一種鎢合金表面直接鍍厚鎳的方法

本發(fā)明涉及表面處理，特別是涉及一種鎢合金表面直接鍍厚鎳的方法。

背景技術(shù)：

1、鎢合金/鋼復(fù)合構(gòu)件的制備方法包括擴(kuò)散焊接、釬焊、共燒結(jié)等，為了抑制金屬間化合物的產(chǎn)生和緩解殘余應(yīng)力，必須在焊接界面添加合適的中間層金屬。傳統(tǒng)的中間層添加形式是箔片或者粉末，但是中間層的純度與厚度難以控制且難以施工，此外，中間層的表面清潔也是一大問(wèn)題；pvd、cvd等沉積方法雖然可以在鎢合金的表面沉積一定厚度的金屬覆蓋層，但是只能沉積很薄的金屬層，不能滿足現(xiàn)有的對(duì)中間層的厚度要求，施工成本高昂，效率低下；相較之下，電沉積（電鍍）的工藝成熟，設(shè)備自動(dòng)化程度高，且對(duì)試樣體積、形狀限制更小，因此，使用電鍍作為鎢合金表面金屬沉積的方法尤其是較為復(fù)雜表面的樣品沉積是較為理想的處理方法。此外，鎳沉積層不僅可以直接作為焊接中間層使用，還可以提高鎢合金本身的導(dǎo)電性，作為其他復(fù)合鍍層的基底。

2、但是鎢合金本身導(dǎo)電性并不好，且由于擴(kuò)散連接對(duì)中間層的厚度要求很高，至少需要10-20?μm，均超過(guò)常用裝飾鍍層或者功能鍍層厚度的（幾個(gè)微米），目前并沒(méi)有針對(duì)鎢合金開發(fā)用于擴(kuò)散焊接的厚鎳電鍍工藝?，F(xiàn)有的關(guān)于鎢合金電鍍工藝的文獻(xiàn)中（cn102465325?a，?cn?103173821?b?和cn?105420699?b），不僅鍍層很薄，而且在電鍍過(guò)程中需要使用氫氟酸、硫酸等危險(xiǎn)性試劑，環(huán)境污染較大且有安全隱患，不適合實(shí)驗(yàn)室探索實(shí)驗(yàn)，也難以低成本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因此，需要一種操作流程簡(jiǎn)單，安全可控且成本低廉的用于鎢合金表面沉積厚鎳的工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在的缺陷而提供的一種在鎢合金基體上使用直流電源沉積厚鎳層的方法，是通過(guò)調(diào)整電流密度、電鍍液ni2+離子濃度和ph等一系列參數(shù)來(lái)得到結(jié)合力好、孔隙率低、結(jié)晶細(xì)小且厚度連續(xù)可調(diào)的較厚純鎳鍍層以滿足鎢合金的焊接需要；以乙酸鹽體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硫酸鹽或氯化鹽等強(qiáng)酸鹽電鍍液體系，減少了緩沖劑（如硼酸）的使用；使用乙酸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氫氟酸或濃硫酸的清洗劑，減少?gòu)?qiáng)酸和氫氟酸帶來(lái)的污染。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種鎢合金表面直接鍍厚鎳的方法，包括如下步驟：

3、步驟一?鎢合金表面預(yù)處理

4、鎢合金表面采用機(jī)械加工去除氧化層，然后進(jìn)行磨拋處理至待鍍表面露出新鮮金屬且待鍍面的粗糙度低于ra0.2?μm；隨后使用洗滌劑+熱水、乙醇、乙酸依次進(jìn)行清洗；得到清潔完成的待鍍樣品；

5、步驟二?電鍍鎳

6、首先在電鍍槽中加入乙酸鎳電鍍液，然后加入十二烷基硫酸鈉（sds）并充分溶解，sds加入量為0.04-0.1?g/l、優(yōu)選為0.04~0.08g/l，并調(diào)整電鍍池ph至3.5-5.5、優(yōu)選為4-4.7、優(yōu)選為4.2-4.6，陽(yáng)極采用電解鎳板，連接上電源正極，待鍍樣品連接在電源負(fù)極，打開電源，設(shè)定好目標(biāo)電流密度0.3-1.1?a/dm2、優(yōu)選為0.35-0.9?a/dm2、進(jìn)一步優(yōu)選為0.35-0.8a/dm2，開始電鍍；所述乙酸鎳電鍍液中氯化鈉的初始濃度為3-14?g/l、優(yōu)選為4-8?g/l、進(jìn)一步優(yōu)選為5?g/l，冰乙酸初始濃度為5-25?ml/l，初始ni2+離子的濃度為5-10?g/l。

7、工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，鎢合金表面預(yù)處理包括：使用噴砂、車削、拋光等機(jī)械加工方法預(yù)先去掉鎢合金表面顯著的氧化層，然后對(duì)需要焊接的表面進(jìn)行磨拋處理。隨后使用洗滌劑+熱水、乙醇、乙酸依次超聲清洗，每道工序的清洗次數(shù)為1-2次，隨后立即將樣品取出，使用流動(dòng)的去離子水充分清洗，預(yù)處理完成。為了進(jìn)一步提升性能，鎢合金待鍍件的表面加工要求為：非焊接面需要露出新鮮金屬表面，焊接面需要精細(xì)拋光，粗糙度ra小于等于0.2?μm。

8、鎢合金待鍍件使用洗滌劑+熱水、乙醇、乙酸依次超聲清洗的工藝為：熱水洗使用市售堿性洗潔精配合熱水進(jìn)行，洗潔精添加量5-15?g/l，熱水溫度85-100?℃，先將洗潔精在熱水中充分溶解后將樣品浸沒(méi)其中后進(jìn)行超聲清洗，清洗時(shí)間為5-10?min，清洗次數(shù)1-2次；隨后將樣品使用流動(dòng)的冷水充分沖洗表面殘余洗滌劑后浸入無(wú)水乙醇（純度99.5%以上）中超聲清洗，無(wú)水乙醇溫度20-50?℃，清洗時(shí)間5-10?min，清洗次數(shù)1-2次；隨后將樣品使用流動(dòng)的無(wú)水乙醇充分沖洗后放入乙酸水溶液超聲清洗，乙酸水溶液濃度為40-60%vol，先將冰乙酸溶解在去離子水后充分?jǐn)嚢杈鶆蚝髮悠方](méi)，超聲清洗時(shí)間為5-10min，清洗溫度為20-50?℃，清洗完成后迅速將樣品使用流動(dòng)的冷水充分沖洗表面殘余乙酸溶液，表面處理完成。流動(dòng)的冷水可以是去離子水或蒸餾水，條件有限時(shí)可以使用符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的自來(lái)水沖洗。所述乙醇洗液和乙酸洗液均可過(guò)濾后并補(bǔ)充乙醇、乙酸后重復(fù)使用，當(dāng)溶液有顯著變色時(shí)再更換即可。

9、乙酸鎳電鍍液可以直接使用乙酸鎳鹽配制，保證ni2+離子濃度與ph和前述一致即可，其余參數(shù)不必過(guò)多改動(dòng)。但是乙酸鎳含鎳量低，高純藥劑價(jià)格高，為了節(jié)省成本和提升鍍層質(zhì)量以及加快鍍鎳進(jìn)度，也可以采用電解法來(lái)制備乙酸鎳電鍍液。電解法配制乙酸鎳電鍍液包括：先使用氯化鈉、冰乙酸和水配制溶液，其中氯化鈉濃度3-14?g/l?，冰乙酸濃度15-30?ml/l，然后使用電解鎳板作為陰極和陽(yáng)極進(jìn)行電解，電解至溶液中ni2+離子濃度為5-10?g/l。在本發(fā)明中，之所以要控制電鍍前乙酸鎳電鍍液中ni2+的濃度，是因?yàn)閚i2+濃度直接決定鍍層的沉積效率和鍍層質(zhì)量。其濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍍層應(yīng)力過(guò)大開裂甚至過(guò)燒、結(jié)瘤，過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致鍍液導(dǎo)電性差、電鍍效率低，需要更高的電壓才能實(shí)現(xiàn)電鍍。本發(fā)明采用電解法制備乙酸鎳電鍍時(shí)，采用3-14?g/l氯化鈉是為了降低電解時(shí)鎳陽(yáng)極的極化，提高鎳陽(yáng)極的溶解效率，15-30?ml/l冰乙酸是為了調(diào)整電解液ph在偏酸性條件，避免電解過(guò)程中因ph升高出現(xiàn)氫氧化鎳沉淀。電解法配制乙酸鎳電鍍液的具體步驟如下：首先稱取氯化鈉溶解在去離子水中，然后量取冰乙酸與之混合并攪拌均勻，之后補(bǔ)充去離子水補(bǔ)充至目標(biāo)濃度備用。然后將溶液倒入電鍍槽中，使用電解鎳板（純度99.5%以上）作為陰極和陽(yáng)極進(jìn)行電解，電解至ni離子濃度為5-10?g/l。參考工藝為：首先稱取5?g氯化鈉溶解在少量去離子水中，然后量取25?ml冰乙酸與之混合并攪拌均勻，添加去離子水將混合溶液稀釋至1?l后將混合溶液倒入電鍍槽中；使用電解鎳板（純度99.5%以上）作為陰極和陽(yáng)極在室溫條件下進(jìn)行電解，電解電流2?a，電解時(shí)間325?min，電解完成后將電鍍液過(guò)濾后補(bǔ)足為1?l后備用，由于會(huì)有部分鎳在陰極析出，此時(shí)溶液中鎳離子濃度為5.611?g/l(原子吸收光譜法)。

10、本發(fā)明電鍍鎳時(shí)，采用恒電流密度直流電鍍鎳。恒電流密度直接電鍍鎳調(diào)整ph的方法為：施鍍之前，ph過(guò)高時(shí)可添加冰乙酸調(diào)低，ph過(guò)低可使用石墨或者電解鎳板作為陰陽(yáng)極以適當(dāng)電流（如2a）電解電鍍液提高ph，電鍍過(guò)程中ph會(huì)緩慢上升，及時(shí)監(jiān)測(cè)體系的ph并補(bǔ)充冰乙酸即可。

11、恒電流密度直流電鍍鎳工藝條件為：電流密度為0.3-1.1?a/dm2、優(yōu)選為0.35-0.9a/dm2、進(jìn)一步優(yōu)選為0.35-0.8a/dm2（這當(dāng)然0.35-0.4a/dm2、也包括0.4-0.6a/dm2、0.6-0.7a/dm2、0.7-0.8a/dm2這些小范圍），電鍍時(shí)間根據(jù)厚度要求可長(zhǎng)達(dá)10?h以上鍍層也不會(huì)開裂，鍍液溫度小于等于30℃即可，可使用機(jī)械攪拌、磁力攪拌、氣流攪拌或直接移動(dòng)樣品的方法攪拌電鍍液，但不能在電鍍池中引入顯著氣泡。在本發(fā)明中，電流密度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致沉積速度過(guò)快出現(xiàn)結(jié)瘤或開裂，局部甚至?xí)^(guò)燒。

12、恒電流密度直流電鍍鎳時(shí)，控制電鍍液的溫度為10-30℃、優(yōu)選為20-30℃、更進(jìn)一步優(yōu)選為20-27℃、再更進(jìn)一步優(yōu)選為20-25℃。

13、在本發(fā)明中，可以在208?min得到厚度為24-25?μm的鍍層；電鍍1295?min可以得到厚度大于等于80?μm的鍍層，3000-3100min可以得到厚度大于等于180?μm的鍍層，且鍍層與基體結(jié)合良好，滿足擴(kuò)散連接的要求。

14、電鍍完成后將樣品從電鍍池中取出，使用去離子水充分沖洗后晾干，即可獲得目標(biāo)鍍件，剩余的電鍍液可以過(guò)濾后回收，調(diào)整ph后以備之后可以回用于電解法配制乙酸鎳電鍍液。

15、本發(fā)明對(duì)鎳鍍層進(jìn)行鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)，包括鍍層質(zhì)量目視檢驗(yàn)和與鋼進(jìn)行擴(kuò)散焊接后判斷鍍層厚度和接頭強(qiáng)度。

16、擴(kuò)散連接和測(cè)試條件為：先對(duì)待焊表面的鍍層和對(duì)接的鋼塊拋光至ra小于0.2?μm，然后充分清洗后使用熱壓或熱等靜壓擴(kuò)散連接，擴(kuò)散連接溫度900-1000?℃，焊接壓力為10-40?mpa（熱壓擴(kuò)散）以及50-200?mpa（熱等靜壓擴(kuò)散），接頭評(píng)價(jià)方式為抗拉強(qiáng)度。這種測(cè)試方法也為本發(fā)明首創(chuàng)。

17、本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有的技術(shù)相比，使用乙酸體系的清洗劑和電鍍液完成鎢合金表面的除銹和電鍍，避免了使用氫氟酸或硫酸等高度或者高污染的藥品，安全環(huán)保；使用直流電源和少數(shù)幾類藥品即可完成電鍍，流程簡(jiǎn)單，滿足試驗(yàn)室電鍍要求；使用較低的電流密度范圍，可以與鎢合金較差的導(dǎo)電性匹配，實(shí)現(xiàn)厚鍍層的沉積，獲得滿足需要的且厚度可在很大范圍內(nèi)調(diào)整的鍍鎳層，滿足鎢合金與鋼焊接的需要。

18、原理和優(yōu)勢(shì)

19、本發(fā)明公開了一種綠色環(huán)保的用于擴(kuò)散連接的恒電流密度鎢合金表面直接鍍厚鎳的方法，其難點(diǎn)在于鎢合金表面的處理以及獲得致密的厚鎳層。本發(fā)明提出乙酸鎳體系的電鍍工藝，通過(guò)配合表面預(yù)處理等工藝，制備出了致密且鍍層厚度連續(xù)可調(diào)的鎳層，滿足鎢合金擴(kuò)散連接的需求。

20、具體原理為：首先制備乙酸鎳電鍍液，可使用電解法也可以使用乙酸鎳鹽配置法，優(yōu)選電解法，因其獲得的溶液純度更高且成本更低，節(jié)省了大量乙酸鎳存放和配制的問(wèn)題。電鍍液中的氯化鈉可以提溶液導(dǎo)電性，并防止鎳陽(yáng)極鈍化，提高陽(yáng)極溶解效率；乙酸一方面可以提供乙酸根，另一方面可以調(diào)整ph避免過(guò)多氫氧根的形成使ni2+沉淀為氫氧化鎳，還可以與生成的乙酸鎳構(gòu)成乙酸-乙酸鹽緩沖體系，無(wú)需額外緩沖劑如硼酸的加入，避免了額外緩沖劑導(dǎo)致的引雜；然后對(duì)樣品使用機(jī)械拋光與洗滌劑+熱水、乙醇、乙酸依次超聲清洗的方法進(jìn)行前處理，機(jī)械加工與拋光主要是為了暴露新鮮表面，降低后續(xù)清洗難度，對(duì)于不重要的表面露出新鮮金屬表面即可，對(duì)于重要的焊接面則需要拋光至所需要的表面粗糙度；熱水超聲使用的是含有表面活性劑的堿性洗滌劑，一方面可以充分除去樣品表面包括礦物油在內(nèi)的各類油污，另一方面可以借助高溫的堿性溶液充分去除表面可能的鎢氧化物；無(wú)水乙醇清洗是為了進(jìn)一步去除殘余的有機(jī)質(zhì)以及洗滌劑；乙酸清洗則是為了進(jìn)一步去除鎢合金表面的鎢氧化物以及鎳鐵氧化物，暴露出新鮮活化的表面，提高鍍層的結(jié)合力，并且洗去上一步可能殘余的乙醇，防止樣品帶入電鍍槽時(shí)對(duì)電鍍液造成污染。

21、然后對(duì)清洗后的鎢合金進(jìn)行施鍍。由于鎢合金的導(dǎo)電性較差，不能像鋼鐵鍍件使用較高的電流密度和較高的陽(yáng)離子濃度，此舉會(huì)導(dǎo)致鍍層應(yīng)力集中或局部位置嚴(yán)重過(guò)燒致使鍍層失效，難以獲得厚鍍層，較為合適的電流密度為0.3-1.1?a/dm2，較為合適的ni2+離子濃度為5-10?g/l，濃度可使用比色法快速鑒定，超出容限后用去離子水稀釋即可；由于乙酸與乙酸鎳可以構(gòu)成緩沖體系，電鍍過(guò)程中ph僅會(huì)緩慢升高，超出范圍時(shí)及時(shí)補(bǔ)充冰乙酸調(diào)整ph至目標(biāo)區(qū)間即可；電鍍前適量添加sds作為防針孔劑，使氫氣泡表面張力減小，并及時(shí)從鍍件表面溢出，防止氣孔包裹在鍍層之中導(dǎo)致鍍層致密度不高甚至出現(xiàn)針孔、結(jié)瘤。

22、相比于現(xiàn)有方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

23、1、電鍍工藝簡(jiǎn)單，藥品低毒，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)小批量樣品電鍍，也可以擴(kuò)大至工業(yè)生產(chǎn)。使用乙酸體系的電鍍液，藥劑只需要氯化鈉、乙酸鎳（電解法配溶液此藥劑可省去）、冰乙酸、電解鎳板、十二烷基硫酸鈉（sds），輔助藥劑只需要堿性洗滌劑（洗潔精、洗衣粉等）和乙醇，由于乙酸與乙酸鹽本身就可以構(gòu)成緩沖體系，所以不需要額外添加ph緩沖劑（硼酸等）即可維持鍍液ph穩(wěn)定；電鍍?cè)谑覝兀?5?℃）即可穩(wěn)定進(jìn)行，不需要額外的恒溫設(shè)備；使用普通直流電源即可獲得較優(yōu)質(zhì)的效果，不需要使用價(jià)格高昂的脈沖電源。

24、2、鍍層結(jié)合質(zhì)量好，鍍層致密度高，且厚度連續(xù)可控，并且匹配了鎢合金的導(dǎo)電性使用了較低的電流密度，可以獲得相當(dāng)厚的鎳鍍層（大于20?μm），足以滿足不同樣品對(duì)中間層不同厚度的需要，并且可以在曲折表面覆蓋鍍層并不開裂。

25、3、對(duì)電鍍后的樣品與鋼進(jìn)行實(shí)際擴(kuò)散焊接后可以獲得較高的界面結(jié)合強(qiáng)度。