电沉积镍基系列非晶态纳米合金镀层、电镀液及电镀工艺

摘要

一种电沉积镍基系列非晶态纳米合金镀层、电镀液及电镀工艺，属于电化学和金属表面处理技术领域，所述合金镀层的材质是Ni－X合金或Ni－X－Y合金，其中X为W、Fe、Co、Cu、Sn，Y为B、P或二者混合，镀层为非晶态纳米晶结构，以wt％计镍的含量为40％－90％，镀层显微硬度为500－1200Hv。本发明以硫酸镍，碳酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍为主要原料，电沉积出镍基系列非晶态纳米合金镀层，该镀层能耐酸、碱和盐雾腐蚀、防粘扣，全面达到或领先于当今石油机械装备中的其它表面处理工艺。

说明书

技术领域

本发明属于电化学和金属表面处理技术领域，特别涉及水溶液中电沉积出镍基系列非晶态纳米合金镀层、电镀液及电镀工艺。本发明还涉及该合金镀层、电镀工艺在石油机械装备领域中的应用。

背景技术

随着电镀工业的发展和材料表面处理技术的提高，与单金属镀层相比具有特殊表面性能的多功能合金镀层的研究和应用日益广泛。其中，电沉积镍基合金由于具有密度高、强度大、硬度高、延展性好、耐腐蚀耐磨性能好等许多优良物化和机械性能，因而在工程中越来越受到人们的欢迎。例如：镍铬合金、镍钨合金等。

非晶态是一种过冷液态，没有晶体的晶界和缺陷，因此非晶态金属由于其物理结构的不同而比晶态金属更耐腐蚀，更高的硬度。镍基非晶态纳米合金兼具二者的优点。具有很好的耐腐蚀性。耐磨性和机加工性能好。由于纯金属镍不可能通过水溶液电沉积法得到。而与过滤金属的合金却可以通过诱导沉积法而得到。

公开号为CN101008096A的中国专利公开了在低碳钢上电沉积Ni-W-P非晶态薄膜的方法，属于电镀应用领域。首先对低碳钢基板进行前期处理，然后用低碳钢基板作为阴极，用镍基板作为阳极，将所述的阴极和阳极分别置于电镀溶液中，该阴极和阳极在电镀溶液中进行氧化还原反应，在低碳钢表面直接电镀上一层Ni-W-P膜。采用本发明的工艺制备的Ni-W-P膜颗粒均匀细小，表面光亮致密，与基板结合力强，具有优异的抗腐蚀性能。另外该方法溶液配制方便，生产步骤简单，成本低廉，是各种机件沉积装饰涂层和功能涂层的理想技术方案。

《镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展》(罗勋、宣天鹏《电镀与环保》2007年3月第8、9页)、《化学镀镍基合金工艺》(《印制电路与贴装》2001年第2期、第4期)比较详细地公开了本技术领域现有技术的状况，以上3篇文献均引用为本发明的现有技术。

发明内容

本发明综合了镍基金属的特点和非晶态合金的优异特性，创造性地提出了电沉积镍基非晶态纳米合金镀层以及其电镀液和电镀工艺，本发明的合金镀层物化性能更高，特别是大大提高了镀层的显微硬度指标。

本发明具体采用如下技术方案：

一种电沉积镍基系列非晶态纳米合金镀层，其特征是，所述合金镀层的材质是Ni-X合金或Ni-X-Y合金，其中X为W、Fe、Co、Cu、Sn，Y为B、P或二者混合，镀层为非晶态纳米晶结构，以wt％计镍的含量为40％-90％，镀层显微硬度为500-1200Hv。

本发明优选的方案之一是：所述合金镀层的材质是Ni-W合金镀层，以wt％计镍含量≥49.5％，钨含量为47％，铁含量为0.06％。

所述Ni-W合金镀层所使用的电镀液，本质上由硫酸镍20-60g/L、钨酸钠70-100g/L、柠檬酸100-160g/L、氨基配合物50-150g/L组成。

本发明中所述的氨基配合物是柠檬酸氨、EDTA二铵、三乙醇胺中的一种或其混合物，或者是络合剂与氯化铵、氨水的混合物。

上述电镀液的配制方法包括如下步骤：先加入去离子水，再加入硫酸镍、钨酸钠、氨基配合物、柠檬酸盐搅拌，并加入有机酸以及它们的混合物，再加去离子水至使用范围。其中硫酸镍含量在0.01-0.17mol/L、钨酸钠含量在0.01-0.19mol/L、柠檬酸盐含量在0.07-0.62mol/L便可试镀。

本发明另一个优选的方案是：所述合金镀层的材质是Ni-W-B合金镀层，以wt％计镀层中镍含量≥40％、钨含量30％-40％、硼含量为10％-20％。

所述Ni-W-B合金镀层所使用的电镀液，本质上由硫酸镍20-50g/L、钨酸钠40-70g/L、柠檬酸铵80-110g/L、二甲基胺硼烷10-40g/L组成。

申请人通过试验发现，Ni-W合金镀层中引入硼可大大提高镀层的理化和机械性能，特别是引入二甲基胺硼烷，效果尤佳。

上述电镀液的配制，包括如下步骤：先加入去离子水，再加入硫酸镍、钨酸钠、柠檬酸氨搅拌，二甲基胺硼烷以化合物的形式加入。其中电镀液中硫酸镍含量在0.01-0.33mol/L、钨酸钠含量在0.01-0.46mol/L、柠檬酸铵含量为0.1-0.8mol/L，并加入以二甲基胺硼烷为化合物的混合物，便可试镀。

本发明所述合金镀层的电镀工艺，包括如下步骤：

1)电镀液的配制；

2)镀件的前处理，包括针对不同的基底材质进行机械处理，化学除油和电解除油、刻蚀等；现有技术中对前处理有详细描述，再次不再赘述。

3)施镀：将镀件放入盛有电镀液的电镀槽内，在PH值为4.5-8，电流密度为3-20A/dm²，温度为40-80℃条件下施镀，电镀完成后，清洗，吹干；

本发明的施镀可以是搅拌电镀液或镀件在电镀液中匀速移动，阳极可用不锈钢或钛铱阳极；

4)热处理：镀完后的产品经烘箱炉200℃-600℃热处理，自然冷却至室温。

本发明的合金镀层及电镀方法主要应用，具体是：

一种具有防腐耐磨功能的石油机械装备，其特征是，所述石油机械装备具有权利要求1的合金镀层；所述石油机械装备包括螺杆钻具、抽油泵筒、柱塞、抽油管、抽油杆及油管油杆接箍。

一种具有防腐耐磨功能的石油或天然气管线，其特征是，所述管线具有权利要求1的合金镀层；所述管线是石油或天然气的输送管线，注聚、注水或渗水管线。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明综合了镍基金属的特点和非晶态合金的优异特性，在基底材料表面电镀，形成了致密均匀的耐蚀镀层，在不降低原有机械性能的前提下，其表面抗蚀性能得到很大改善，出于镍基非晶态纳米合金镀层具有长程无序，短程有序的结构，结构致密各向同性，没有晶界、位错和缺陷。因而使本发明镀件具有显微硬度高，耐磨性好，耐酸碱腐蚀且与基底材料结合力好等特点。经中石油西安管材研究所检测显示产品对H₂S腐蚀介质的防腐达到NACETM0177-2005标准(SSCC性能评价办法)同时防结垢防偏磨性能通过胜利石油管理局质量监督检验所检测，较其它工艺处理的油管更适应现场作业施工，具有极高的使用价值。

2)本发明镀层稳定性好，镀层致密，与基底材料结合力好，镀厚能力强，本发明工艺生产的产品较其它产品使用寿命提高5-7倍，防腐、耐磨、防垢性能表现突出。

3)所使用的原材料和添加剂都不是严重的环境污染物，废水废气的处理非常简单，且镀液的PH值为7.5-8左右，对设备，从业人员影响较小。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明。

实施例1：Ni-W合金镀

1.电镀液按照下表所示配制(单位：g/L)

 

试样1试样2试样3硫酸镍204060钨酸钠7010085

 

柠檬酸130100160氨基配合物15010050

其中，所述的氨基配合物是柠檬酸氨、EDTA二铵、三乙醇胺中的一种。

2.电镀工艺

1)电镀液的配制：先加入去离子水，再加入硫酸镍、钨酸钠、氨基配合物、柠檬酸盐搅拌，并加入有机酸以及它们的混合物，再加去离子水至使用范围。其中硫酸镍含量在0.01-0.17mol/L、钨酸钠含量在0.01-0.19mol/L、柠檬酸盐含量在0.07-0.62mol/L便可试镀。

2)镀件的前处理：

3)施镀：将镀件放入盛有电镀液的电镀槽内，在PH值为4.5-8，电流密度为3-20A/dm²，温度为40-80℃条件下施镀，电镀完成后，清洗，吹干；

4)热处理：镀完后的产品经烘箱炉200℃-600℃热处理，自然冷却至室温。

3.电镀结果检测：用目视法检验镀层是否致密、无针孔、脱落、起瘤、烧焦等现象，再用显微硬度计测其硬度，金相检测仪观其与基底材料的结合无明显分界，浸入酸碱液中检验其耐蚀性能，再进行耐磨性检验。

检验结果是：

1)镍基非晶态纳米合金镀层的组合及结构：XRD结构分析和SEM形貌分析，所得的组分结果：(WT％)

Ni—W镀层中含Ni为47-50.5％，含W为43-49.5％，含Fe为0.04-0.08％。

2)镍基非晶态纳米合金性能

显微硬度：按上述方法镀出的镍基合金，其镀后显微硬度为500-650Hv，经热处理后，显微硬度为900-1200Hv。

耐蚀性：镀层能耐酸碱腐蚀；镀厚能力：镀厚能力达到1.2mm厚.

镀层与基底材料结合力：通过按国标划线方法或对折测试，镀层与基底材料无崩裂结合力良好。

工艺的分散性能：可以各种不同形状基底材料上得到均匀合格镀层.

耐磨性：用SST-ST销盘式摩擦磨损试验机(西德产)干摩擦系数及磨损量均优于或相当于其它表面处理工艺。

实施例2：Ni-W-B合金镀层

1.电镀液按照下表所示配制：(单位：g/L)

 

试样1试样2试样3硫酸镍203050钨酸钠705040柠檬酸铵1109580二甲基胺硼烷102540

其中，二甲基胺硼烷以化合物的形式添加。

2.电镀工艺与实施例1基本相同。

3.电镀结果检测：用目视法检验镀层是否致密、无针孔、脱落、起瘤、烧焦等现象，再用显微硬度计测其硬度，金相检测仪观其与基底材料的结合无明显分界，浸入酸碱液中检验其耐蚀性能，再进行耐磨性检验。

1)镍基非晶态纳米合金镀层的组合及结构：

采用XRD结构分析和SEM形貌分析，所得的组分结果：(WT％)

镀层中含Ni为：40-46％，含W为：30-40％，含B为：10-25％镍基非晶态纳米合金性能：

显微硬度：我们按上述方法镀出的镍基合金，其镀后显微硬度为500-650Hv，经热处理后，显微硬度为900-1200Hv。

耐蚀性：镀层能耐酸碱腐蚀，镀层经中性盐雾实验96小时不变色，无任何锈蚀点；镀厚能力：镀厚能力达到1.2mm厚.

镀层与基底材料结合力：通过按国标划线方法或对折测试.镀层与基底材料无崩裂结合力良好.

工艺的分散性能：可以各种不同形状基底材料上得到均匀合格镀层.

耐磨性：用SST-ST销盘式摩擦磨损试验机(西德产)干摩擦系数及磨损量均优于或相当于其它表面处理工艺。