低碳钢表面化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO2复合镀层的制备工艺

摘要

本发明涉及化学复合镀领域，具体是一种低碳钢表面化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO2复合镀层的制备工艺。复合镀溶液包括基础化学镀液和纳米SiO2浓缩液，将纳米浓缩液加入到基础化学镀液中，在400～1000rpm机械搅拌条件下分散5～30分钟后使用；化学复合镀工艺控制搅拌速度400～800rpm，温度为80~90℃，施镀60～90分钟。本发明所得复合镀层组织呈胞状，连续致密；镀层与基体结合好，镀层内部无明显缺陷；复合镀层硬度高，耐磨性，耐蚀性好。

说明书

技术领域

本发明涉及化学复合镀领域，具体是一种低碳钢表面化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀层的制备工艺。

背景技术

化学复合镀是在化学镀溶液中加入硬粒子(即不溶性微粒)，使之与化学镀合金共沉积，获得各种具有不同物理化学性质镀层的一种工艺。化学复合镀起步较晚，直到1966年才在实验室制得Ni-P-A1₂O₃化学复合镀层。最先获得实际应用的化学复合镀层是Ni-P-SiC复合镀层。二十世纪七十年代初，化学复合镀技术在欧美开始发展并逐步得到推广和应用。

复合镀层技术是改善材料表面性能的有效途径之一，而且复合镀层技术具有工艺简单，成本低，可以在常温下操作，不影响主体材料内部性质等优点，因而在材料的研究和开发中占有重要地位。钢铁材料的失效大多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其敏感，材料表面的结构和性能直接影响钢铁材料的整体性能。复合镀技术作为材料表面强化的一种手段，因其镀层具有高硬度、耐磨性、自润滑性、耐蚀性、特殊的装饰外观以及电接触、电催化等功能而倍受人们的关注。

纳米粒子复合镀层的研究中，由于复合镀层包括固体微粒与被还原金属的共同沉积，兼具两者的优点，因此复合镀层具有比单一材料更好的耐磨、耐腐蚀及耐高温性能而越来越受到人们的重视。关于添加纳米粒子化学复合镀的研究，现今大部分研究Ni-P镀液中添加纳米粒子制备纳米复合镀层提高金属或合金耐磨损、耐擦损、抗蠕变性能、耐腐蚀性、高温强度和高温抗氧化性等。例如，中国专利申请（申请号CN201510410993）报道了一种非晶态镍磷碳化钨粉末复合镀层的制备方法，获得非晶态高硬度的耐蚀耐磨镍磷碳化钨复合镀层，采用镍磷二氧化硅复合镀层的铝合金表面镀层结构，克服了铝合金电镀镀层容易磨损和脱落的缺陷，并且增加了铝合金硬度，耐腐蚀性能好。目前已经制备出多种具有不同功能的纳米复合镀层，常见的复合镀层有Ni-P-SiC、Ni-P-A1₂0₃、Ni-P-Si₃N₄、Ni-P-SiO₂、Ni-P-CeO₂、Ni-P-PTFE等。这些研究大部分是在传统Ni-P镀层中添加纳米粒子，在Ni-Zn-P合金镀层中添加纳米粒子的研究仅报道了Ni-Zn-P-TiO₂和Ni-Zn-P-SiC纳米复合镀层。没有发现在Ni-Zn-P合金镀层中添加纳米SiO₂粒子的发明报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有较高硬度，较好耐蚀性和耐磨性，纳米SiO₂在镀层中分散均匀，对环境污染小的低碳钢表面化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀液及其制备工艺。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低碳钢表面化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀层的制备工艺，包含有基体前处理、基础化学镀液的配置、纳米二氧化硅浓缩液的制备、纳米复合镀液的制备；进行化学复合镀时，直接将处理好的试样放入配置好的复合镀液中施镀，采用机械搅拌，其搅拌速度为400～800rpm，温度为80～90℃，施镀时间为60～90分钟。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，具有如下优点：

无论是前处理溶液还是化学镀溶液中都没有使用对人体和环境有严重危害的有毒物质；纳米二氧化硅浓缩液分散性好、稳定性好；在化学复合镀时采用机械搅拌，保证了镀层中纳米粒子分散均匀；发明制备的复合镀层明显改善了镀层的硬度和耐蚀性能，而且镀层与基体的结合力良好，各方面性能优异。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述基体前处理包括打磨、超声碱洗、活化三个步骤，每一步完成后都要水洗；

所述的打磨是指用800^#～1500^#碳化硅砂纸依次打磨，除去基体表面的锈层、油污并且使表面平整光洁；

所述的超声碱洗指的是使用碳酸钠20～40g/L、氢氧化钠15～30g/L的混合水溶液清洗，清洗温度为60～80℃之间，清洗过程要使用超声震荡，超声清洗频率为40KHz，清洗时间为10～15分钟；

所述的活化步骤采用3～5%的稀盐酸水溶液，活化时间为2～4分钟。

所述基础化学镀液是含有硫酸镍、硫酸锌、柠檬酸钠、氯化铵、次亚磷酸钠的水溶液；其中：每升水溶液中含有：硫酸镍20g～25g，硫酸锌0.4g～0.8g，柠檬酸钠50g～60g，氯化铵25g～30g，次亚磷酸钠15g～25g。

所述基础化学镀液的配置方法是先将主盐硫酸镍，硫酸锌，还原剂次亚磷酸钠分别溶解，再将络合剂柠檬酸钠，氯化铵溶解混合均匀，将主盐硫酸镍，硫酸锌依次加入混合均匀的络合剂中，使用玻璃棒搅拌，使基础化学镀液混合均匀；使用氢氧化钠调节pH至5～7之间，即为基础化学镀液。

所述纳米二氧化硅浓缩液的制备方法是将化学分散剂加入去离子水中，然后加入纳米SiO₂，先使用高速机械搅拌机1000～2000rpm搅拌分散6～18小时，然后使用超声在40KHz下分散1～3小时，即为纳米二氧化硅浓缩液。

所述的化学分散剂为十二烷基苯磺酸钠和甲酰胺。

所述纳米二氧化硅的粒度在100nm以下。

所述纳米复合镀液的制备方法是将纳米二氧化硅浓缩液在400rpm～1000rpm机械搅拌下加入到基础化学镀液中，分散5～30分钟，使化学复合镀液中纳米二氧化硅的含量为0.2～4g/L，即为纳米复合镀液。

附图说明

图1是本发明实施例的Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀层显微组织图片；

图中：箭头所指为纳米二氧化硅颗粒。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步阐述，但实施例不对本发明构成任何限制。

实施例1：

基体试样为Q235低碳钢，大小为20×25×0.9mm³，其具体操作步骤如下：

1、机械预处理：用800^#～1500^#的碳化硅砂纸由粗到细打磨，去除表面氧化物，油污等，使试件表面平整光洁；水洗。

2、超声碱洗：使用碳酸钠30g/L、氢氧化钠20g/L混合水溶液，使用超声震荡，频率为40KHz，清洗温度70℃，时间为10分钟，去除表面不容易被打磨掉的油污，氧化物；水洗。

3、活化：超声碱洗后的试样放入3wt%的稀盐酸水溶液中浸泡3分钟。除去碱洗过程中残留的污物，同时，试样表面生成大量活化点，有利于化学复合镀中各物质的沉积，有助于提高镀层与基体的结合力；水洗。

4、配置基础化学镀液：基础化学镀液由：硫酸镍：25g/L，硫酸锌：0.4g/L，柠檬酸钠：55g/L，氯化铵：35g/L，次亚磷酸钠：25g/L。用去离子水调节镀液至50ml，使用玻璃棒搅拌，使基础化学镀液混合均匀；使用氢氧化钠调节pH至5～7之间。

5、制备SiO₂浓缩液：在150ml烧杯中加入水80ml，将化学分散剂十二烷基苯磺酸钠5g和甲酰胺3ml加入去离子水中，使用玻璃棒搅拌均匀，然后在搅拌下加入纳米SiO₂1g，加去离子水稀释至100ml先使用高速械搅拌机2000rpm搅拌分散12小时，然后在40KHz超声分散2小时，制成纳米二氧化硅浓缩液待用。

6、制备化学复合镀液：取纳米SiO₂浓缩液10ml在400rpm机械搅拌下加入到基础镀液中，并且使用去离子水稀释复合镀液至100ml。

7、化学复合镀工艺：先将镀液温度加热到85℃，直接将处理好的试样放入配置好的复合镀液中施镀，采用机械搅拌使镀液中的纳米粒子一直处于良好的分散状态，其搅拌速度为400rpm，施镀时间90分钟。

8、后处理：镀好的试样从镀槽中取出，水洗，烘干，进行分析测试。图1是化学镀Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀层的扫描电子显微镜图，图中箭头所指亮白色粒子为纳米二氧化硅颗粒。

实施例2：

与实施例1的不同之处在于：

1、制备化学复合镀液：取纳米二氧化硅浓缩液20ml在400rpm机械搅拌下加入到基础镀液中，并且使用去离子水稀释复合镀液至100ml。

2、化学复合镀工艺：先将镀液温度加热到85℃，直接将处理好的试样放入配置好的复合镀液中施镀，搅拌速度为400rpm，施镀时间60分钟。

实施例3：

与实施例1的不同之处在于：

1、制备化学复合镀液：取纳米二氧化硅浓缩液5ml在400rpm机械搅拌下加入到基础镀液中，并且使用去离子水稀释复合镀液至100ml。

2、化学复合镀工艺：先将镀液温度加热到85℃，直接将处理好的试样放入配置好的复合镀液中施镀，搅拌速度为400rpm，施镀时间60分钟。

实施例4：

与实施例1的不同之处在于：

1、制备化学复合镀液：取纳米二氧化硅浓缩液30ml在400rpm机械搅拌下加入到基础镀液中，并且使用去离子水稀释复合镀液至100ml。

2、化学复合镀工艺：先将镀液温度加热到85℃，直接将处理好的试样放入配置好的复合镀液中施镀，搅拌速度为400rpm，施镀时间60分钟。

按以上实施例得到的Ni-Zn-P/纳米SiO₂复合镀层性能见下表：

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。