功能梯度鍍層的復合層電沉積工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非傳統(tǒng)加工工藝及表面強化、表面改性處理,具體涉及在45#鋼、40Cr 材料表面獲得鎳基納米TiN/M〇S#A能梯度鍍層的復合層電沉積工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 45#鋼、40Cr是性價比較高、在國內(nèi)外各行業(yè)應用非常廣泛的金屬材料。在裝備制 造業(yè)主要用于制造各種機械零件。各類機械裝備通常對于各種金屬(合金)摩擦副零件, 尤其是加工難度大、制造時間長、制造成本高、附加值較高的重大裝備(如:乳機、破碎機、 大型切削機床、大型艦船柴油機、燃氣輪機、水力及風力發(fā)電機組等)的傳動軸、齒輪等零 件均要求其工作面在高速、重載、高溫、腐蝕等惡劣工況下具有良好的耐磨、耐蝕性和較長 的使用壽命及失效后可行的再制造(修復)功能。對45#鋼、40Cr零件材料進行表面處理 與改性及一定范圍磨損超差后的修復,以期增強材料的表面耐磨、減摩、防腐蝕性能,提高 其強度、韌性抗疲勞性能和使用壽命,一直是國內(nèi)外先進材料制備、表面工程技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注 的焦點。
[0003] 功能梯度材料(Functionally Graded Materials,F(xiàn)GM)是指組分、結(jié)構(gòu)、物性參 數(shù)和物理、化學、生物等單一或復合性能都呈連續(xù)變化,從而使材料性質(zhì)和功能也呈梯度變 化,以適應不同環(huán)境,實現(xiàn)某一特殊功能的新型復合材料。與簡單非晶態(tài)合金相比,不僅承 受溫度和耐沖擊力有所提高,而且硬度提高了 10倍,耐磨性也增強了幾倍。由于FGM具有 一般復合材料無法比擬的優(yōu)點,通過金屬、陶瓷、高分子等物質(zhì)的巧妙結(jié)合,在各種對材料 有特殊要求的領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。FGM被認為是21世紀材料科學的一個重要發(fā)展方 向。根據(jù)應用場合的不同,功能梯度材料可設(shè)計成金屬-金屬、金屬-陶瓷、陶瓷-陶瓷等 多種形式,其中金屬-陶瓷功能梯度材料以其優(yōu)異的特性和新穎的設(shè)計理念而備受世人矚 目,其研究與需求最為廣泛和迫切。
[0004] 制備金屬-陶瓷功能梯度材料的常用方法有:粉末冶金法、自蔓延高溫合成法、等 離子噴涂法、激光熔覆法、電沉積法、氣相沉積法、離心鑄造法、化學鍍法等。這些方法大都 工藝過程復雜,生產(chǎn)條件苛刻,唯有復合電沉積技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢:常溫下進行復合電沉 積,只需要連續(xù)改變影響A組分在復合鍍層中A組分(或B組分)的工藝參數(shù)或操作條件, 如鍍液組分、陰極電流密度、鍍液溫度、pH、添加劑、攪拌強度及固體微粒分散量等,就會使 鍍層中的某組分連續(xù)增加或下降,形成梯度分布較理想的連續(xù)和階梯狀功能梯度材料。此 外,復合電沉積對所鍍材料的物理化學性能影響較小,設(shè)備簡單、效率高、成本較低,適合制 備 Ti02/Ni、Cu/TiB2、WC/Co、Ni/Al203、Cu/A1 203系功能梯度材料。
[0005] 將納米尺度的陶瓷(或金屬)微粒彌散于微(納)米量級的金屬(或陶瓷)基 體中,形成一系列性能各異的納米金屬陶瓷復合層并固結(jié)在零件表面,使各種不同的強化 和增韌機理同時起作用,產(chǎn)生疊加、協(xié)同效應,使零件具有更加突出的耐高溫、耐腐蝕、抗疲 勞、高強度(硬度)和韌性等特性,已成為近幾年來國內(nèi)外關(guān)注的研究熱點。目前常用的性 價比較高的增強性納米顆粒包括納米TiN、納米ZrO 2、納米Al2O3、、納米MoS2、納米SiC、納米 WC、納米TiC等。
[0006] 在制備鎳基納米陶瓷復合層技術(shù)方面,復合電化學沉積技術(shù)在增強性納米顆粒分 布均勻性,減少物料浪費,連續(xù)處理能力等方面更體現(xiàn)出獨特性。利用電化學沉積方法在工 程材料表面電沉積納米復合鍍層可有效減少零部件在工作環(huán)境中的摩擦磨損,增強材料的 耐磨、減摩、防腐蝕性能。目前,采用輔助以超聲波、外加磁場作用的復合電化學沉積技術(shù), 已能夠制備以鎳基為主的多種金屬基納米陶瓷復合層,如:Ni-納米TiN復合層、Ni-納米 SiC復合層、Ni-納米六1203復合層、Ni-納米ZrO 2復合層、Ni-W/納米SiC復合層和Ni-Co/ 納米SiC復合層、Ni-納米WC復合層、Ni-納米TiC復合層、鎳-納米富勒烯-WS2復合層、 Ni-納米11"&02復合層、Ni-ZrO 2/&02復合層等。這些在常溫下制備的鎳基納米陶瓷復 合層,具有組織結(jié)構(gòu)致密、表面平整、納米粒子分布均勻、耐蝕性好、表面硬度較高、耐磨性 強等特點。目前已部分用于摩擦副、壓鑄模具、內(nèi)燃機等零部件保護,高壓閥門及模具涂層, 樂器、鉆頭配件、汽車配件,小型飛機的電子設(shè)備,微電化學系統(tǒng)、醫(yī)療器械、精密工程、航空 航天、采礦、海洋和核領(lǐng)域等生產(chǎn)中。
[0007] 鑒于此,本發(fā)明結(jié)合功能梯度材料的特性和復合層電沉積工藝的特點,采用復合 電沉積工藝方法在45#鋼、40Cr材料表面制備鎳基納米TiN/M 〇S#A能梯度鍍層。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種制備鎳基納米TiN/M〇S#i能梯度鍍層的新工藝,適用于 45#鋼、40Cr材料零件表面強化與修復且具有更高的加工效率和加工質(zhì)量。
[0009] 本發(fā)明的原理是:采用復合電化學沉積方法,在45#鋼、40Cr材料表面制備鎳基納 米TiN/M 〇S2功能梯度鍍層:
[0010] A、電沉積鎳基納米TiN/MoS2功能梯度層材料設(shè)計。借助計算機輔助設(shè)計和迭代 運算,建立準確的計算模型,參考已有的功能梯度材料合成及性能知識庫,得到合理的材料 組合、內(nèi)部組成分布、微觀組織及其熱力學邊界條件等。通過有限元分析對梯度層材料分布 進行優(yōu)化,使所制備的鎳基納米TiN/MoS 2功能梯度層中,納米陶瓷粒子含量達到6~10% (質(zhì)量分數(shù)),從層表面到層底部,納米粒子含量呈梯度變化且沿層向分布均勻;沉積層厚 度達到250~300 μ m。
[0011] B復合電沉積鍍液體系的構(gòu)成。在瓦特型鍍液體系的基礎(chǔ)上,采用化學分析和工藝 實驗相結(jié)合的方法確定復合電沉積鍍液體系的構(gòu)成,利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測鍍層中納 米粒子含量,利用COMSOL軟件建立多物理場(電場、超聲場、磁場)條件下的相關(guān)三維數(shù)學 模型,掌握多場復合作用對電沉積過程的基本作用規(guī)律。
[0012] C、電沉積過程工藝過程控制。通過對鎳陽極結(jié)構(gòu)與布局的優(yōu)化,保證陽極電流導 通截面與陰極加工面的匹配;利用高頻脈沖電流的脈間"喘歇作用"和"脈沖壓力波作用"、 超聲波的空化效應和機械擾動效應、外加強磁場的磁動力學(MHD)作用,改善鍍液傳質(zhì)過 程、促進基質(zhì)金屬鎳晶的形核、生長和納米陶瓷粒子的分散與共沉積,細化金屬材料晶粒, 提高沉積速率、納米粒子復合量及其分布均勻性、減少或消除鍍層宏觀缺陷。最終獲得納米 TiN、MoS2粒子含量不同的均質(zhì)致密、厚度均勻的鎳基納米TiN/M〇S2功能梯度層。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:Ni_納米TiN/M〇S2功能梯度鍍層的復合層電沉積工藝,步 驟如下:
[0014] (I) Ni-納米TiN/M〇S#A能梯度鍍層材料設(shè)計:
[0015] 借助計算機輔助設(shè)計和迭代運算,確定Ni-納米能梯度鍍層的熱力學 邊界條件,建立準確的計算模型。通過有限元分析對功能梯度層材料分布進行優(yōu)化,使所制 備的鎳基納米TiN/M 〇S2功能梯度層中,表層60 μ m厚度范圍內(nèi),均布的納米TiN粒子含量 達到4~8% (質(zhì)量分數(shù))、納米MoS2粒子含量達到2~4% (質(zhì)量分數(shù));與基體相結(jié)合 的底層30μπι厚度范圍內(nèi),均布的納米TiN粒子含量達到1~2% (質(zhì)量分數(shù));中間過渡 層160~210 μ m范圍內(nèi),納米TiN、MoS2粒子含量沿厚度方向呈梯度變化且(沿層向)分 布均勻;沉積層厚度達到250~300 μ m。
[0016] (2)配置鍍液:
[0017] 鍍液A為氨基磺酸鎳、氯化鎳、硼酸為主的水溶液,各組分質(zhì)量百分比如下:
[0018] 氨基磺酸鎳 Ni(NH2SO3)2* 4H20 350~400g/L 氯化鎳 NiCl2 30g/L 硼酸 H3BO4 40g/L 糖精鈉 C7H4NO3S 0.3g/L H 2O (上離 ?!に?lOOOg/L 納米 TiN (平均粒徑 純度>99.99%) 16~20g/L 十二烷基硫酸鈉 CH3(CH2)11OSO3Na 0.5 g/L
[0019] 其中,鍍液的?!1值=4.2,溫度丁 = 42~45°(:。
[0020] 用納米MoS2粒子(平均粒徑50nm,純度> 99. 99%,12~16g/L)替代鍍液A中的 納米TiN粒子,仍按照上述各組分質(zhì)量百分比及配制條件配制鍍液B,然后將配置好的鍍液 A、鍍液B分別放在42~45°C水浴加熱的超聲清洗槽中進行機械攪拌,攪拌速率200rpm、時 間 30min。
[0021] (3)制備電極:
[0022] 電沉積過程中陰極為45#鋼、40Cr材料試件(零件),采用的陽極由純度>99. 99 % 的電解鎳板制成,形狀與陰極電化學沉積面匹配,陽極與陰極面積比多1.5 :1,兩極間距 5〇mm~6〇mm且平行(或同心)放置。
[0023] (4)復合電沉積反應過程:
[0024] 45#鋼、40Cr試片(20mmX30mm)經(jīng)過常規(guī)除油、機械拋光處理后放置于帶有水浴 加熱、超聲波發(fā)生器、強磁場發(fā)生器的鍍槽內(nèi),電沉積電源采用高頻脈沖電源。工藝條件 為:超聲功率為IOOW~400W連續(xù)可調(diào)、頻率為28KHZ,外加平行磁場強度2T,脈沖電源為 矩形波脈沖、峰值電流密度20~60A/dm 2連續(xù)可調(diào)、正向脈寬2~IOms連續(xù)可調(diào)、占空比 20 %~50 %連續(xù)可調(diào);采用鍍液A進行電沉積30~60min后,用微流量栗將鍍液B添加 到鍍液A中,逐步連續(xù)提高陰極峰值電流密度和超聲功率、降低脈沖占空比,電沉積30~ 60min ;在維持較高峰值電流密度(50~60A/dm2)、較大超聲功率(400W)、較小脈沖占空比 (20% )狀態(tài)下電沉積30min。
[0025] 本發(fā)明的有益效果如下:
[0026] (1)采用復合電沉積方法,在45#鋼、40Cr材料表面制備組織致密、表面平整、厚度 均勻的鎳基納米TiN/M 〇S2功能梯度鍍層(厚度250 μ m~300 μ m);鍍層具有相對較低的表 面粗糙度值(RaL 6 μ m~3. 2 μ m)、較高的表面顯微硬度(710HV0. 5)、較強的結(jié)合力(平均 72N)、較好的耐磨性(摩擦系數(shù)彡0. 25 ;載荷10N,轉(zhuǎn)速200rpm,時間20min,失重0.0 OOlg)、 耐蝕性(30°C、3. 5% NaCl腐蝕液中腐蝕速率I. 2X 10 5kg · m 2 · h 3。
[0027] (2)通過合理利用外加物理場(高頻脈沖電流、功率超聲波、強磁場),改善電沉積 過程、加快鎳晶形核及納米粒子的均勻分布,促進鎳晶晶粒細化(達100~300nm)和提高 納米粒子共沉積量(從鍍層初始層到表層,質(zhì)量分數(shù)從1%到10%連續(xù)變化);獲得的鎳基 納米TiN/M 〇S2功能梯度鍍層,一側(cè)(鍍層與基體結(jié)合區(qū))具有金屬Ni的特性,另一側(cè)(鍍 層表面區(qū))具有TiN、M 〇S2特性,兩者之間是成分、結(jié)構(gòu)、性能呈梯度連續(xù)變化的過渡區(qū)。
[0028] (