专利名称：无电镀Ni-复合材料的基材和方法
技术领域：
本文公开的主题的实施方案总的涉及方法和系统，更具体地，涉及使用耐磨涂层镀基材的机理和技术。
背景技术：
论述
在石化和石油工业中使用各种压缩机。它们中的许多用于泵送过程流体， 过程流体可能以不期望的方式腐蚀压缩机材料或与压缩机材料相互作用。出于该原因，各种技术用于保护压缩机。一种这样的方法为无电镀镍(ENP)。ENP在基材上产生镍磷合金涂层。无电镍涂层中的磷含量可为4%_13%。其通常用于需要耐磨、硬度和磨耗防护的工程涂布应用。ENP的其它应用可包括油田阀、转子、驱动轴、电/机械工具等。由于涂层的高硬度，其还可用于补救磨损的部件。可将0. 001-0. 004英寸的涂层施用于磨损的组件，随后可将涂层机械加工回到最终的尺寸。由于其均匀的沉积分布，这些涂层可施用于不容易适于其它硬磨损涂层(如基于铬的涂层)的复杂组件。ENP为不需要电流在基材上沉积镍涂层的自催化反应。这与电镀不同，电镀需要电流通过溶液以形成沉积。该镀术用于防止磨耗和磨损。通过将粉末在浸没基材的浴中悬浮，ENP技术还可用于制造复合材料涂层。比起电镀，ENP具有若干优点。不含通量-密度和电源问题，ENP提供均匀的沉积，而与工件几何形状无关，并且，使用适当的预镀催化剂，可在非传导性表面上沉积。关于图I讨论传统的ENP沉积系统。系统10包括其中提供特定的浴14的隔室12。浴14的组成根据应用的不同而变，并且取决于许多因素。可提供风扇16以保持浴14的内含物的均质分布。在支架20上提供待涂布的基材18 (其可为圆盘)，支架20完全浸入浴14中。将待在基材18上涂布的期望的材料22加入到浴14中，将风扇16激活，使得期望的材料22在浴中更均匀地分布，并且保持材料的颗粒在镀的过程中恒定搅拌。期望的材料22可包括然而，在压缩机套筒上沉积之后，ENP已知的组成具有短的寿命。因此，期望提供避免前述问题和缺点的系统和方法。发明概述
根据一个示例性实施方案，提供了一种用于通过无电镀镍(Ni)使用耐磨颗粒涂布基材的方法。所述方法包括将基材浸入隔室中提供的浴中，所述浴具有Ni盐；向浴中加入具有预定尺寸的立方氮化硼(cBN)颗粒，以便产生预定浓度的cBN ;将基材在含有cBN颗粒的浴中保持预定的时间；和移除基材，其中移除的基材具有在第一范围的cBN和Ni的涂层。根据再一个示例性实施方案，提供了一种用于通过无电镀镍(Ni)使用耐磨颗粒涂布基材的方法。所述方法包括将基材浸入隔室中提供的浴中；向浴中加入具有预定尺寸和预定浓度的立方氮化硼(cBN)颗粒和具有预定尺寸和预定浓度的六方BN(hBN)颗粒，其中所述浴包括Ni盐；将基材在含有cBN和hBN颗粒的浴中保持预定的时间；和移除基材，其中移除的基材具有在第一范围的cBN、hBN和Ni的涂层。根据又一个示例性实施方案，提供了一种包括通过无电镀镍(Ni)在基材上沉积的包括耐磨颗粒的涂层的基材，其中所述涂层包括对于多于一半的cBN颗粒尺寸为6-20Mm的立方氮化硼(cBN)颗粒。根据另一个示例性实施方案，提供了一种包括通过无电镀镍(Ni)在基材上沉积的包括耐磨颗粒的涂层的基材，其中所述涂层包括六方氮化硼(hBN)和立方氮化硼(cBN)颗粒，cBN颗粒对于多于一半的颗粒的尺寸为6-12 Mm，而hBN颗粒对于多于一半的颗粒的尺寸为6-10 Mm。附图简述
附图并入说明书并构成说明书的一部分，所述
一个或多个实施方案，并且与说明书一起说明这些实施方案。在附图中
图I为常规的无电镀镍系统的示意 图2为说明Ni沉积涉及的化学反应的流程 图3说明根据一个示例性实施方案用于涂布基材的各种复合材料；
图4说明对于图3的各种复合材料的金属损失；
图5为说明图3的各种复合材料的平均重量损失的图表；
图6为说明图3的各种复合材料的平均磨损速率的图表；
图7为说明图3的各种复合材料的重量损失和磨损速率的数值的表；
图8为根据一个示例性实施方案使用一种或多种图3的复合材料涂布基材的系统的示意 图9为根据另一个示例性实施方案使用一种或多种图3的复合材料涂布基材的系统的示意 图10为说明根据一个示例性实施方案使用cBN和Ni颗粒涂布基材的步骤的流程图； 和
图11为说明根据一个示例性实施方案使用cBN和hBN和Ni颗粒涂布基材的步骤的流程图。发明详述
以下对示例性实施方案的描述涉及附图。在不同的图中相同的附图标记指定相同或类似的元件。以下详细说明不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简化，关于往复压缩机的术语和结构讨论以下实施方案。然而，接下来讨论的实施方案不局限于这些系统，但是可应用于在腐蚀性环境中操作或经受机械磨损的其它基材。在整个说明书中涉及“一个实施方案”或“某一实施方案”是指结合某一实施方案描述的具体特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中在各处出现短语“在一个实施方案中”或“在某一实施方案中”未必指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，具体的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。如上所讨论的，ENP涂层为本领域已知的。然而，ENP涂层可包括陶瓷颗粒(ENP-复合材料)，以增强在其上施用涂层的基材的机械性质。一些ENP-复合材料(如ENP-Al2O3和 ENP-SiC)在本领域也已知。然而，已知的ENP-复合材料不产生具有期望的强度和耐磨性的涂层。
根据一个示例性实施方案，将以下复合材料加入到常规的ENP中碳化硅(SiC)、金刚石(c-C)、立方氮化硼(cBN)以及自润滑颗粒如六方BN (hBN)。如后面讨论的，研究了各种颗粒尺寸和颗粒浓度。一些所研究的新的组合物显示与其它相比出色的性质，因此导致能经受机械磨损和/或腐蚀性环境的涂层。然而，注意到存在大量的Ni和其它颗粒的组合有待研究。由于要加入到ENP中的颗粒的大量颗粒尺寸和颗粒浓度(仅举出几种)，产生进一步的复杂性。因此，注意到，将已知的颗粒的正确尺寸和/或浓度与常规的ENP组合对于本领域技术人员来说不是显而易见的，因为本领域不可预测，并且颗粒参数之一的小变化可导致涂层性质的大变化，如后面所讨论的。根据一个示例性实施方案，参考图2讨论浴的组分和它们的作用。图2显示浴14的两种组分为镍盐30和还原剂32。镍盐30提供用于涂布沉积物的材料(Ni)，而还原剂负责镍离子还原。由于镍盐30与还原剂32在隔室12中的相互作用的结果，得到各种Ni涂层。例如，可得到Ni-P涂层34或Ni-P涂层36或Ni-B涂层38，这取决于所用的还原剂。在一个应用中，仅次磷酸钠用作还原剂。在如图2所示的涂布过程期间，在方框34、36和38 中产生氧化的元件。浴可分为次磷酸盐浴和基于硼和氮化合物的浴。次磷酸盐浴可产生磷含量为I重量％-15重量％的涂层。磷含量强烈地取决于浴组成，并且主要取决于浴的pH值。镀液的酸性越高，则涂层中的磷浓度越高。温度也影响浴性能，并且优选不超过90°C。由于浴的组成复杂，可使用具有不同结果的较大数量的浴。Ni-B和Ni-N涂层可由含有基于硼和氮的还原化合物的溶液沉积。这种涂层显示良好的耐磨耗和耐磨损性，甚至高于Ni-P合金。然而，它们的沉积仅由碱性溶液出现，例如，对于Ni-B合金沉积，pH为8-14，对于Ni-N合金沉积，pH为8_10。该缺点相关是因为在这些条件下不能实现在钢基材上良好的粘着。用于制备Ni-B层的还原化合物为硼氢化钠和二甲基胺(dymethylarnine)硼烧,而用于Ni-N沉积的还原化合物使用肼。可使用的其它添加剂为有机配体、加速剂、稳定剂、pH控制剂和/或润湿剂。添加剂用于改进无电浴的稳定性和保持恒定的沉积速度，例如，10-20 Mffl/h0为了得到ENP-复合材料涂层，将陶瓷颗粒的悬浮液加入到浴中。一些悬浮的颗粒可粘附于生长中的沉积物(涂层)的表面，以形成加强涂层的包含物。沉积过程的大多数特性与陶瓷材料的化学性质无关。考虑陶瓷颗粒与溶液和生长中的沉积物的相互作用仅由于静电和重力，该方面可以理解。由于静电力取决于颗粒的表面电荷，并且重力与颗粒的质量成正比，对可包括在涂层中的颗粒的尺寸有限制。直径大于30 Mffl的颗粒的溶液不稳定，并且如果剧烈搅拌则趋向于沉淀。另一方面，如果颗粒的直径小，则静电力可导致聚结。这种现象可产生颗粒在涂层中的分布的不均匀性。通过加入数PPm浓度范围的表面活性剂，可避免聚结。根据一个示例性实施方案，在隔室12中提供具有在表I中所列的组成和特性的浴，使风扇16打开以保持浴的搅拌。将具有各种组成的陶瓷粉末加入到该浴中，如后面讨论的。表I
权利要求
1.一种用于通过无电镀镍(Ni)使用耐磨颗粒涂布基材的方法，所述方法包括 将基材浸入隔室中提供的浴中，所述浴具有Ni盐； 向浴中加入具有预定尺寸的立方氮化硼(cBN)颗粒，以便产生预定浓度的cBN ； 将基材在含有cBN颗粒的浴中保持预定的时间；和 移除基材，其中移除的基材具有在第一范围的cBN和Ni的涂层。
2.权利要求I的方法，其中所述预定尺寸对于多于一半的cBN颗粒为6-20Mm，所述预定浓度为18-25 g/Ι，并且所述第一范围为50-200 Mm。
3.权利要求I或权利要求2的方法，其中所述预定尺寸对于多于一半的cBN颗粒为6-20 Mm，所述预定浓度为约8-15 g/Ι，并且所述第一范围为50-200 Mm。
4.前述权利要求中任意项的方法，所述方法还包括 向浴中供应另外的cBN颗粒，同时涂布基材，以补偿在基材上沉积的那些cBN颗粒。
5.一种用于通过无电镀镍(Ni)使用耐磨颗粒涂布基材的方法，所述方法包括 将基材浸入隔室中提供的浴中，其中所述浴包括Ni盐； 向浴中加入具有预定尺寸和预定浓度的立方氮化硼(cBN)颗粒和具有预定尺寸和预定浓度的六方BN(hBN)颗粒； 将基材在含有cBN和hBN颗粒的浴中保持预定量的时间；和 移除基材，其中移除的基材具有在第一范围的cBN、hBN和Ni的涂层。
6.权利要求5的方法，其中cBN颗粒的预定尺寸对于多于一半的cBN颗粒为6-12Mm,并且cBN颗粒在浴中的预定浓度为18-25 g/l，hBN颗粒的预定尺寸对于多于一半的hBN颗粒为6-10 Mm，并且hBN颗粒在浴中的预定浓度为8-45，并且所述第一范围为50-200 Mm。
7.权利要求5或权利要求6的方法，其中cBN颗粒的预定尺寸对于多于一半的cBN颗粒为6-12 Mm，并且cBN颗粒在浴中的预定浓度为8-15 g/l，hBN颗粒的预定尺寸对于多于一半的hBN颗粒为6-10 Mm，并且hBN颗粒在浴中的预定浓度为8-15 g/Ι，并且所述第一范围为 50-200 Mfli0
8.权利要求7的方法，所述方法还包括 在涂布基材的同时向浴中供应另外的cBN和hBN颗粒，以补偿在基材上沉积的那些颗粒。
9.一种基材,所述基材包含 通过无电镀镍(Ni)在基材上沉积的包括耐磨颗粒的涂层，其中所述涂层包括对于多于一半的cBN颗粒尺寸为6-20 Mm的立方氮化硼(cBN)颗粒。
10.一种基材,所述基材包含 通过无电镀镍(Ni)在基材上沉积的包括耐磨颗粒的涂层，其中所述涂层包括六方氮化硼(hBN)和立方氮化硼(cBN)颗粒，cBN颗粒对于多于一半的颗粒的尺寸为6-12 Mm，而hBN颗粒对于多于一半的颗粒的尺寸为6-10 Mm。
全文摘要
用于通过无电镀镍(Ni)使用耐磨颗粒涂布基材的方法。该方法包括将基材浸入隔室中提供的浴中，所述浴具有Ni盐；向浴中加入具有预定尺寸的立方氮化硼(cBN)颗粒，以便产生预定浓度的cBN；将基材在含有cBN颗粒的浴中保持预定的时间；和移除基材，其中移除的基材具有在第一范围的cBN和Ni的涂层。
文档编号C23C18/34GK102713003SQ201080062744
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月30日
发明者E.焦尔尼, F.索尔博, M.詹诺兹 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司