一种中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层及其制备方法，在低真空条件下可在经活化处理的中碳CrNiMo钢表面利用熔融盐电镀获得钽涂层，可以提高其耐烧蚀磨损和耐腐蚀性能，延长其服役寿命。
【背景技术】
[0002]钽具有优良的耐腐蚀性能，在室温条件下能抵御除氢氟酸以外的一切无机酸(包括王水)的侵蚀，且氢氟酸对其腐蚀也非常缓慢，常被用来制造多种高级的耐酸设备和在腐蚀介质环境下的热交换器、加热器等设备。钽在生物体内极其稳定，在常温及各种生物体液环境中均不溶解和腐蚀，也不发生化学反应，并且生物组织易于在钽植入物表面生长，因此，钽也被称为“亲生物金属”。此外，钽以高熔点著称，它的熔点高达3000° C，广泛应用于高温合金、硬质合金、化工容器等多种民用和军事领域。钽涂层良好的耐腐蚀性能与高熔点特性以及良好的机械性能，可以赋予钢材如PCrNi3Mo、25Cr3Mo3NiNb等良好的高温摩擦学性能，可应用于高温摩擦工况下的器件，如火箭发动机喷管、火炮身管、活塞环等，以提高其表面抗氧化和耐烧蚀的性能。
[0003]目前制备钽涂层的方法主要有:磁控溅射、化学气相沉积、等离子喷涂、离子注入。磁控溅射设备昂贵、工艺复杂且钽薄层由于溅射温度较低，钽膜与基体的结合属于物理结合，结合强度不高；化学气相沉积制备的钽涂层质量不佳，而且当沉积温度较高时，对基体材料的影响较大；等离子喷涂所制的涂层不够致密，或多或少都存在一定的孔隙；离子注入所制的涂层厚度太薄，无法满足耐烧蚀磨损结构的要求。因此有必要提出一种涂层制备工艺简单、涂层厚度、结合强度满足工程应用的方法。
[0004]熔融盐电镀常被用来制备难熔金属，但是由于熔融盐电镀在高温下进行，在高温条件下钢的表面容易氧化，使得界面处特别容易形成较为疏松的氧化层，难以获得具有较好界面的钽涂层。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种经活化处理的中碳CrNiMo钢表面熔融盐电镀钽方法，获得的钽涂层结合良好、厚度均匀的，使钢的耐烧蚀磨损和耐腐蚀性能得到提高。
[0006]具体的技术方案如下:
一种中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，包括如下步骤:以经过活化处理的钢试样为阴极，99.9%以上的高纯钽片为阳极，将钽源熔融于混合盐中，反应条件为低真空
0.02-0.09MPa，700~950° C，恒流电源的稳流模式下，在70~100mA/cm2下电镀3~5h，即获得钽涂层，其中活化处理5min，采用的活化液组分为:10mL/LH2S0jP l_2g/LCe(N0 3)3的混合液。
[0007]在本发明的优选方案中，钽源为K2TaF7。
[0008]在本发明的优选方案中，混合盐的组成及摩尔百分含量为46%~47%KF、10%~ll%NaF和 42%~44%LiF。
[0009]在本发明的更优选方案中，混合盐的组成及摩尔百分含量为:46.5%KF、11.5%NaF和 42%LiFo
[0010]在本发明的优选方案中，钽源在混合盐中的重量百分含量为10%~15%。
[0011]在本发明的更优选方案中，钽源在混合盐中的重量百分含量为11.5%。
[0012]在本发明的优选方案中，反应条件为:0.05MPa，850° C，恒流电源的稳流模式下，在80mA/cm2下电锻4h。
[0013]在本发明的优选方案中，钽涂层的厚度为10~25ym。
[0014]本发明的原理:在中碳CrNiMo钢表面电化学沉积钽涂层涉及2个过程，即作为钽源的还原成Ta、产生的Ta原子在待镀件表面沉积的过程。Ta在氟化物低熔点共晶熔盐中的电化学还原过程包括以下二个步骤:
第一步[TaF7]+ 3e = TaF2(S) +5F、(I)
第二个反应是 TaF2(S) +2e = Ta+2F_，(2)
第一步是扩散控制的可逆反应，第二个步为非扩散控制的不可逆反应。在本发明中，可溶性钽阳极在电沉积过程中遭受了较为严重的腐蚀，钽阳极释放出的Ta原子使得电镀液中Ta原子的质量分数维持在一个较为稳定的水平。这也使得电镀的过程中，能够获得较为均匀的镀层。
[0015]本发明的有益效果:
(I)本发明采用熔融盐电沉积的方法，不需要大型设备和贵重材料，成本低廉，操作简单。
[0016](2)反应过程中不需要有害气体，也不产生有害物质，所以本方法对环境友好。
[0017](3)稀土活化液的活化使得钽涂层与基体结合更良好。
[0018](4)钽涂层沉积的过程也是扩散的过程，涂层结合性能良好。
[0019](5)钽涂层在瞬时脉冲高温以及机械磨损作用下能较好的保护钢基体。
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例1钽涂层的熔融盐电镀方法制备得到的钽涂层的SEM图(其中I为钽，2为中碳CrNiMo钢基板)；
图2为本发明实施例1钽涂层的熔融盐电镀方法制备的钽涂层的线扫描EDS成分分析。
【具体实施方式】
[0021]以下通过实施例和附图对本发明做进一步阐述。
[0022]实施例1
本实施例钽涂层的熔融盐电镀方法如下:
采用线切割将中碳PCrNi3Mo钢板材线切割成片状试样，规格为Φ 30 X 4mm，并经研磨、清洗及干燥处理。将Fe-Cr-Al丝点焊至试样的一端作为电极引线，电沉积采用二电极体系，即以中碳PCrNi3Mo钢试样为阴极，可溶性钽电极为阳极，K2TaF7作为钽源，以三元共晶(混合盐)40.25mol%NaCl-50.5mol%KCl_9.25mol%NaF 为钽源 K2TaF7的溶剂，K 2了&?7在溶剂中的含量为11.5wt%。将上述配好的混合盐及钽源放入氧化铝坩祸中，先抽真空至0.05MPa，然后升温到850。Co中碳PCrNi3Mo钢经活化液10mL/L的H2SO4,1.5g/L Ce (NO3) 3活化5min，采用恒流电源进行电沉积，电流密度为80mA/cm2沉积4h，即在中碳PCrNi3Mo钢上沉积一层厚度约为16 μ m的钽镀层。
[0023]所述钽涂层的截面SEM图及钽涂层的线扫描EDS成分分析参见图1和图2。
[0024]由图1、图2可知，本发明钽涂层的熔融盐电镀方法在中碳PCrNi3Mo钢上获得的钽涂层与基体结合良好、厚度较为均匀。
[0025]实施例2
采用线切割将中碳PCrNi3Mo钢板材线切割成片状试样，规格为Φ 30 X 4mm，并经研磨、清洗及干燥处理。将Fe-Cr-Al丝点焊至试样的一端作为电极引线，电沉积采用二电极体系，即以以中碳PCrNi3Mo钢试样为阴极，可溶性钽电极为阳极，K2TaF7作为钽源，以三元共晶(混合盐)40.25mol%NaCl-50.5mol%KCl-9.25mol%NaF 为钽源 K2TaF7的溶剂,K2TaF7在溶剂中的含量为10wt%。将上述配好的混合盐及钽源放入氧化铝坩祸中，先抽真空至0.09MPa，然后升温到700° Co中碳PCrNi3Mo钢经活化液10mL/L的H2SO4, lg/L Ce (NO3) 3活化5min，采用恒流电源进行电沉积，电流密度为70mA/cm2沉积3h，即在中碳PCrNi3Mo钢上沉积一层厚度约为10 μ m的钽镀层。
[0026]所述钽镀层的截面扫描图和EDS线扫描与实施例1类似。
[0027]实施例3
采用线切割将中碳32Cr2MolVA钢板材线切割成片状试样，规格为Φ 30 X 4mm，并经研磨、清洗及干燥处理。将Fe-Cr-Al丝点焊至试样的一端作为电极引线，电沉积采用二电极体系，即以中碳32Cr2MolVA钢试样为阴极，可溶性钽电极为阳极，K2TaF7作为钽源，以三元共晶(混合盐)40.25mol%NaCl-50.5mol%KCl-9.25mol%NaF 为钽源 K2TaFjA溶剂，K 2TaF7在溶剂中的含量为15wt%。将上述配好的混合盐及钽源放入氧化铝坩祸中，先抽真空至
0.02MPa，然后升温到 950° C。中碳 32Cr2MolVA钢经活化液 10mL/L 的 H2SO4, 2g/L Ce (NO3) 3活化5min，采用恒流电源进行电沉积，电流密度为100mA/cm2沉积5h，即在中碳32Cr2MolVA钢上沉积一层厚度约为25 μ m的钽镀层。
[0028]所述钽镀层的截面扫描图和EDS线扫描与实施例1类似。
[0029]实施例4
采用线切割将中碳25Cr3Mo3NiNb钢板材线切割成片状试样，规格为Φ 30 X 4mm，并经研磨、清洗及干燥处理。将Fe-Cr-Al丝点焊至试样的一端作为电极引线，电沉积采用二电极体系，即以中碳25Cr3Mo3NiNb钢试样为阴极，可溶性钽电极为阳极，K2TaF7作为钽源，以三元共晶(混合盐)40.25mol%NaCl-50.5mol%KCl-9.25mol%NaF 为钽源 K2TaF7的溶剂，K 2TaF7在溶剂中的含量为12.5wt%。将上述配好的混合盐及钽源放入氧化铝坩祸中，先抽真空至
0.07MPa，然后升温到 900 ° C。中碳 25Cr3Mo3NiNb 钢经活化液 10mL/L 的 H2SO4,1.7g/LCe (NO3) 3活化5min，采用恒流电源进行电沉积，电流密度为90mA/cm 2沉积4.5h，即在中碳25Cr3Mo3NiNb钢上沉积一层厚度约为18 μπι的钽镀层。
[0030]所述钽镀层的截面扫描图和EDS线扫描与实施例1类似。
【主权项】
1.一种中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:以经过活化处理的钢试样为阴极，99.9%以上的高纯钽片为阳极，将钽源熔融于混合盐中，反应条件为低真空0.02-0.09MPa，700~950° C，恒流电源的稳流模式下，在70~100mA/cm2下电镀3~5h，即获得钽涂层，其中活化处理5min，采用的活化液组分为:10mL/LH2S0dP l_2g/LCe (NO3) 3的混合液。
2.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，钽源为 K2TaF7。
3.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，混合盐的组成及摩尔百分含量为46%~47%KF、10%~ll%NaF和42%~44%LiF。
4.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，混合盐的组成及摩尔百分含量为46.5%KF、11.5%NaF和42%LiF。
5.如据权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，钽源在混合盐中的重量百分含量为10%~15%。
6.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，钽源在混合盐中的重量百分含量为11.5%。
7.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，反应条件为:0.05MPa，850° C，恒流电源的稳流模式下，在80mA/cm2下电镀4h。
8.如权利要求1所述的中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层的制备方法，其特征在于，获得的钽涂层的厚度为10~25 μπι。
【专利摘要】本发明公开了一种中碳CrNiMo钢表面熔盐镀钽涂层及其制备方法。以含有稀土的活化液对钢镀面进行活化处理，作为阴极，以99.97%的高纯钽片为阳极，将钽源熔融于混合盐中。反应条件为：低真空条件0.02~0.1MPa，700~950°C，恒流电源的稳流模式下，在70~100mA/cm2下电镀3~5h，即可在经过活化处理的钢上获得一层金属钽涂层。本发明采用的稀土活化熔融盐电沉积镀钽方法可在低真空和大气环境下进行，对设备要求较低，成本低廉，操作简单，且反应过程中不需要有害气体，也不产生有害物质，对环境友好，用本方法制备得到的钽镀层较为致密，涂层与基体结合良好，厚度均匀。
【IPC分类】C25D3-66
【公开号】CN104790001
【申请号】CN201510173706
【发明人】熊党生, 王升, 李建亮, 秦永坤
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月13日