球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的制备方法

摘要

本发明公开了一种球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的制备方法，所述方法包括如下步骤：一、对基底材料进行表面预处理；二、筛选球形颗粒；将球形颗粒置于蒸馏水中，超声波分散1～2h；将分散开的球形颗粒加入到化学电镀液中，搅拌1～2h，得复合电镀液；三、将步骤一所得表面预处理后的基底材料置于步骤二所得复合电镀液中，在30～60℃、不断搅拌的电镀条件下进行组合电流电沉积，制备含有球形颗粒的结构化金属铬复合镀层；步骤四、将步骤三所得含有球形颗粒的结构化金属铬复合镀层进行热处理，即得球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层。本发明在保持金属铬镀层具有良好耐磨性和硬度基础上，明显提高镀层的硬度和耐磨性，提高机械部件寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的制备方法，其特征是以球 形颗粒作为复合粒子相，通过优化的电镀工艺，获得性能优良含有球形掺杂粒子的凸包 状仿生结构化的金属铬耐磨复合镀层。

背景技术

摩擦磨损是现代工程材料的主要失效(摩擦磨损、腐蚀、断裂)形式之一，既造成 了材料的浪费和能源的消耗，又会造成生产效率的低下、更换零件和设备报废等诸多问 题，给社会造成巨大的经济损失。材料的摩擦磨损主要与材料的表面状态密切相关，为 了提高这类材料的使用性能就必须改善其表面的性能。

复合电镀是在传统电镀基础上发展起来的一项表面处理技术，通过在电镀液中加入 特定的球形颗粒如氧化物、碳化物、氮化物颗粒，实现固体颗粒与金属的共沉积，制备 出具有较高硬度、耐磨性、耐蚀性等特性的功能性镀层。因此，复合电镀越来越受到研 究者的重视。

电镀铬具有高的硬度和良好的化学稳定性，广泛地应用于机械零部件如：轴套、轴 承、各种工业用辊等。近年来，由于仿生材料以及表面仿生结构化摩擦学的快速发展， 启示人们在材料表面制备出具有一定非光滑形态的仿生表面，从而提高材料表面的硬度 和耐磨性。通过控制电镀工艺条件，可以获得具有凸包状织构化的镀铬层，从而获得高 的硬度和耐磨性，而相应的一些机械零部件所需的表面硬度和耐磨性在一定范围内是越 高越好。球形硬质颗粒(SiC、Si₃N₄、Al₂O₃等)具有硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点，可 以作为掺杂粒子，用来制备金属铬复合镀层，从而进一步增加表面镀层硬度，提高其耐 磨性。但是现有技术中并没有利用球形颗粒作为掺杂粒子制备具有仿生结构化镀铬层的 相关报道。

发明内容

本发明的目的是在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种球形颗粒强化的凸 包状耐磨镀铬层的制备方法。本发明利用化学电镀技术制备出的含有球形颗粒的结构化 金属铬耐磨复合镀层将具有更高的硬度和更好的耐磨性，从而为一些特殊的机械工件提 供了技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的制备方法，所述方法包括如下 步骤：

步骤一、对基底材料进行表面预处理；

步骤二、将筛选好的球形颗粒置于少量蒸馏水中，超声波分散1～2h；将分散开的 球形颗粒加入到镀铬用学电镀液中，搅拌1～2h，得球形颗粒含量为5～50g/L的复合电 镀液；

步骤三、将步骤一所得表面预处理后的基底材料置于步骤二所得复合电镀液中，在 30～60℃、不断搅拌的电镀条件下进行组合电流电沉积，制备含有球形颗粒的结构化金 属铬复合镀层；

步骤四、将步骤三所得含有球形颗粒的结构化金属铬复合镀层进行热处理，即得球 形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层。

优选地，步骤一中，所述基底材料包括钢板、镍板、铜板等。

优选地，步骤一中，所述表面预处理包括如下步骤：

A、表面打磨：打磨基底材料表面，直至表面光亮且无明显划痕，表面粗糙度为0.5～ 2.0微米；

B、丙酮清洗：用丙酮超声波清洗表面打磨好的基底材料15min以上；

C、碱液清洗：将丙酮清洗过的基底材料在70～90℃的条件下，碱液清洗20min以 上；

D、酸洗活化：将碱液清洗过的基底材料在室温条件下，用酸液清洗活化。

优选地，步骤A中，所述表面打磨包括用砂纸打磨；所述砂纸打磨包括用300、600、 1200、2000、4000号金相砂纸依次打磨。

优选地，步骤C中，所述碱液包括组分及含量为：NaOH 10～30g/L、Na₂CO₃20～80g/L、 Na₃PO₄20～80g/L。

优选地，步骤D中，所述酸液包括浓度为10～30g/L的H₂SO₄溶液；所述酸液清洗 活化的时间包括3min。

步骤A、B、C、D是为了保证基底材料的光洁度以及清洁度。

优选地，步骤二中，所述球形颗粒包括SiC颗粒、Si₃N₄颗粒、Al₂O₃颗粒等。

优选地，步骤二中，所述球形颗粒的粒度为5～50μm。

优选地，步骤二中，所述化学电镀液溶剂为水，包含溶质及其含量如下：

铬酐     150～400g/L；

硫酸     1.0～3.0g/L；

聚乙二醇 0.01～3.0g/L；

优选地，所述聚乙二醇分子量为4000～20000。

优选地，步骤三中，所述组合电流沉积包括步骤为：

第一阶段：电流密度为30～50A/dm²，施镀时间30～60min；

第二阶段：电流密度降到10～30A/dm²，施镀时间10～20min；

优选地，步骤四中，所述热处理具体为将含有球形颗粒的结构化金属铬复合镀层置 于150～300℃条件下0.5～2.0小时。

本发明采用组合电流，在基底材料表面制备出了具有凸包状的非光滑仿生表面，通 过控制电流条件，可以有效调控对凸包的大小和分布。

经过热处理后制备的球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的表面粗糙度为1.0～6.0 微米、峰值密度为70～220/cm、表面维氏硬度可达1000～1200Hv，厚度为30～70微米， 结构化镀层具有高的硬度和优良的耐磨性能。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

1、本发明采用组合电流电镀的技术，通过控制电镀条件，获得了具有凸包状的非 光滑仿生结构化表面，且镀层表面细密、均匀；

2、由于球形颗粒具有弥散强化作用，以及该复合镀层凸包状的表面形貌，相比于 传统镀铬层，本发明球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层具有更加优良的耐磨性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层SEM形貌观察图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层的制备方法，所述方法包括如 下步骤：

步骤一：选取9Cr2钢板作为基底材料，表面经砂纸打磨抛光，表面粗糙度为0.5～ 0.6微米，丙酮超声、碱洗除油、酸性活化后，用于电沉积制备含有球形颗粒的结构化 金属铬复合镀层；

步骤二：化学电镀液采用去离子水配置，包含如下含量的各组分：

铬酐                             250g/L；

硫酸                             2.0g/L；

聚乙二醇(分子量10000)          1.0g/L；

采用国药集团的铬酐(化学纯)、碳化硅颗粒、硫酸(分析纯)、聚乙二醇(优级 纯分子量10000)为原料。所采用的SiC粒度为25μm，将所选SiC颗粒置于少量蒸馏水中， 先用超声波分散2小时，然后将含有SiC颗粒的溶液加入到电镀液中用磁力搅拌器搅拌2 个小时，获得复合电镀液，碳化硅含量为 25g/L。

步骤三：所采用的电镀条件为：电镀温度50～60℃，施镀过程中采用磁力搅拌器不 断地搅拌镀液，分散镀液中的碳化硅颗粒。所采用组合电流为：第一阶段电流密度为30～ 40A/dm²，施镀时间30min；b、第二阶段电流密度降到10～15A/dm²，施镀时间10min；

步骤四：经沉积处理后的复合镀层在150～200℃的温度下进行热处理1小时，即得 球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层。

经本实施例采用工艺参数所制备的含有SiC掺杂粒子的球形颗粒强化的凸包状耐磨 镀铬层，经X射线衍射分析得出复合镀层中镀铬层呈现良好的结晶性，复合镀层的主要 成分为Cr和SiC；经SEM进行形貌观察(见图1)，镀层表面凸包尺寸均匀，随机分布； 截面金相照片表明镀层中的SiC颗粒没有出现结团现象，分散状况良好；该球形颗粒强 化的凸包状耐磨镀铬层的硬度为1100Hv，表面粗糙度Ra为1.50～3.50微米，峰值密度 70～90/cm，厚度为30～50微米；在球盘式摩擦磨损试验机上完成了复合镀层耐磨性能 的测试，所获得的耐磨性能良好。

实施例2

本实施例涉及一种凸包状仿生结构化镀铬层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：选取45#钢板作为基底材料，表面经砂纸打磨抛光，表面粗糙度为1.0～1.2 微米，经丙酮超声、碱洗除油、酸性活化后，用于电沉积制备含有球形颗粒的结构化金 属铬复合镀层；

步骤二：化学电镀液采用去离子水配置，包含如下含量的各组分：

铬酐                             150g/L；

硫酸                             1.0g/L；

聚乙二醇(分子量4000)           1.0g/L；

采用国药集团的铬酐(化学纯)、氧化铝球形颗粒、硫酸(分析纯)、聚乙二醇(优 级纯分子量8000)。所采用的Al2O3粒度为30μm，将所选Al2O3置于少量蒸馏水中，先用 超声波分散2个小时，然后将含有Al2O3颗粒的溶液加入到电镀液中用磁力搅拌器搅拌1 个小时，获得得复合电镀液，氧化铝球形颗粒含量为5g/L。

步骤三：所采用的电镀条件为：电镀温度45～50℃，施镀过程中采用磁力搅拌器不 断地搅拌镀液，分散镀液中的氧化铝颗粒；所采用组合电流为：第一阶段电流密度为40～ 50A/dm²，施镀时间40min；b、第二阶段电流密度降到15～20A/dm²，施镀时间20min。

步骤四：经沉积处理后的复合镀层在200～250℃的温度下热处理0.5小时，即得球 形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层。

经本实施例采用工艺参数所制备的含有Al₂O₃掺杂粒子的球形颗粒强化的凸包状耐 磨镀铬层，经X射线衍射分析得出复合镀层中镀铬层呈现良好的结晶性，复合镀层的主 要成分为Cr和Al₂O₃；经SEM进行形貌观察，镀层表面凸包尺寸均匀，随机分布；截面金 相照片表明镀层中的Al₂O₃颗粒没有出现结团现象，分散状况良好；球形颗粒强化的凸包 状耐磨镀铬层的硬度为1050Hv，表面粗糙度Ra为1.00～3.00微米，峰值密度90～110/cm， 厚度为45～60微米。在球盘式摩擦磨损试验机上完成了复合镀层耐磨性能的测试，所获 得的耐磨性能良好。

实施例3

本实施例涉及一种凸包状仿生结构化镀铬层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：选取Cu板作为基底材料，表面经砂纸打磨抛光，表面粗糙度为0.8～1.0微 米，经丙酮超声、碱洗除油、酸性活化后，用于电沉积制备含有球形颗粒的结构化金属 铬复合镀层；

步骤二：化学电镀液采用去离子水配置，包含如下含量的各组分：

铬酐                             400g/L；

硫酸                             3.0g/L；

聚乙二醇(分子量20000)          3.0g/L；

采用国药集团的铬酐(化学纯)、氮化硅球形颗粒、硫酸(分析纯)、聚乙二醇(优 级纯分子量6000)。所采用的Al₂O₃粒度为50μm，将所选Si3N4置于少量蒸馏水中，先用超 声波分散2个小时，然后将含有Si3N4颗粒的溶液加入到电镀液中用磁力搅拌器搅拌2个 小时，获得含有均匀分散的Si3N4颗粒的复合电镀液，氮化硅球形颗粒的含量为50g/L。

步骤三：所采用的电镀条件为：电镀温度30～45℃，施镀过程中采用磁力搅拌器不 断地搅拌镀液，分散镀液中的氧化铝颗粒。所采用组合电流为：第一阶段电流密度为30～ 40A/dm2，施镀时间60min；b、第二阶段电流密度降到10～15A/dm2，施镀时间20min；

步骤四：经沉积处理后的复合镀层在200～300℃的温度下进行热处理2小时，即得 球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层。

经本实施例采用工艺参数所制备的含有Si₃N₄掺杂粒子的球形颗粒强化的凸包状耐 磨镀铬层，经X射线衍射分析得出复合镀层中镀铬层呈现良好的结晶性，复合镀层的主 要成分为Cr和Si₃N₄；经SEM进行形貌观察，镀层表面凸包尺寸均匀，随机分布；截面金 相照片表明镀层中的Si₃N₄颗粒没有出现结团现象，分散状况良好；该复合镀层的硬度为 1150Hv，表面粗糙度Ra为1.50～3.50微米，峰值密度100～120/cm，厚度为35～50微米； 在球盘式摩擦磨损试验机上完成了复合镀层耐磨性能的测试，所获得的耐磨性能良好。

对比例4

本实施例是实施例1的对比例，技术方案及实施例1相同，不同之处仅在于，本实施 例在镀铬层制备中没有加入球形颗粒。

经本实施例采用工艺参数所制备的镀铬层，经X射线衍射分析得出镀铬层呈现不均 匀的结晶性，复合镀层的主要成分为Cr；经SEM进行形貌观察，镀层表面凸包尺寸不均 匀，非随机分布；该复合镀层的硬度为900Hv，表面粗糙度为0.2～0.5微米，峰值密度 30～40/cm，厚度为10～20微米；在球盘式摩擦磨损试验机上完成了复合镀层耐磨性能 的测试，所获得的耐磨性能较差。

此方法制备的的耐磨镀铬层，由于球形颗粒的加入，明显提高了它的硬度，使之具 有更加优良的耐磨性能；该球形颗粒强化的凸包状耐磨镀铬层可以广泛地适用于具有特 殊耐磨要求的机械零部件如：轴套、轴承、各种工业用辊等；不仅提高了机械零部件的 使用寿命，还节约了经济成本；所以本发明与现有技术相比，具有实质特点和显著进步。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。