表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备设备及工艺

摘要

本发明公开了一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备设备及工艺，该制备设备包括电磁场发生控制器、磁极、超声发生器、测温系统、容器，所述电磁场发生控制器与所述磁极相连接，所述超声发生器、所述测温系统分别与所述容器相连接。本发明还提出一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备工艺，其是在施镀步骤，借助磁极、超声发生器向施加电磁场和超声波，与传统化学复合镀相比，在较低沉积温度下，通过电磁-超声复合场协同作用可快速制备组织细小、结构致密的纳米复合镀层，效率明显提高、能耗显著降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备设 备及工艺，属于化学镀技术领域。

背景技术

化学镀Ni-P二元合金技术是近年来发展迅速的表面保护技术， 与电镀工艺比较，具有设备简单、易于控制和掌握等优点，并且镀层 厚度均匀，不需直流电流设备、孔隙率小、耐蚀性优良且对环境污染 较少，适合于复杂形状零件，已被广泛应用于化学、机械、汽车、电 子以及航空航天等众多领域。常规的纳米化学复合镀层多以Ni-P作 为基体，添加一种或数种不溶性的固体颗粒，如SiC、Al₂O₃、MoS₂、 石墨、具有自润滑特性的PTFE等纳米微粒，以提高化学镀Ni-P镀 层的硬度、耐磨性和减摩性。但加入的此类复合镀层的主要制备工序 包括：纳米微粒的表面处理、镀液的配制、镀层沉积以及镀层后处理 等过程。其中，复合镀层的沉积过程是影响镀层形貌结构和性能的关 键环节。以常用的酸性镀液体系为例，纳米微粒的加入大大降低镀液 稳定性，镀层沉积效率亦较为低下，而且施镀工艺温度一般较高(在 90℃左右)，能耗大，高温还使镀液蒸发严重、镀液使用寿命短，造 成浪费和环境污染。因此，有必要对传统的Ni-P基纳米化学复合镀 制备工艺进行改善，以期进一步提高效率、降低能耗，得到表面具有 特殊结构的镀层。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米化学复合镀层的制备设备及工艺， 提高效率、降低能耗，并得到具有微孔状结构的镀层，便于在后期储 油、耐摩擦磨损方面的应用。

本发明采用如下技术方案：一种表面带微孔结构的纳米化学复合 镀层的制备设备，其特征在于，包括电磁场发生控制器、磁极、超声 发生器、测温系统、容器，所述电磁场发生控制器与所述磁极相连接， 所述超声发生器、所述测温系统分别与所述容器相连接，所述容器内 设置有复合镀液、基体；所述测温系统用来测量所述复合镀液的温度， 所述超声发生器与所述容器之间还设置有变幅杆，所述磁极为相对设 置的两个。

本发明还提出一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备 设备的制备工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤SS1纳米微粒和基体表面预处理：在0.1g～0.2g/L SiC， 11.5g～12.5g/L FeSO4·7H2O，0.3g～0.5g/L Zn的溶液中，利用还原 反应方法在SiC表面包覆上Fe层；基体的处理方法为：基体经过打 磨去除毛刺、碱液除油、稀硫酸活化，去除表面氧化物，备用；

步骤SS2磁化的SiC/Ni-P镀液的配制：镀液成分如下：NiSO4·6 H2O 28～32g/L、NaH2PO2·H2O 28～32g/L、Na3C6H5O7·2H2O 28～32 g/L、CH3COONa 18～22g/L、加速剂13～16mL/L，步骤SS1中预处 理的磁化的纳米SiC 1～3g/L，将全部组分称量后，用去离子水充分溶 解，并用超声搅拌20min，调节pH值至4.8左右；

步骤SS3复合镀层的沉积：将步骤SS2配制的SiC/Ni-P镀液加 热至50℃，测温系统实时检测复合镀液的温度，固定超声波发生器 的超声频率为20kHz，调整超声波功率为0～300W且大于0W，采用 电磁场发生控制器(1)调整电磁场强度为0～0.7T且大于0T的，放 入步骤SS2预处理过的基体，施镀时间为60min，得到复合镀层。

优选地，基体为钢基体。

优选地，加速剂为有机酸。

优选地，有机酸为乳酸。

优选地，电磁场的磁场强度为0.1～0.7T，超声波功率为100～300 W。

本发明所达到的有益效果：与传统化学复合镀相比，在较低沉积 温度下，通过电磁-超声复合场协同作用可快速制备组织细小、结构 致密的纳米复合镀层，效率明显提高、能耗显著降低。

附图说明

图1是本发明的一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制 备设备的制备设备的结构示意图。

图中标记的含义：1-电磁场发生控制器，2-磁极，3-超声发生器， 4-变幅杆，5-测温系统，6-复合镀液，7-基体，8-容器。

图2是本发明的一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制 备设备的制备工艺的工艺流程图。

图3是包覆上Fe层的SiC纳米微粒的电镜图。

图4是包覆上Fe层的SiC纳米微粒的能谱图。

图5是实施例1所得纳米复合镀层的电镜图。

图6是实施例2所得纳米复合镀层的电镜图。

图7是对比例1所得纳米复合镀层的电镜图。

图8是实施例3所得纳米复合镀层的能谱分析图。

图9是实施例3所得纳米复合镀层的XRD图谱。

图10是实施例3所得纳米复合镀层的硬度与压痕深度的关系图。

图11是实施例3所得纳米复合镀层的晶化处理工艺路线图。

图12是实施例3所得纳米复合镀层的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清 楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明的一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制 备设备的制备设备的结构示意图，本发明提出一种表面带微孔结构的 纳米化学复合镀层的制备设备，其特征在于，包括电磁场发生控制器 1、磁极2、超声发生器3、测温系统5、容器8，电磁场发生控制器 1与磁极2相连接以便控制磁场强度，超声发生器3、测温系统5分 别与容器8相连接，容器8内设置有复合镀液6、基体7；测温系统 5用来测量复合镀液6的温度，超声发生器3与容器8之间还设置有 变幅杆4，磁极2为相对设置的两个。

本发明所采用的复合镀液成分说明如下：NiSO₄·6H₂O为六水硫 酸镍；Na₃C₆H₅O₇·2H₂O为二水柠檬酸钠；CH₃COONa为乙酸钠； 所采用的设备是：FS-1500型超声波发生器、SB-175型电磁发生器。

图2是本发明的一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制 备设备的制备工艺的工艺流程图，本发明的镀层制备工艺包括：步骤 SS1纳米微粒表面磁化改性处理和基体表面预处理；步骤SS2磁化的 SiC/Ni-P镀液的配制；步骤SS3在外加超声波、电磁场的作用下完成 复合镀层的沉积。

具体而言，本发明的一种表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的 制备设备的制备工艺的具体内容如下：

纳米微粒和基体表面预处理，其包括：

纳米微粒表面磁化预处理：在0.1g～0.2g/L SiC、11.5g～12.5g/L  FeSO4·7H₂O、0.3g～0.5g/L Zn的混合溶液中，利用还原反应方法在 粒径20nm的SiC表面包覆上Fe层，所得复合粉体的饱和磁化强度 Ms达62.0Am²～65.0Am²/kg，矫顽力Hc达253.0～265.0Oe，剩磁Mr 达41.5Am²～45.0Am²/kg，见图3和图4。

基体的处理：将10mm×10mm×2mm的钢基体经砂纸打磨平整 后，在10％的NaOH溶液中浸泡10min除油后，放入5％的HCl溶 液中活化2min，去除表面氧化物。

实施例1-3所采用的镀液如下：按照NiSO₄·6H₂O 30g/L， NaH₂PO₂·H₂O 30g/L，Na₃C₆H₅O₇·2H₂O 30g/L，CH₃COONa 20g/L， 加速剂(乳酸，C₃H₆O₃)15mL/L，磁化的纳米SiC 1g/L称量各组份， 用去离子水充分溶解，超声20min混合均匀，调节pH值至4.8。

实施例1-4施镀层工艺参数的不同点在于磁场强度与超声波， 具体见表1所示：

表1

实施例5-6所采用的镀液成分如表2所示：

表2

  实施例5 实施例6 NiSO₄·6H₂O 28 32 NaH₂PO₂·H₂O 28 32 Na₃C₆H5O₇·2H₂O 28 32 CH₃COONa 18 22 C₃H₆O₃13 16

对比例1

按照NiSO4·6H₂O 30g/L，NaH₂PO₂·H₂O 30g/L， Na₃C₆H₅O₇·2H₂O 30g/L，CH₃COONa 20g/L，C₃H₆O₃15mL/L，纳 米SiC 1g/L称量药品，用去离子水充分溶解，超声20min混合均匀， 调节pH值至4.8，在HH-S1型水浴锅中将配制的溶液加热至90℃， 放入处理的钢基体，反应60min，得到复合镀层，表面较平坦无明显 的微孔结构，如图7。

图3是包覆上Fe层的SiC纳米微粒的电镜图；从图中可知可以 看出复合粉体颗粒分散均匀，无团聚现象。

图4是包覆上Fe层的SiC纳米微粒的能谱图(图3箭头处的能 谱图)；从图中可知SiC表面包覆有Fe元素。

图5是实施例1所得纳米复合镀层的电镜图，从图中可知，复合 镀层表面具有均匀的1μm左右的微孔结构。

图6是实施例2所得纳米复合镀层的电镜图。

图7是对比例1所得纳米复合镀层的电镜图。

图8是实施例3所得纳米复合镀层的能谱分析图，从图中可知复 合镀层中主要含有Ni、P、Si、C等元素，膜层由Ni-P和SiC构成。

图9是实施例3所得纳米复合镀层的XRD图谱，从图中可知所 得膜层为非晶结构。

图10是实施例3所得纳米复合镀层的硬度与压痕深度的关系图； 可见，本申请镀层(a)的硬度达0.25GPa，而传统工艺制备试样(b) 的硬度为0.08GPa。

图11是实施例3所得纳米复合镀层的晶化处理工艺路线图。

图12是实施例3所得纳米复合镀层的XRD图谱，可见当热处理 温度达到450℃时，XRD图谱上可以看到明显的衍射峰，这是复合 镀层被晶化的明显特征，说明在450℃时，镀层已经发生了晶化转变， 有相发生析出，但衍射峰形状存在形式较窄，说明此时析出相比较大。 在40°到50°之间有Ni3P化合物的衍射峰，形成Ni3P晶态相。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。