專利名稱：耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種耐磨鎳磷功能梯度鍍層的制備方法。
背景技術：
電鍍鉻鍍層以其優異的耐磨耐蝕性，在機械加工工業中得到了廣泛的應用，如在液壓油缸、活塞環、模具等許多機械零部件表面均采用電鍍硬鉻來提高其強度和耐磨性能。資料顯示，如果沒有鍍鉻工藝，全球由于磨損而造成的損失，將會以千萬億元計算。但是，在電鍍硬鉻的過程中，廢水和廢氣中大量的六價鉻對環境造成很大的污染，六價鉻可以造成人體腎功能衰竭，心率衰竭，白血病，并可強烈引發癌癥。為此，各國政府都采取了一定的限制措施，歐盟發布指令，2007年7月1日以后，將在歐洲全境禁止使用六價鉻和其制品。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將是未來比較理想的代鉻工藝。
非晶態合金是近30年發展起來的“世紀性材料“，具有優良的機械性能和物理化學性能，已經引起工業界和科學界的極大興趣。非晶態鎳磷合金鍍層具有優異的耐蝕性，且鍍層經熱處理后的硬度接近或超過硬鉻鍍層，同時具有低的摩擦系數和高的耐磨性，因而在材料表面處理工程中已經得到了越來越廣泛的應用。但是高溫熱處理后，由于鎳磷合金鍍層與底材熱膨脹系數的差異較大，鍍層內部會產生大量的深度裂紋，從而使界面難以達到足夠的強度，同時在磨損過程中裂紋向底材的迅速擴展會大幅降低其耐磨性。從而限制了鎳磷合金鍍層在高溫以及耐磨場合下的實際應用。因此，合理的開發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，簡稱FGM)是指構成材料的要素(組成、結構)沿厚度方向由一側向另一側呈連續變化，從而使材料性質和功能也呈梯度變化的一種新型材料，該材料所展現的優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計思路可以有效緩解高溫熱處理過程中鍍層與底材間由于熱膨脹系數不匹配而造成的熱應力問題，從而提高其抗磨性能。
發明內容
本發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，通過鎳磷鍍層內部合理的成分和結構的多層梯度化設計，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力問題，抑制高溫熱處理后合金鍍層由于脆性以及熱應力而在磨損過程中產生的嚴重破壞性裂紋，從而提高其強度和抗磨性能。
本發明的目的是通過以下措施實現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；電鍍時純鎳片為陽極，將經過常規鍍前預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的沉積時間陰極電流密度(A/dm2) 電沉積時間(min)5 15106155204253302即可沉積出厚度超過30μm，總層數為6層的非晶態鎳磷功能梯度鍍層。
本發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。
本發明制備出的梯度層結構致密均勻，表面平整，表面達到了鏡面光亮的效果。梯度層EDS成分分析結果表明，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.化學鍍鎳.北京航空航天大學出版社，1987)報道表明鍍層熱膨脹系數基本上隨著磷含量增加而線性下降，高磷含量鍍層的系數近似于鋼的。對梯度合金鍍層，采用淬水法作了熱震實驗，溫差為400℃，經過5次熱循環后，普通鎳磷合金鍍層的表面出現了一定的裂紋；經過20次熱循環后，普通鎳磷鍍層完全剝落。而梯度鎳磷合金鍍層經過80次熱循環后，仍然沒有發生剝落，說明具有梯度鍍層設計的鎳磷鍍層的抗熱沖擊性顯著優于非梯度鍍層。這也說明了本發明中的鎳磷合金梯度鍍層設計，能夠有效緩解高溫熱處理過程中，鍍層與鋼底材間由于熱膨脹系數不匹配而造成的熱應力和鍍層內部深度裂紋的問題。摩擦磨損試驗表明經400℃高溫熱處理后，鎳磷功能梯度鍍層耐磨性比普通鎳磷合金鍍層提高1-2倍。
圖1是是本本發明非晶態鎳磷合金功能梯度鍍層斷面的SEM照片圖2是本發明非晶態鎳磷合金功能梯度鍍層中磷含量的相對變化。
具體實施例方式
實施例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。電鍍時純鎳片作陽極，將經過常規鍍前預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。調節鍍液pH值在1.5，保持溫度在65-70℃范圍內，在上述鍍液中，采用稀鹽酸調節電鍍過程中鍍液的pH值恒定，按照表1所示的工藝控制電流密度和相應的電沉積時間，即可沉積出厚度超過30μm的非晶態鎳磷合金功能梯度鍍層。
表1電鍍非晶態鎳磷功能梯度鍍層工藝參數
制備的鎳磷功能梯度鍍層，鍍層總層數為6層。將該鍍層與工業硬鉻鍍層的技術指標及性能進行了對比，采用表面輪廓儀測試了鍍層表面粗糙度；采用顯微硬度計測試了鍍層的顯微硬度；采用往復球盤摩擦磨損實驗機測試了鍍層的室溫磨損率；采用高溫摩擦實驗機對鍍層的高溫抗磨性進行了測試，結果如表2所示。可見，鎳磷功能梯度鍍層經高溫熱處理后，室溫干摩擦條件下，其耐磨性硬硬鉻鍍層相當或略優于硬鉻鍍層；高溫磨損實驗表明，梯度合金鍍層的耐磨性均好于硬鉻鍍層，400℃時梯度合金鍍層耐磨性是硬鉻鍍層的2倍左右，同時鎳磷功能梯度鍍層表現出較低的干摩擦系數和較好的高溫硬度特性。因此，本發明鎳磷功能梯度鍍層又望在性能方面取代硬鉻鍍層，同時該工藝大大降低了對環境的污染和對人體的危害，是一種非常有工業應用前景的新技術工藝。
表2鎳磷功能梯度鍍層與工業硬鉻鍍層性能對比
權利要求
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；電鍍時純鎳片為陽極，將經過常規鍍前預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的沉積時間陰極電流密度(A/dm2) 電沉積時間(min)5 1510 615 520 425 330 2即可沉積出厚度超過30μm，總層數為6層的非晶態鎳磷功能梯度鍍層。
2.如權利要求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。利用梯度材料的設計思路，采用單槽電鍍法，通過逐漸增大電流密度和控制相應的沉積時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。其優點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梯度分布可以有效地緩解鍍層與底材由于熱膨脹系數不匹配而造成的熱應力問題。從而表現出與底材顯著增強的結合強度和較高的抗磨性能。高溫熱處理后，鎳磷功能梯度鍍層常溫耐磨性與硬鉻鍍層相當，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上廣泛應用的耐磨硬鉻鍍層。
文檔編號C25D5/00GK1766174SQ200410090218
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月29日 優先權日2004年10月29日
發明者徐洮, 王立平, 高燕, 薛群基, 梁愛民 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所