专利名称：改性纳米二氧化硅颗粒增强镍磷复合镀层的方法
技术领域：
本发明涉及一种高硬度、耐磨新型镍磷复合镀层的制备方法，其特征是以表面修 饰、改性后纳米二氧化硅颗粒为增强体，优化施镀工艺，制备性能优良的镍磷化学复合镀 层，该发明属于表面技术、材料制备领域。
背景技术：
磨损、腐蚀是工程材料的主要失效方式，给社会造成巨大的经济损失，而这些失效 方式都与材料的表面状态密切相关，因此欲提高这类材料的使用性能，关键是提高其表面 性能，由此促进了表面改性和强化技术的发展。化学复合镀作为一项环保型的表面处理技 术，越来越显示出其重要性。SiO2具有硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点，被广泛地用来制备镍磷 化学复合镀层。但从采用化学复合镀方法所得到的试验结果分析，裸SiO2直接使用时，还 存在一些关键的技术问题需要解决，如超微、纳米SiO2的尺寸很小导致单个粒子的表面活 性大，极易吸附其它物质或微粒，引起团聚；SiO2增强复合镀层时，SiO2的共价键与金属基 体的金属键之间的本质差别，使界面润湿性能差，颗粒易脱落，硬度、耐磨性降低；SiO2与金 属基体接触时，高温下会发生显著的固相界面反应，改变金属基体的微结构与性能，使其硬 度及耐磨性降低等。有关这方面的文章或专利如周小平等.纳米SiO2颗粒镍基复合刷镀 层组织与磨损特性，湖北工学院学报，2004. 1 ；周细应等.一种纳米二氧化硅复合耐磨镀层 工艺，申请号CN200410053471. 5等。故提高颗粒的分散性，增强颗粒与金属基体的相容性， 增加镍的沉积量，提高镀层的硬度、耐磨性等，是目前镍磷化学复合镀研究中的一个迫切需 要解决的难点问题。
发明内容
本专利的目的是解决现有技术中的不足，探索一种降低纳米颗粒团聚，提高增强 体与金属基体的相容性，镀层厚、硬度高、耐磨性能好的镍磷复合镀层制备的技术方法。在已积累的实验和理论经验的基础上，对纳米SiO2进行表面化学镀镍以改性，得 到碳化硅复合粒子，简写为Ni/Si02。再以Ni/Si02为第二相粒子，Q235钢为基体，改良化学 复合镀液配方及工艺条件，制备Ni-P-Ni/Si02复合镀层。本发明采用的技术方案1. SiO2表面修饰改性过程包括预处理(微波湿刻蚀、亲水处理、循环敏化、钯盐 活化)和修饰改性过程。2. Q235的预处理过程包括打磨、抛光、碱洗除油、有机溶剂除油、活化。3.复合镀液的配制依次向镀槽中添加硫酸镍20 30g · L—1、乳酸10 15ml · L—1、柠檬酸钠10 15g · L-1、硼酸 5-10g · L-1、丁二酸 0. 5-1. 5mg · L—1、次亚磷酸钠 24_35g · L-1 及表面活性剂、 光亮剂等，用氨水调至适当的PH值。4.复合镀层的制备
将一定质量Ni/Si02粒子配成浆液，超声分散，使其润湿，加入到已配制好的化 学复合镀液中，搅拌，加热镀液至规定温度后，放入预处理后的试样施镀。施镀温度为 750C _90°C，镀液中的pH值范围为4. 0-5.0，施镀时间约为2h。本发明有益技术效果体现在以下几个方面(1)本发明在附寸_附/5102复合镀液中加入了乳酸、柠檬酸钠、丁二酸混合组成的 复合络合剂，较现有纳米复合镀液稳定性高、寿命长、沉积速度快。(2)本发明在Ni-P-Ni/Si02复合镀液中加入了聚乙烯醇为表面活性剂，降低了溶 液的表面张力，使纳米SiO2更容易与镀液共沉积，形成镀层。(3)本发明在Ni-P-Ni/Si02复合镀层制备中使用的第二相粒子Ni/Si02，为纳米 SiO2经表面镀镍得到，颗粒中间为SiO2，表层为金属镍，从根本上降低了纳米粒子的团聚， 提高了纳米颗粒与金属基体的相容性，较常规纳米复合镀层，明显提高了粒子在镀层中的 沉积量。(4)本发明所制备的Ni-P-Ni/Si02复合镀层较Ni-P-SiO2复合镀层，硬度有明显 提高，可达1280-1350HV，耐磨性明显增加。(5)本发明制备的附寸-附/5102复合镀层为表面改性技术，大大降低了生产成本， 延长了使用寿命，可广泛应用于机械、电子、汽车、石油化工、民用等多个领域。(6)本发明提出的Ni-P-Ni/Si02复合镀层制备工艺方法，可通过调节镀液试剂配 比、工艺参数选择及前处理操作等，提高工艺的可重复性和可控制性，实现制造低成本，生 产规模化。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进一步地说明实施例1 在Q235钢上制备Ni-P-Ni/Si02复合镀层。1. SiO2表面镀镍以改性，改性前，需对SiO2进行前处理，此过程包括微波湿刻蚀、亲水处理、循环敏化、钯 盐活化，之后进行表面修饰、改性。2.Q235基体试样的预处理该过程包括试样的打磨、抛光、碱洗除油、有机溶剂除油、活化。3.复合镀液的配制称取硫酸镍25g · L—1、次亚磷酸钠29g · L-1、乳酸14ml · L—1、柠檬酸钠14g · L-1、硼 酸6g · L_\丁二酸1. Omg · Γ1及表面活性剂、光亮剂等，溶于IL蒸馏水中即可。4.复合镀层的制备将一定质量的Ni/Si02粒子配成浆液，超声分散后，加入到已配制好的化学复合镀 液中，搅拌，加热镀液至规定温度后，放入预处理后的试样施镀。施镀温度为85士2°C，镀液 中的PH值为4. 4，施镀时间约为2h。5.测试方法镀层表面的形貌及颗粒分散程度采用扫描电子显微镜SEM观察、分析；镀层厚度 采用金相显微镜结合千分尺测试；镀层硬度采用显微硬度计进行测试，所加载荷为200g，时间为20s ；镀层的耐磨性实验选取厚度为1. 5mm的A3钢板为试样，在MM-200摩擦磨损机 上进行测试。试验参数为载荷20N，转数200r/min，磨损时间lOmin。6.测试结果实验测得Ni-P-Ni/Si02复合镀层中纳米颗粒的沉积量为25 %，较常规纳米化学复 合镀层中纳米粒子的沉积量有较大的提高。对比实验中m-P镀层的厚度为10 μ m，硬度 为447HV，400°C热处理后为621HV，800°C热处理后为527HV ；Ni-P-纳米SiO2复合镀层的厚 度为22 μ m，硬度为697HV，400°C热处理后达到954HV，800°C热处理后为812HV ；Ni-P-Ni/ SiO2复合镀层的厚度为38 μ m，硬度为935HV，400°C热处理后可达到1276HV，800°C热处理 后为1322HV。Ni-P化学镀层的磨损量为18. 6mg, Ni-P-纳米SiO2化学复合镀层的磨损量 为11. 7mg，Ni-P-Ni/Si02化学复合镀层的磨损量为2. 8mg。从此实施例可见Ni-P_Ni/Si02 复合镀层的硬度、抗高温性能和耐磨性都得到了明显提高。实施例2在Q235钢上制备Ni_P_Ni/Si02复合镀层。1. SiO2表面修饰、改性，改性前，需对SiO2进行前处理，此过程包括微波湿刻蚀、亲水处理、循环敏化、钯 盐活化，之后在改性液中改性。2.Q235基体试样的预处理该过程包括打磨、抛光、碱洗除油、有机溶剂除油、活化。3.复合镀液的配制称取硫酸镍22g · L—1、次亚磷酸钠26g · L—1、乳酸12ml · L—1、柠檬酸盐12g · L—1、硼 酸9g · L_\丁二酸1. Omg · Γ1及表面活性剂、光亮剂等，溶于IL蒸馏水中即可。4.复合镀层的制备将一定质量的Ni/Si02配成浆液，超声分散后，加入到已配制好的化学复合镀液 中，搅拌，加热镀液至规定温度后，放入预处理后的试样施镀。施镀温度为80士2°C，镀液中 的PH值为4. 8，施镀时间约为2h。5.测试结果实验测得Ni-P-Ni/Si02复合镀层中纳米颗粒的沉积量为21%，较常规纳米化学 复合镀层中纳米粒子的沉积量有较大的提高。对比实验中M-P镀层的厚度为9μπι，硬度 为414HV，400°C热处理后为587HV，800°C热处理后为459HV ；Ni-P-纳米SiO2复合镀层的厚 度为20 μ m，硬度为658HV，400°C热处理后达到889HV，800°C热处理后为745HV ；Ni-P-Ni/ SiO2复合镀层的厚度为32 μ m，硬度为848HV，400°C热处理后可达到1217HV，800°C热处理 后为1286HV。Ni-P化学镀层的磨损量为20. 2mg, Ni-P-纳米SiO2化学复合镀层的磨损量 为12. 5mg，Ni-P-Ni/Si02化学复合镀层的磨损量为3. 2mg。从此实施例可见Ni-P_Ni/Si02 复合镀层具有较高的硬度、抗高温性能和耐磨性能。
权利要求
一种改性纳米二氧化硅颗粒增强镍磷复合镀层的方法，其特征是以表面化学镀镍后的纳米二氧化硅粒子为增强体，制备镍磷纳米复合镀层，降低了纳米粒子的团聚，提高了粒子在镀层中的分散程度、沉积量及镀层的硬度、耐磨性和抗高温性能。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征是纳米SiO2表面化学镀镍前，必须对其进 行预处理，此过程包括微波湿刻蚀、亲水处理、循环敏化、钯盐活化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是低碳钢试样的预处理过程包括打磨、抛光、 碱洗除油、有机溶剂除油、活化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是镀液中各成分的浓度是硫酸镍的浓度为 20-30g · L—1，次亚磷酸钠的浓度为24-35g · L—1，乳酸的浓度为10_15ml · L—1、柠檬酸钠的浓 度为10-15g · L_\硼酸的浓度为5-10g · L、丁二酸的浓度为0. 5-1. 5mg · L—1，稳定剂的浓度 为0. 1-1. Omg · L—1，表面活性剂的浓度为20-60mg · L-1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是温度控制在75°C-90°C，pH值为4. 0-5. 0。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所采用的原料SiO2的加入量为1.0 5. Omg · L—1O
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用复合络合剂乳酸、柠檬酸钠、丁二酸。
全文摘要
本发明公开了一种以改性纳米二氧化硅颗粒增强镍磷复合镀层的方法，其特征是以表面化学镀镍后的纳米二氧化硅粒子为增强体，设计并优化工艺、配方，制备出新型镍磷化学复合镀层，降低了纳米粒子的团聚，提高了粒子在镀层中的分散程度、沉积量及镀层的硬度和耐磨性。该发明属于表面技术、材料制备领域，其结果能广泛应用于机械、电子工业、汽车工业、石油化工、民用等多个领域。采用本方法对原料及生产设备要求低，过程可控性强，所得产品镀层均匀、硬度高、耐磨性、抗高温性能好。
文档编号C23C18/36GK101906625SQ201010253728
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者宿辉 申请人:宿辉