提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法
【專利摘要】本發明公開一種提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法。首先對陶瓷微粒表面進行化學鍍Ni-P合金包覆處理，再將經Ni-P合金包覆的陶瓷微粒添加到基礎電鑄液中；將陰極芯模和陽極電解鎳板放入電鑄液中，并在陰極芯模內部置放永磁鐵；在金屬與陶瓷微粒共沉積過程中，利用磁場對陶瓷微粒的吸附效果延長微粒在芯模表面的停留時間，從而增加微粒被基質金屬俘獲的幾率。應用本發明可顯著提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中的陶瓷微粒含量以及復合電鑄層的強度、硬度和耐磨性能。
【專利說明】提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法
[0001]【技術領域】
[0002]本發明屬于電鑄制造領域，具體涉及一種提高金屬-陶瓷復合材料中陶瓷微粒含量的復合電鑄工藝。
【背景技術】
[0003]電鑄是通過電化學反應使金屬離子在芯模表面沉積，再將沉積金屬層自芯模表面剝離以形成產品的制造技術。在電鑄溶液中加入陶瓷微粒，使微粒在電場作用下與金屬離子共沉積，可以形成金屬中夾雜陶瓷微粒的金屬-陶瓷復合鑄層。由于陶瓷微粒具有極高的強度、硬度、熱穩定性等物理機械性能，金屬-陶瓷復合鑄層也表現出比純金屬鑄層更為優異的超硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能，在工程領域有著廣闊的應用前景。
[0004]金屬-陶瓷復合電鑄層中的陶瓷微粒彌散分布于金屬基體之中，通過大量陶瓷微粒的彌散強化效應改善鑄層的物理機械性能。一般來說，金屬鑄層中所嵌入的陶瓷微粒含量越高，陶瓷微粒的彌散強化效應就越好，對鑄層性能的改善也更為明顯。因而，為了更好地改善金屬-陶瓷復合鑄層的性能，獲得更為優異的金屬-陶瓷復合材料，提高陶瓷微粒在復合材料中的含量極為必要。
[0005]傳統工藝制備復合電鑄材料，主要是通過優選工藝參數來提高微粒含量。對電鑄液中微粒懸浮量、陰極電流密度、攪拌速度、電鑄液溫度等參數進行優化組合，獲得微粒含量較高的復合鑄層。盡管優化工藝參數可以在一定程度上提高微粒含量，但其對微粒含量的提高程度極為有限。研究表明，采用傳統共沉積工藝的金屬-陶瓷復合鑄層中，微粒體積含量很難達到30%。分析共沉積工藝制備復合鑄層的機理可知，電鑄液中的陶瓷微粒是通過機械攪拌所產生的離心力撞擊芯模表面，在芯模表面的短暫滯留使得部分微粒被沉積金屬嵌入而形成復合鑄層。由于微粒在芯模表面的停留時間極短，被沉積金屬捕獲而進入鑄層的微粒數量較少，最終導致復合鑄層中的陶瓷微粒含量較低。如果能夠采用一定的工藝措施，延長微粒在芯|旲表面的停留時間，就可以充分提聞微粒被金屬捕獲的幾率，從而提聞復合鑄層中的微粒含量。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是為了獲得具有較高陶瓷微粒含量的金屬-陶瓷復合電鑄層，而提供一種提高復合鑄層中陶瓷微粒含量的工藝方法。
[0007]為實現上述技術目的，本發明方法包括了以下步驟:
O首先對預添加的陶瓷微粒進行化學鍍N1-P合金包覆預處理；
2)在共沉積復合電鑄時，在芯模表面形成附加磁場，延長陶瓷微粒在芯模表面的停留時間，進而增大微粒被基質金屬俘獲的幾率，獲得陶瓷微粒含量較高的復合電鑄材料。
[0008]上述步驟I)的具體過程為:
1.1)對陶瓷微粒表面進行粗化、敏化、活化預處理；1.2)配制化學鍍鎳液，添加經預處理的陶瓷微粒，在微粒表面化學鍍包覆N1-P合金；
1.3)將包覆N1-P合金的陶瓷微粒過濾出來，清洗、晾干后備用。
[0009]上述步驟1.2)中化學鍍鎳液的組分為=NiSO4.7H20濃度30~50 g/L、NaH2PO2濃度10~20 g/L、檸檬酸三鈉l(T20g/L、NaAc濃度10~15 g/L、絡合劑濃度2~4 g/L ;主要工藝參數為:溫度85~95°C，攪拌速度20(T400r/min，pH值4.5~5.5，微粒懸浮量3(T50g/L。
[0010]上述步驟2)的具體過程為:
2.1)配制電鑄溶液；
2.2)將包覆N1-P合金的陶瓷微粒加入電鑄溶液中，并充分攪拌均勻；
2.3)在陰極芯模內放置磁鐵，并將放置磁鐵后的芯模放入電鑄液中；
2.4)在電鑄液中放置若干塊陽極電解鎳板，并使電解鎳板均布在芯模周圍；
2.5)接通直流電源，在陰極芯模表面實現沉積金屬與陶瓷微粒的共沉積；
2.6)金屬-陶瓷復合電鑄結束后，關閉電源，取下試樣，剝離、清洗、烘干。
[0011]上述步驟2.1)中所配制電鑄液組分為:氨基磺酸鎳(Ni (SO3NH2) 2.4H20)濃度30(T500g/L、硼酸(H3BO3)濃度25~35g/L、氯化鎳(NiCl2)濃度l(T20g/L、十二烷基硫酸鈉濃度0.5~1.0g/L，鍍液pH值4±0.5。
[0012]上述步驟2.5)的復合電鑄工藝參數為:陰極電流密度2飛A/dm2、電鑄液溫度45 °C、攪拌速度20(T400r/mi`n、復合電鑄時間5~6h。
[0013]本發明的有益效果:通過將陶瓷微粒表面進行化學鍍鎳預處理，形成包覆N1-P合金的陶瓷微粒；之后在共沉積工藝制備復合電鑄層時，又在芯模表面形成附加磁場，利用磁場吸附效果延長鍍鎳陶瓷微粒在芯模表面的停留時間，從而增大微粒被沉積金屬俘獲的幾率。該方法顯著提高了復合電鑄材料中的陶瓷微粒含量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明應用化學鍍在陶瓷微粒表面進行N1-P合金包覆示意圖；
圖2為包覆N1-P合金的陶瓷微粒在磁場吸附作用下與基質金屬共沉積示意圖；
圖3為陰極芯模、永磁鐵、陽極鎳板在電鑄槽中的分布俯視圖。
[0015]以上附圖中:1、電鍍槽；2、陶瓷微粒；3、化學鍍液；4、磁攪拌子；5、永磁鐵；6、陰極芯模；7、絕緣膠；8、陽極電解鎳板；9、復合鑄層；10、電鑄液。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的描述:
實施例1:
本發明的具體工藝路線為:
I)選擇粒徑約5 μ m的陶瓷微粒2，對微粒進行粗化、敏化、活化預處理。
[0017]粗化是使陶瓷微粒表面露出新鮮的活化組織，提高微粒表面親水性，粗化使用含CrO3的溶液進行，粗化時間2(T30min ;敏化是使陶瓷微粒表面吸附一層易于氧化的金屬離子，使得活化處理后的陶瓷微粒表面形成眾多晶核，有利于鎳的沉積，敏化是將經粗化的陶瓷微粒放入含有SnCl2的溶液中浸潰實現；活化必須要在敏化之后立即進行，活化是將經敏化的陶瓷微粒浸潰在PdCl2溶液中，鈀離子被還原成金屬，在微粒表面形成金屬膜，該金屬膜可以提高化學鍍覆的速度.2)將磁力攪拌子4放入電鍍槽I中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上。
[0018]3)在電鍍槽I中配置化學鍍液3，通過磁力攪拌器自帶的溫控裝置調節化學鍍液溫度約90°C ;所配置的化學鍍液組分為=NiSO4.7H20濃度30g/L、NaH2PO2濃度10g/L、檸檬酸三鈉10g/L, NaAc濃度10 g/L、絡合劑2 g/L。
[0019]4)加入經預處理的陶瓷微粒，調節磁力攪拌子的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉，該步驟主要工藝參數為:溫度85°C，攪拌速度200r/min，pH值4.5，微粒懸浮量30g/L，(見圖1)。
[0020]5)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒過濾出來，并清洗晾干備用。
[0021]6)將磁力攪拌子放入電鍍槽中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上，在電鍍槽中配置基礎電鑄液10 ;所配制電鑄液組分為:氨基磺酸鎳(Ni (SO3NH2) 2.4H20)濃度300g/L、硼酸(H3BO3) 濃度25g/L、氯化鎳(NiCl2)濃度10g/L、十二烷基硫酸鈉0.5g/L，鍍液pH值4±0.5。
[0022]7)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒2加入電鑄液中，調節磁力攪拌子4的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉。
[0023]8)在陰極芯模6的非施鍍面涂覆絕緣膠7，再將陰極芯模放入電鑄液中；所述的芯模是外徑Φ40πιπι、內徑Φ30πιπι、長IOOmm的不銹鋼套筒，套筒內壁涂絕緣膠，外圓柱面中段50mm長度為施鍍區域，其余部位絕緣處理。磁鐵為Φ25X 120mm永磁鐵，采用機械夾緊方式置入芯模內部。
[0024]9)在電鑄液中放入均勻分布在陰極芯模四周的陽極電解鎳板8，鎳板規格為120臟X3(tomX5臟，純度大于99.99%的，(見圖3)。
[0025]10)將永磁鐵5置于陰極芯模中心。
[0026]11)連接陰極、陽極與直流電源之間的導線，接通電源，設定陰極電流密度值，進行復合電鑄，復合電鑄工藝參數為:陰極電流密度2A/dm2、電鑄液溫度45°C、攪拌速度200r/min、復合電鑄時間5h,(見圖2)。
[0027]12)電鑄結束后，關閉直流電源，取下陰極芯模，剝離復合鑄層并清洗、烘干即可。
[0028]實施例2:
本發明的具體工藝路線為:
I)選擇粒徑約5 μ m的陶瓷微粒2，對微粒進行粗化、敏化、活化預處理。
[0029]2)將磁力攪拌子4放入電鍍槽I中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上。
[0030]3)在電鍍槽I中配置化學鍍液3，通過磁力攪拌器自帶的溫控裝置調節化學鍍液溫度約90°C ;所配置的化學鍍液組分為=NiSO4.7Η20濃度50 g/L、NaH2PO2濃度20 g/L、檸檬酸三鈉20g/L、NaAc濃度15 g/L、絡合劑4 g/L。
[0031]4)加入經預處理的陶瓷微粒，調節磁力攪拌子的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉，該步驟主要工藝參數為:溫度95°C，攪拌速度400r/min，pH值5.5，微粒懸浮量50g/L，(見圖1)。
[0032]5)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒過濾出來，并清洗晾干備用。
[0033]6)將磁力攪拌子放入電鍍槽中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上，在電鍍槽中配置基礎電鑄液10 ;所配制電鑄液組分為:氨基磺酸鎳(Ni (SO3NH2) 2.4H20)濃度500g/L、硼酸(H3BO3) 濃度35g/L、氯化鎳(NiCl2)濃度20g/L、十二烷基硫酸鈉1.0g/L，鍍液pH值4±0.5。
[0034]7)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒2加入電鑄液中，調節磁力攪拌子4的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉。
[0035]8)在陰極芯模6的非施鍍面涂覆絕緣膠7，再將陰極芯模放入電鑄液中；所述的芯模是外徑Φ40πιπι、內徑Φ30πιπι、長IOOmm的不銹鋼套筒，套筒內壁涂絕緣膠，外圓柱面中段50mm長度為施鍍區域，其余部位絕緣處理。磁鐵為Φ25X 120mm永磁鐵，采用機械夾緊方式置入芯模內部。[0036]9)在電鑄液中放入均勻分布在陰極芯模四周的陽極電解鎳板8，鎳板規格為120臟X3(tomX5臟，純度大于99.99%的，(見圖3)。
[0037]10)將永磁鐵5置于陰極芯模中心。
[0038]11)連接陰極、陽極與直流電源之間的導線，接通電源，設定陰極電流密度值，進行復合電鑄，復合電鑄工藝參數為:陰極電流密度6A/dm2、電鑄液溫度45°C、攪拌速度400r/min、復合電鑄時間6h,(見圖2)。
[0039]12)電鑄結束后，關閉直流電源，取下陰極芯模，剝離復合鑄層并清洗、烘干即可。
[0040]實施例3:
本發明的具體工藝路線為:
I)選擇粒徑約5 μ m的陶瓷微粒2，對微粒進行粗化、敏化、活化預處理。
[0041]2)將磁力攪拌子4放入電鍍槽I中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上。
[0042]3)在電鍍槽I中配置化學鍍液3，通過磁力攪拌器自帶的溫控裝置調節化學鍍液溫度約90°C ;所配置的化學鍍液組分為=NiSO4.7Η20濃度40 g/L、NaH2PO2濃度15 g/L、檸檬酸三鈉16g/L、NaAc濃度12 g/L、絡合劑3 g/L。
[0043]4)加入經預處理的陶瓷微粒，調節磁力攪拌子的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉，該步驟主要工藝參數為:溫度90°C，攪拌速度300r/min，pH值5.1，微粒懸浮量38g/L，(見圖1)。
[0044]5)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒過濾出來，并清洗晾干備用。
[0045]6)將磁力攪拌子放入電鍍槽中，并將電鍍槽置于磁力攪拌器上，在電鍍槽中配置基礎電鑄液10 ;所配制電鑄液組分為:氨基磺酸鎳(Ni (SO3NH2) 2.4H20)濃度410g/L、硼酸(H3BO3) 濃度30g/L、氯化鎳(NiCl2)濃度14g/L、十二烷基硫酸鈉0.8g/L，鍍液pH值4±0.5。
[0046]7)將已包覆N1-P合金的陶瓷微粒2加入電鑄液中，調節磁力攪拌子4的攪拌速度，避免陶瓷微粒下沉。
[0047]8)在陰極芯模6的非施鍍面涂覆絕緣膠7，再將陰極芯模放入電鑄液中；所述的芯模是外徑Φ40πιπι、內徑Φ30πιπι、長IOOmm的不銹鋼套筒，套筒內壁涂絕緣膠，外圓柱面中段50mm長度為施鍍區域，其余部位絕緣處理。磁鐵為Φ25X 120mm永磁鐵，采用機械夾緊方式置入芯模內部。
[0048]9)在電鑄液中放入均勻分布在陰極芯模四周的陽極電解鎳板8，鎳板規格為120臟X3(tomX5臟，純度大于99.99%的，(見圖3)。
[0049]10)將永磁鐵5置于陰極芯模中心。[0050]11)連接陰極、陽極與直流電源之間的導線，接通電源，設定陰極電流密度值，進行復合電鑄，復合電鑄工藝參數為:陰極電流密度4A/dm2、電鑄液溫度45 V、攪拌速度300r/min、復合電鑄時間5h,(見圖2)。
[0051] 12)電鑄結束后，關閉直流電源，取下陰極芯模，剝離復合鑄層并清洗、烘干即可。
[0052]本發明是通過在陶瓷微粒表面包覆N1-P合金，并利用磁場對N1-P合金的吸附效果延長陶瓷微粒在陰極芯模表面的停留時間，從而增加陶瓷微粒被基質金屬的嵌入幾率。
[0053]上述陶瓷微粒2可以是A1203、SiC、Zr02等硬質陶瓷微粒,微粒粒徑約5 μ m。化學鍍液3只能使用一次，上述電鑄液10可以經過濾后重復使用。磁攪拌子4的攪拌目的是使陶瓷微粒不下沉，其攪拌速度可自行確定。
[0054]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于包括以下步驟: 1）首先對預添加的陶瓷微粒進行化學鍍N1-P合金包覆預處理； 2)在共沉積復合電鑄時，在芯模表面形成附加磁場，延長陶瓷微粒在芯模表面的停留時間，進而增大微粒被基質金屬俘獲的幾率，獲得陶瓷微粒含量較高的復合電鑄材料。
2.根據權利要求1所述的提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于，步驟I)的具體過程為: 1.1)對陶瓷微粒表面進行粗化、敏化、活化預處理； 1.2)配制化學鍍鎳液，添加經預處理的陶瓷微粒，在微粒表面化學鍍包覆N1-P合金； 1.3)將包覆N1-P合金的陶瓷微粒過濾出來，清洗、晾干后備用。
3.根據權利要求2所述的提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于，步 驟1.2)中化學鍍鎳液的組分為=NiSO4.7Η20濃度30~50 g/L、NaH2PO2濃度I0-20g/L、檸檬酸三鈉l(T20g/L、NaAc濃度l(Tl5 g/L、絡合劑濃度2~4 g/L ;主要工藝參數為:溫度85~95°C，攪拌速度20(T400r/min，pH值4.5~5.5，微粒懸浮量3(T50g/L。
4.根據權利要求1、2或3所述的提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于，步驟2)的具體過程為: 2.1)配制電鑄溶液； 2.2)將包覆N1-P合金的陶瓷微粒加入電鑄溶液中，并充分攪拌均勻； 2.3)在陰極芯模內放置磁鐵，并將放置磁鐵后的芯模放入電鑄液中； 2.4)在電鑄液中放置若干塊陽極電解鎳板，并使電解鎳板均布在芯模周圍； 2.5)接通直流電源，在陰極芯模表面實現沉積金屬與陶瓷微粒的共沉積； 2.6)金屬-陶瓷復合電鑄結束后，關閉電源，取下試樣，剝離、清洗、烘干。
5.根據權利要求4所述的提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于，步驟2.1)中所配制電鑄液組分為:氨基磺酸鎳(附(503順2)2*4!120)濃度300~50(^/L、硼酸(H3BO3)濃度25~35g/L、氯化鎳(NiCl2)濃度l(T20g/L、十二烷基硫酸鈉濃度0.5~1.0g/L，鍍液 pH 值 4±0.5。
6.根據權利要求5所述的提高金屬-陶瓷復合電鑄材料中陶瓷微粒含量的方法，其特征在于，步驟2.5)的復合電鑄工藝參數為:陰極電流密度2飛A/dm2、電鑄液溫度45°C、攪拌速度20(T400r/min、復合電鑄時間5~6h。
【文檔編號】C25D1/00GK103526236SQ201310463159
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月8日 優先權日:2013年10月8日
【發明者】田海燕, 田會珍 申請人:南京航空航天大學