后的鍍件接入電鍍槽陰極，陽極采用不銹鋼，攪拌電鍍液，電流密度為160mA/mm2，溫度為55°C，電鍍25min后，水洗、吹干；
(5)復合鍍層的后處理:將被鍍產品在溫度200°C下保溫1.5h，以降低鍍層內應力和除氫。[0020]本實施例所述的非晶鐵磷合金復合鍍層性能測試在立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，試樣尺寸為0 34 mm，其摩擦對偶為經淬火處理的Φ2 _GCrl5圓柱,試驗機轉速為200 r/min，載荷為20g，磨損時間為20 min，常溫潤滑(潤滑劑為豆油)的滑動摩擦，摩擦系數為0.13，復合鍍層的單位磨損量為0.83 mg。比在相同條件下的40CrNi (調制處理后)摩擦系數減小4.8%，磨損量減小15% ;與CN103436944A所述復合鍍層相比，摩擦系數減小5%，磨損量減 小6%。
【權利要求】
1.一種非晶鐵磷合金復合鍍層，其特征在于:所述復合鍍層的基體材質為非晶態Fe-P合金，Fe含量為復合鍍層的70_85wt%，P含量為復合鍍層的8_25wt%，所述復合鍍層中含有固體微粒V8C7和MoS2, V8C7含量為復合鍍層的l_10wt%，MoS2含量為復合鍍層的l_5wt%。
2.一種如權利要求1所述的非晶鐵磷合金復合鍍層的電鍍工藝，其特征在于，包括以下步驟: (O金屬被鍍表面的預處理:金屬被鍍表面預先米用機械拋光，然后用15-25wt%氫氧化鈉溶液進行超聲波脫脂，最后采用8-15wt%鹽酸溶液活化處理0.2-2.0min ； (2)固體微粒的活化處理:將微粒V8C7與MoS2按質量比為5-25:5-15的比例一起加到15-25wt%的鹽酸溶液中，加熱至60-80°C處理10_30min，過濾后用蒸餾水清洗2_4次，備用； (3)復合電鍍液的配制；將亞鐵鹽、硼酸、十二烷基苯磺酸鈉、V8C7和MoS2、氯化鉀、抗壞血酸、次磷酸鈉溶入蒸餾水或去離子水中，加熱至50-70°C，然后滴定磷酸溶液至pH值1-3，機械攪拌0.5-2.0h，得復合電鍍液； 所述蒸懼水或去離子水中:亞鐵鹽0.5-1.5mol/L,硼酸20_50g/L,十二烷基苯磺酸鈉 0.5-2g/L，V8C7 5-25g/L，MoS2 5_15g/L，氯化鉀 10_40g/L，抗壞血酸 l_4g/L，次磷酸鈉20-50g/L ； (4)復合鍍層的制備:預處理后的鍍件接入電鍍槽陰極，陽極采用石墨或不銹鋼，電鍍時攪拌復合電鍍液或平移鍍件，電極的電流密度控制為50-500mA/mm2，電解液溫度為50-70°C，電鍍10-30m in后，水洗、吹干； (5)復合鍍層的后處理:將被鍍產品在溫度150-300°C下保溫0.5-3.0h,以降低鍍層內應力及除氫。
【文檔編號】C22C45/02GK103695988SQ201310698572
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】羅奕兵, 吳淵, 劉新華, 戴曉元, 張健 申請人:北京科技大學