专利名称：含有碳纳米葱球形纳米材料的复合镀层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用金属材料对材料的镀覆，尤其是含碳纳米葱球形纳米材料镍基复合镀层及其制备方法。
背景技术：
现有的各种复合镀层中所含有的固体颗粒主要有碳化硅、金刚石、石墨、硫化钨和硫化钼，但是目前含有这些固体颗粒的复合镀层在其耐磨性能、自润滑性能、摩擦学性能不是十分理想。
层状结构的石墨作为润滑剂已得到了广泛的应用。在复合镀层中含有石墨微粒可以改善镀层的摩擦学性能。例如用化学复合镀技术制备的含有石墨的Ni-P复合镀层其摩擦系数可以从Ni-P化学镀层的0.11-0.12降低到0.06-0.07，磨损率也降低到原来50％。但是现有的这种采用片状的石墨作为填充材料制备化学复合镀层其耐磨性能和减摩性能的改善依然不是十分理想。碳纳米葱具有嵌套和封闭的球形石墨层结构，具有良好的化学稳定性和优异的摩擦学性能。现有的技术可以采用在水中的电弧放电制备碳纳米葱，具体的制备过程在文献[1]和文献[2]中已有详细的说明。在水中的电弧放电制备碳纳米葱纳米材料可以连续进行。
N.Sano，H.Wang，I.Alexandrou，et al，Properties of carbon onions produced byan arc discharge in water，J.Appl.Phys.，2002，92(5)2783-2788. N.Sano，H.Wang，M.Chhowalla，I.Alexandrou，G.A.J.Amaratunga，Synthesis of carbon onions in water，Science，2001，29(414)506-507.
但是迄今为止有关用碳纳米葱球形纳米材料制备耐磨和减摩的化学复合镀层的研究还未见报道。
发明内容
本发明涉及含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层及其制备方法，用化学复合镀制备一种不仅具有高耐磨性能，并具有低摩擦系数的复合镀层。
本发明的技术方案是含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层是在镀层中含有具有碳纳米葱球形纳米材料，纳米材料的尺寸在30-50纳米。
含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层的制备方法采用化学复合镀方法，化学复合镀溶液的组成和操作条件如下硫酸镍或氯化镍 10-35g/L次亚磷酸钠或硼氢化钾 0.5-35g/L钨酸钠 0-70g/L柠檬酸钠或乙二胺 0-100g/L乳酸 0-20mL/LpH 4-14温度 70-90℃直径为30-50nm的碳纳米葱球形纳米材料3-15g/L镀覆时间 2-4小时用醋酸或醋酸钠或氢氧化钠或硫酸铵调整溶液的pH值。
同现有技术比较本发明具有以下突出的优点1)本发明的含有碳纳米葱球形纳米材料的复合镀层具有高的耐磨性能和良好减摩性能。在同等测试条件下，其磨损量为Ni-P镀层的1/5，是Ni-P-石墨1/3，；其摩擦系数只有0.03-0.04，而Ni-P镀层和Ni-P-石墨复合镀层的摩擦系数分别为0.10-0.11和0.06-0.07。
2)本发明用的化学复合镀方法制备含有碳纳米葱球形纳米材料的复合镀层的方法简单，可以镀覆在钢铁和铝合金金属零件表面，适合于工业化生产。
3)这种上述具有高耐磨和减摩性能的含有碳纳米葱球形纳米材料的复合镀层，可以延长金属零件的使用寿命，并且降低能源消耗，有利于环境保护，因此在汽车、机械、化工、航空航天等工业部门具有广泛的应用。
具体实施例方式
实施例1用化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有碳纳米葱球形纳米材料的Ni-P复合镀层。其镀覆方法如下硫酸镍24g/L，次亚磷酸钠23g/L，乳酸5mL/L，醋酸钠12g/L，pH＝5.5，温度90℃，碳纳米葱6g/L，时间3小时。摩擦磨损实验结果表明含有碳纳米葱的Ni-P复合镀层的磨损量分别是Ni-P镀层的1/5、Ni-P-石墨1/2，其摩擦系数为0.029，而Ni-P和Ni-P-石墨摩擦系数为0.11和0.07。证明含有碳纳米葱球的Ni-P复合镀层具有高的耐磨和减摩性能。
实施例2用化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有碳纳米葱球形纳米材料的Ni-W-P复合镀层。其镀覆方法如下硫酸镍25g/L，钨酸钠65g/L，次亚磷酸钠22g/L，柠檬酸钠100g/L，乳酸6mL/L，硫酸铵30g/L，pH＝9.4，温度85℃，碳纳米葱5g/L，时间2.5小时。摩擦磨损实验结果表明含有碳纳米葱的Ni-W-P复合镀层的磨损量是Ni-W-P-石墨复合镀层的1/3，其摩擦系数为0.036，而一般含石墨Ni-W-P复合镀层的摩擦系数为0.06-0.08。
实施例3用化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有碳纳米葱球形纳米材料的Ni-B复合镀层。其镀覆方法如下氯化镍30g/L，硼氢化钾0.8g/L，乙二胺55g/L，氢氧化钠40g/L，pH＝14，温度75℃，碳纳米葱球形纳米材料11g/L，时间3小时。摩擦磨损实验发现含有碳纳米葱球形纳米材料的Ni-B复合镀层的磨损量分别是Ni-B镀层的1/7、Ni-B-石墨复合镀层的1/3，其摩擦系数为0.031，而Ni-B和Ni-B-石墨的摩擦系数为0.12和0.065。
实施例4铝合金经除油、碱性浸蚀和酸性浸蚀后，通过二次予浸锌或浸锌镍合金，然后用化学镀方法在其表面镀覆含有碳纳米葱球形纳米材料的Ni-P复合镀层。化学镀方法同实施例1。摩擦磨损实验发现铝合金表面Ni-P-碳纳米葱复合镀层的磨损量是Ni-P镀层的1/5-1/6，其摩擦系数为0.03，而Ni-P镀层的摩擦系数为0.11。
权利要求
1.一种含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层，其特征在于在镀层中含有碳纳米葱球形纳米材料，其尺寸在30-50纳米。
2.一种含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层的制备方法，其特征在于采用化学复合镀方法，在复合镀液中含有3～15g/L的碳纳米葱球形纳米材料，纳米材料的尺寸在30-50纳米。
3.根据权利要求2所述的含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层的制备方法，其特征在于化学复合镀溶液和工艺条件如下硫酸镍或氯化镍 10～35g/L次亚磷酸钠或硼氢化钾0.5～35g/L钨酸钠 0～70g/L柠檬酸钠或乙二胺0～100g/L乳酸0～20mL/LpH 4～14温度70～90℃直径为30-50nm的碳纳米葱球形纳米材料3-15g/L镀覆时间2-4小时用醋酸或醋酸钠或氢氧化钠或硫酸铵调整溶液的pH值。
全文摘要
本发明公开了一种含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层及其制备方法。这种复合镀层的制备是采用化学复合镀，在化学镀液中含有3～15g/L的碳纳米葱球形纳米材料。本发明的复合镀层具有高的耐磨和减摩性能。在同等测试条件下，其磨损量是Ni－P镀层的1/5，Ni－P－石墨复合镀层的1/3，其摩擦系数只有0.03－0.04，而Ni－P镀层和Ni－P－石墨复合镀层的摩擦系数分别为0.10－0.12和0.06－0.07。本发明的含有碳纳米葱球形纳米材料的镍基复合镀层的制备方法简单，可以镀覆在钢铁和铝合金金属零件表面。
文档编号C23C18/31GK1570206SQ20041001806
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者陈卫祥 申请人:浙江大学