一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法

专利名称：一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法
技术领域：
本发明公开了一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法。
背景技术：
随着高科技的发展，宇航、机械、电子、航空和能源等工业部门对材料的耐 磨性、耐蚀性和高温性能等提出了越来越高的要求，在高温(>400°C)、高真空 (10—6 Pa)、高转速、重载荷条件下工作的零部件一般不能采用润滑油和润滑脂 进行润滑，而必须采用新型的固体润滑材料以防止部件的磨损与系统的污染。
在现有技术中，耐高温减摩、耐磨镀层一般采用镍磷/氟化钙化学镀制备， 产品使用时的工作环境温度适用于60(TC左右或以下，存在使用寿命较短、使用 温度较低等不足。美国NASA格林研究中心于1995 1997年在PS300的基础上 研制成功耐高温(室温 650'C)自润滑PS304涂层。PS304涂层主要是通过等 离子喷涂技术制备。PS304涂层的最高强度仅为30 MPa，涂层的强度低是导致 涂层使用寿命短、涂层发生剥落而失效的最主要的因素。
MoS2是一种低摩擦系数、高承载能力的固体润滑剂，但纯MoS2的耐磨寿 命和抗湿性很低而且与基体合金的结合力并不好。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种使用寿命长，高强 度的高温减摩、耐磨性能优良的复合镀层制备方法。
该方法为，在金属基体表面先镀一层Ni-TiN过渡层，再在Ni-TiN过渡层上 制备Ti-MoS2润滑镀层。
MoS2是一种低摩擦系数、高承载能力的固体润滑剂，但纯MoS2的耐磨寿 命和抗湿性很低。本发明将Ti和MoS2共沉积可以制备出Ti-MoS2基润滑镀层， 以提高该固体润滑的耐磨寿命。MoS2与基体合金的结合力并不好，因此，在基 体与MoS2之间增加一层Ni-TiN过渡层，同时在MoS2镀层中均匀分布Ti。根 据鲍林标度，Mo、 Ti的电负性分别为1. 30， 1. 54， Ti原子吸引S原子外层电子 的能力与Mo原子接近，从而使S原子的电子云不会明显偏向Mo或Ti原子， 从而避免了MoS2的六方结构中出现Mo原子的悬空键，因而减缓了Mo氧化速 度。
本发明的制备方法包括如下步骤
(1) 金属基体表面进行预处理，包括机械处理金属基体表面的氧化层、有
机溶剂除油、无机化学试剂除油和稀硫酸活化过程；
(2) 使用高速电喷镀技术在金属基体上制备Ni-TiN过渡层，冲洗并干燥； 高速电喷镀的工艺参数为高速电喷镀的电流密度为60 75A/dm2，高速电
喷镀电压6 8V，喷射速度150 400 L/h，喷嘴扫描速度10 25mm/s;喷嘴高 度2 4mm，在镀液工作温度4(TC 50'C的条件下高速电喷镀10 20min;
镀液以快速镍为基础镀液，并含有浓度为2 10g/L的微纳米级或微纳米级 TiN颗粒和适量的高分子分散剂；
(3) 使用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS2润滑镀层； 高速电喷镀的工艺参数为高速电喷镀的电流密度为60 75A/dm2，高速电
喷镀电压6 8V，喷射速度150 400 L/h，喷嘴扫描速度10 25mm/s;喷嘴高 度2 4mm，在镀液工作温度4(TC 50'C的条件下高速电喷镀10 20min;
镀液的组分包括8 12g/L纳米级或微纳米级Ti微粉，10 15g/L纳米级 或微纳米级MoS2颗粒，0.1 0.8g/L作为离子活化剂的无机盐，悬浮剂为水、甲 醇或水与甲醇任意比例的混合物，作为离子活化剂的无机盐选自A1C13、 A1(N03)3 或Mg(N03)2作为离子活化剂；镀液pH值为6.0 7.5;
(4) 使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴高度8 12mm，电 流8 30A，扫描速度0.75-2.20 mm/s，离子气流量1.4~1.8 L/min。使用的喷嘴直 径为0.5 lmm。
步骤(2)中，所述的镀液制备方法为将纳米级或微纳米级TiN颗粒分散 到水中，加入高分子分散剂制得悬浮液，再与基础镀液混合得到镀液；或者先将
高分子分散剂与水混合，再加入纳米级或微纳米级TiN颗粒制得悬浮液，再与基 础镀液混合得到镀液。
所得到镀液组分包括镍离子55 62g/L，柠檬酸三铵40 60g/L，氨水140 160ml/L，纳米级或微纳米级TiN颗粒2 10g/L和适量的高分子分散剂；且镀液 pH值为6.0 7.5。
高分子分散剂选自十二垸基硫酸钠、聚氧乙烯月桂醚、聚乙烯醇、聚乙烯醇 縮丁醛或聚乙二醇。
步骤(3)中所述的镀液制备方法为将纳米级或微纳米级Ti微粉和纳米级
或微纳米级MoS2颗粒分散在水、甲醇或水与甲醇任意比例的混合物中，再加入 离子活化剂，室温下超声振荡20 150分钟，再静置20 150分钟。
高速电喷镀时，先打开镀液开关，使得镀液在机器内循环，起到机械搅拌的 作用，随后打开电源，进行高速电喷镀。
得到的Ti-N过渡层和Ti-MoS2润滑镀层厚度分别为0.0025—0.0035mm和0.2 一0.3mm。
用本方法制备得到的高温减摩、耐磨复合镀层，其性能明显优于现有的高温 自润滑涂层。在65(TC下与不同配对材料进行摩擦磨损试验时，复合镀层摩擦系 数f<0.025，磨损率变化范围约为(4 5)xl(T15 mVN.m;镀层与基体结合力为70 MPa;该制备方法具有操作方法简单，制备成本较低，能够实现工业化生产等优 点。
具体实施例方式
实施例1
步骤l:以高温合金K17为金属基体，对表面进行预处理
(1) 机械处理高温合金K17表面的氧化层；
(2) 有机溶剂除油，可以用丙酮溶液清洗，清除表面污垢，然后冲洗；
(3) 化学除油，可以用含20 30g/LNaCO3(碳酸钠)、30 40g/LNa3PO4(磷
酸钠)、50g 60g/LNaOH(氢氧化钠)、5g 10g/LNa2Si03(硅酸钠)的溶液，在60 80 'C溶液温度下洗涤5 15分钟，用于除去钢铁表面一层均匀的防锈薄油层或 一般中轻程度的油污，而对较厚的油层或糊状油污则必须先经表面刮擦初步除 油，然后再用上述溶液洗涤彻底除油。以除油水洗后工件表面水膜呈连续均匀的 水膜为除油干净的标准。
(4)稀硫酸活化将试样放入20 3(TC的20n/Q的稀硫酸水溶液中浸泡30min。
步骤2:用高速电喷镀方法制备Ni-TiN过渡层
镀液体系的配制方法为将微纳米级TiN颗粒加入水中形成水悬浮液，再 加入聚氧乙烯月桂醚混合；最后与快速镍基础镀液混合搅拌10 20min。
所得到的镀液体系组成为硫酸镍(NiSCV6H20)263 g/L，柠檬酸三铵(NH4) 3C6H507 51 g/L，氨水150ml/L，微纳米级TiN颗粒2g/L，聚氧乙烯月桂醚0.2g/L， 余量为水，pH值为7.0。
高速电喷镀电压8V，电流密度60A/dm2，在镀液工作温度为40'C的条件下 电喷镀10分钟，喷射速度150L/h，喷嘴扫描速度10 mm/s，喷嘴与样品间距离 2mm。
电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。
步骤3:用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS2润滑镀层
将8g微纳米级Ti微粉和12g纳米级MoS2颗粒分散在1000ml浓度为10%
(wt.%)的甲醇水溶液中，加入0.1gAlCl3，室温下超声振荡20分钟，再静置
50分钟。镀液pH值为7.0。
高速电喷镀时，先打开镀液开关，使得镀液在机器内循环10 30分钟，起 到机械搅拌的作用，随后打开电源，进行高速电喷镀。
高速电喷镀电压6V，电流密度65A/dm2，在镀液工作温度为45"C的条件下 电喷镀15分钟，喷射速度200L/h，喷嘴扫描速度12 mm/s，喷嘴与样品间距离 4mm。
步骤4:使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴直径0.8mm，喷 嘴高度10mm，电流8A，扫描速度0.75 mm/s，离子气流量1.4L/min。实施例2
步骤l: 对高温合金K17表面进行预处理，操作同实施例l。
步骤2: 用高速电喷镀方法制备Ni- TiN过渡层
镀液体系的配制方法为将纳米级TiN颗粒加入水中形成水悬浮液，再加
入聚氧乙烯月桂醚混合；最后与快速镍基础镀液混合搅拌10 20min。
所得到的镀液体系组成为硫酸镍(NiS04'6H20) 250g/L，柠檬酸三铵
(NH4)3C6H5O7 60g/L，氨水140ml/L，纳米级TiN颗粒6g/L，聚氧乙烯月桂醚
0.4g/L，余量为水，pH值为7.0。
高速电喷镀电压6V，高速电喷镀的电流密度为75A/dm2，在镀液工作温度
为5(TC的条件下电喷镀20分钟，喷射速度200L/h，喷嘴扫描速度25mm/s;喷
嘴与样品间距离为4mm。
电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。
歩骤3:用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS2润滑镀层
将12g微纳米级Ti微粉和10g微纳米级MoS2颗粒分散在1000ml甲醇中， 加入0.8g Mg(N03)2，室温下超声振荡150分钟，再静置100分钟。镀液pH值 为6.0。
高速电喷镀时，先打开镀液开关，使得镀液在机器内循环10 30分钟，起 到机械搅拌的作用，随后打开电源，进行高速电喷镀。
高速电喷镀电压8V，电流密度70A/dm2，在镀液工作温度为45。C的条件下 电喷镀15分钟，喷射速度180L/h，喷嘴扫描速度12 mm/s，喷嘴与样品间距离 2mm。
步骤4:使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴直径0.8mm，喷 嘴高度8mm，电流30A，扫描速度1 mm/s，离子气流量1.8L/min。
实施例3
步骤l: 对高温合金K17表面进行预处理，操作同实施例l。 步骤2: 用高速电喷镀方法制备Ni- TiN过渡层
镀液体系的配制方法为将聚氧乙烯月桂醚与水混合，再加入纳米级TiN颗
粒分散混合；最后与基础镀液混合搅拌10 20min。
所得到的镀液体系组成为硫酸镍(NiS(V6H2O)250g/L，柠檬酸三铵(NH4) 3C6H507 60 g/L，氨水140ml/L，纳米级TiN颗粒10g/L，聚氧乙烯月桂醚lg/L， 余量为水，pH值为7.5。
高速电喷镀电压6V，高速电喷镀的电流密度为75A/dm2，在镀液工作温度 为5(TC的条件下电喷镀20分钟，喷射速度400L/h，喷嘴扫描速度25mm/s;喷 嘴与样品间距离为4mm。
电喷镀后经蒸馏水冲洗，并自然干燥。
步骤3:用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS2润滑镀层
将10g微纳米级Ti微粉和15g纳米级MoS2颗粒分散在1000ml水中，加入
0.6gAl(NO3;)3，室温下超声振荡20分钟，再静置50分钟。镀液pH值为7.5。 高速电喷镀时，先打开镀液开关，使得镀液在机器内循环10 30分钟，起
到机械搅拌的作用，随后打开电源，进行高速电喷镀。
高速电喷镀电压8V，电流密度70A/dm2，在镀液工作温度为45'C的条件下
电喷镀15分钟，喷射速度180L/h，喷嘴扫描速度12 mm/s，喷嘴与样品间距离
2mm。
歩骤4:使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴直径0.8mm，喷嘴 高度12mm，电流20A，扫描速度2mm/s，离子气流量1.6L/min。
实施例l、 2、 3所获得的高温减摩耐磨复合镀层获得以下性能
(1) 在65(TC下与不同配对材料进行摩擦磨损试验时，复合镀层摩擦系数 f<0.025，磨损率变化范围约为(4 5)x10—15 m3/N.m;
(2) 镀层与基体结合力为70 MPa。
权利要求
1、一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤(1)金属基体表面进行预处理，包括机械处理金属基体表面的氧化层、有机溶剂除油、无机化学试剂除油和稀硫酸活化过程；(2)使用高速电喷镀技术在金属基体上制备Ni-TiN过渡层，冲洗并干燥；高速电喷镀的工艺参数为高速电喷镀的电流密度为60～75A/dm2，高速电喷镀电压6～8V，喷射速度150～400L/h，喷嘴扫描速度10～25mm/s；喷嘴高度2～4mm，在镀液工作温度40℃～50℃的条件下高速电喷镀10～20min；镀液以快速镍为基础镀液，并含有浓度为2～10g/L的微纳米级TiN颗粒和适量高分子分散剂；(3)使用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS2润滑镀层；高速电喷镀的工艺参数为高速电喷镀的电流密度为60～75A/dm2，高速电喷镀电压6～8V，喷射速度150～400L/h，喷嘴扫描速度10～25mm/s；喷嘴高度2～4mm，在镀液工作温度40℃～50℃的条件下高速电喷镀10～20min；镀液的组分包括8～12g/L纳米级或微纳米级Ti微粉，10～15g/L纳米级或微纳米级MoS2颗粒，0.1～0.8g/L作为离子活化剂的无机盐，悬浮剂为水、甲醇或水与甲醇任意比例的混合物，作为离子活化剂的无机盐选自AlCl3、Al(NO3)3或Mg(NO3)2作为离子活化剂；镀液pH值为6.0～7.5；(4)使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理，喷嘴高度8～12mm，电流8～30A，扫描速度0.75～2.20mm/s，离子气流量1.4～1.8L/min。
2、 权利要求1所述一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤 (2)所述的镀液的制备方法为将纳米级或微纳米级TiN颗粒分散到水中，加入高分子分散剂制得悬浮液，再与快速镍基础镀液混合得到镀液；或者先将高分 子分散剂与水混合，再加入纳米级或微纳米级TiN颗粒制得悬浮液，再与快速镍 基础镀液混合得到镀液。
3、 权利要求1所述一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，歩骤 (2)所述的镀液中包括镍离子55 62g/L，柠檬酸三铵40 60g/L，氨水140 160ml/L，纳米级或微纳米级TiN颗粒2 10g/L和适量的高分子分散剂；且镀液 pH值为6.0 7.5。
4、 权利要求1所述一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤(2) 所述高分子分散剂选自十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯月桂醚、聚乙烯醇、聚 乙烯醇縮丁醛或聚乙二醇。
5、 权利要求1所述一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，步骤(3) 所述的镀液制备方法为将纳米级或微纳米级Ti微粉和纳米级或微纳米级 MoS2颗粒分散在水、甲醇或水与甲醇任意比例的混合物中，再加入离子活化剂， 室温下超声振荡20 150分钟，再静置20 150分钟。
全文摘要
本发明公开了一种高温减摩耐磨复合镀层的制备方法，在金属基体表面先镀一层Ni-TiN过渡层，再在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS₂润滑镀层。包括如下步骤(1)金属基体表面进行预处理；(2)使用高速电喷镀技术在金属基体上制备Ni-TiN过渡层，冲洗并干燥；(3)使用高速电喷镀技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-MoS₂润滑镀层；(4)使用等离子弧对复合镀层进行扫描强化处理。本方法制备得到的高温减摩耐磨复合镀层，其性能明显优于现有的高温自润滑涂层，操作方法简单，制备成本较低，能够实现工业化生产。
文档编号C25D15/00GK101358365SQ200810042320
公开日2009年2月4日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者李培耀, 李曼萍, 伟 王, 钱士强, 晨 黄 申请人:上海工程技术大学