一種耐高溫Ni?B?Ce化學復合沉積層及其超聲波輔助制備方法與流程

本發明屬于無機材料技術領域，尤其涉及一種耐高溫Ni-B-Ce化學復合沉積層及其超聲波輔助制備方法。

背景技術：

化學鍍是指在鍍液中加入適當的還原劑使金屬離子在表面自發還原的一種新型表面處理技術。由于無需外加電源，成本較低，并且能夠使得鍍層均勻，具有較好的裝飾效果，在許多領域已經開始取代電鍍技術，在電子、閥門制造、機械和汽車等工業中能得到廣泛地應用。

1944年，美國國家標準局的A.Brenner和G.Riddell的發現，弄清楚了形成涂層的催化特性，發現了沉積非粉末狀鎳的方法，使化學鍍鎳技術工業應用有了可能性，但那時的化學鍍鎳溶液極不穩定，因此嚴格意義上講沒有實際價值。經過多年的不斷探索與研究，近幾年已發展極成熟了。化學鍍鎳幾乎適用于所有金屬表面鍍鎳。如：鋼鐵鍍鎳，不銹鋼鍍鎳，鋁鍍鎳，銅鍍鎳等等，它同樣適用于非金屬表面鍍鎳。比如：陶瓷鍍鎳，玻璃鍍鎳，金剛石鍍鎳，碳片鍍鎳，塑料鍍鎳，樹脂鍍鎳等等。用化學鍍鎳沉積的鍍層，有一些不同于電沉積層的特性。硬度高、耐磨性良好。電鍍鎳層的硬度僅為l60～180HV，而化學鍍鎳層的硬度一般為400～700HV，經適當熱處理后還可進一步提高到接近甚至超過鉻鍍層的硬度，故耐磨性良好，更難得的是化學鍍鎳層兼備了良好的耐蝕與耐磨性能。化學穩定性高、鍍層結合力好。在大氣中以及在其他介質中，化學鍍鎳層的化學穩定性高于電鍍鎳層的化學穩定性。與通常的鋼鐵、銅等基體的結合良好，結合力不低于電鍍鎳層和基體的結合力。熱處理是影響涂層的硬度、形貌和結構的重要因素，是減少涂層材料的內部缺陷，如空隙、位錯等的一種常用方法。耐高溫涂層在工業運用如航空航天、核電工業、汽車工業中有很大的潛力。

稀土有"工業維生素"的美稱。由于其具有優良的光電磁等物理特性，能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，其最顯著的功能就是大幅度提高其他產品的質量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飛機、導彈的鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦合金的戰術性能。而且，稀土同樣是電子、激光、核工業、超導等諸多高科技的潤滑劑。

然而目前還沒有關于超聲熱處理制備Ni-B-Ce多功能復合沉積層液的相關研究。即使少數有涉及到Ni-B合金的研究，但其并沒有涉及到超聲熱處理及摻雜稀土元素。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述技術問題，本發明的目的在于提供一種耐高溫Ni-B-Ce化學復合沉積層及其超聲波輔助制備方法。本發明的這種Ni-B-Ce化學復合沉積層方法解決了現有技術中的低碳鋼表面耐腐蝕、耐摩擦性能和硬度不高的技術問題。

本發明技術方案具體介紹如下。

本發明提供一種耐高溫Ni-B-Ce化學復合沉積層的超聲波輔助制備方法，具體步驟如下：首先對低碳鋼工件的表面進行預處理，接著將預處理后的低碳鋼工件放入Ni-B-Ce復合沉積液中，在80-90℃的溫度下超聲，然后取出低碳鋼工件進行干燥，最后在箱式電阻爐中，對低碳鋼工件進行熱處理，熱處理溫度為200-600℃，即在低碳鋼表面制得耐高溫Ni-B-Ce化學復合沉積層；其中：所述Ni-B-Ce復合沉積液中，每升沉積液中包括如下組分：鈰0.01～5g，六水合氯化鎳15～55g，硼氫化鈉0.1～4g，氫氧化鈉20～65g，乙二胺10～65g，十二烷基硫酸鈉0.1-0.4g。優選的，所述Ni-B-Ce復合沉積液中，每升沉積液包括如下組分：鈰0.01～5g，六水合氯化鎳15～55g，硼氫化鈉0.1～4g，氫氧化鈉20～65g，乙二胺10～65g，十二烷基硫酸鈉0.1-0.4g。

本發明中，用氨水調節Ni-B-Ce復合沉積液pH值在13-14之間。

本發明中，預處理步驟包括依次的砂紙除污、丙酮脫脂、鹽酸酸洗以及鹽酸活化四個步驟。

本發明中，超聲強度在100-700W之間，超聲頻率在20-60KHZ之間。

本發明中，熱處理溫度為400-600℃。

本發明還提供一種上述制備方法得到的耐高溫Ni-B-Ce化學復合沉積層。

本發明中，耐高溫Ni-B-Ce的復合沉積層結構呈菜花狀結構。

本發明中，通過超聲波輔助及化學鍍方法將化學復合沉積液應用于碳鋼的表面，在碳鋼工件表面形成含有稀土(Ce)的鎳硼多功能復合沉積層，最后在管式爐中退火熱處理，超聲波在液體媒質中傳播時產生的空化效應和機械剪切效應，在納米復合電沉積工藝中可以有效地分散納米顆粒，細化晶粒，從而保證納米復合鍍層具有良好的組織性能，改善鍍層晶向，增加鍍層光亮度，提高硬度和耐蝕性等。

和現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明采用的一種Ni-B-Ce化學復合沉積液，在原有的Ni-B沉積液中加入了稀土元素Ce，因此應用該化學復合沉積液在碳鋼工件表面施鍍時，最終經過熱處理所形成的Ni-B-Ce復合沉積層的耐磨性增強。即通過稀土Ce的性能，顯著改善了外界對碳鋼表面層的耐磨性。本發明的耐高溫Ni-B-Ce的復合沉積層有較強的耐腐蝕性能，其表現出的耐蝕性比單純的熱處理Ni-B合金層要好，并且對基體材料的物理性能無任何影響；此外，在制備過程中引入超聲波，進一步細化了涂層表面晶粒。因此，最終所形成的耐高溫Ni-B-Ce復合沉積層具有優異的耐腐蝕性能，耐摩擦性及高硬度。

附圖說明

圖1是實施例2所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件A的鍍層表面的掃描電鏡圖。

圖2是實施例4所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件B的鍍層表面的掃描電鏡圖。

圖3是實施例6所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件C的鍍層表面的掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明的技術方案做進一步的描述,但本發明并不限于下述實施例。

本發明各實施例中所用的各種原料，如無特殊說明，均為市售。

實施例1

一種Ni-B-Ce復合沉積液，按每升溶液計算，其組成及含量如下：

鈰 0.1g

六水合氯化鎳 20g

硼氫化鈉 0.5g

氫氧化鈉 30g

乙二胺 30g

十二烷基硫酸鈉 0.2g

余量為水。

將鈰、六水合氯化鎳、硼氫化鈉、氫氧化鈉、乙二胺、十二烷基硫酸鈉依次加入到蒸餾水中溶解，最后調節pH值到14，即得到Ni-B-Ce復合沉積液。

實施例2

將實施例1所得的多功能化學復合沉積液應用于低碳鋼表面以形成Ni-B-Ce多功能化學復合沉積層，具體包括如下步驟：

(1)、碳鋼工件的表面的預處理將低碳鋼工件的表面依次經01#、02#和03#砂紙磨光除污，然后用丙酮在超聲波清洗器脫脂60s，用去離子水沖洗1min；然后再用質量百分比濃度為20％的鹽酸酸洗30s，用去離子水沖洗1min；最后用質量百分比濃度為5％的鹽酸活化15s，用去離子水沖洗1min；

(2)、將步驟(1)經預處理后的碳鋼工件放入Ni-B-Ce化學復合沉積液中，溶液溫度控制在85℃，轉速為200r/min，超聲強度在200W，超聲頻率在20KHZ，1h后取出，用去離子水進行洗凈后，控制溫度在25℃進行干燥。

(3)、將(2)得到的低碳鋼片在管式爐進行熱處理，溫度設定為300℃，升溫速度為5度每分鐘，保溫時間2小時，最后得到熱處理后表面鍍有Ni-B-Ce化學復合鍍層的樣品A。其硬度值為649.3HV,阻抗值達到了5100，腐蝕電流密度達到了4.090×10-5。

圖1是實施例2所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件A的鍍層表面的掃描電鏡圖，呈菜花狀結構。

實施例3

一種Ni-B-Ce復合沉積液，按每升沉積液計算，其組成及含量如下：

鈰 1g，

六水合氯化鎳 30g

硼氫化鈉 1g

氫氧化鈉 30g

乙二胺 30g

十二烷基硫酸鈉 0.2g

余量為蒸餾水。

將鈰、六水合氯化鎳、硼氫化鈉、氫氧化鈉、乙二胺、十二烷基硫酸鈉依次加入到蒸餾水中溶解,最后用氨水調節pH值到14，即得到Ni-B-Ce復合沉積液。

實施例4

將實施例3所得的復合沉積液應用于碳鋼表面以形成Ni-B-Ce多功能納米復合沉積層，具體包括如下步驟：

(1)、碳鋼工件的表面的預處理將碳鋼工件的表面依次經01#、02#和03#砂紙磨光除污，然后用丙酮在超聲波清洗器脫脂60s，用去離子水沖洗1min；然后再用質量百分比濃度為20％的鹽酸酸洗30s，用去離子水沖洗1min；最后用質量百分比濃度為5％的鹽酸活化15s，用去離子水沖洗1min；

(2)、將步驟(1)經預處理后的碳鋼工件放入Ni-B-Ce化學沉積液中，溶液溫度控制在85℃，轉速為200r/min，超聲強度在150W，超聲頻率在25KHZ，1h后取出，用去離子水進行洗凈后，控制溫度在25℃進行干燥。

(3)、將(2)得到的低碳鋼片在管式爐進行熱處理，溫度設定為400℃，升溫速度為5度每分鐘，保溫時間2小時，最后得到熱處理后即得到熱處理后表面鍍有Ni-B-Ce化學復合沉積層的樣品B。其硬度值達到了770.9HV，阻抗值達到了5300，腐蝕電流密度達到了5.646×10^-6。

圖2是實施例4所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件B的鍍層表面的掃描電鏡圖，呈菜花狀結構。

實施例5

一種Ni-B-Ce復合沉積液，按每升溶液計算，其組成及含量如下：

鈰 1g

六水合氯化鎳 30g

硼氫化鈉 1g

氫氧化鈉 30g

乙二胺 45g

十二烷基硫酸鈉 0.2g

余量為蒸餾水。

將鈰、六水合氯化鎳、硼氫化鈉、氫氧化鈉、乙二胺和十二烷基硫酸鈉依次加入到蒸餾水中溶解,并用氨水調節pH值到14，即得到Ni-B-Ce復合沉積液。

實施例6

將實施例5所得的復合沉積液應用于碳鋼表面以形成熱處理Ni-B-Ce多功能化學復合沉積層，具體包括如下步驟：

(1)、碳鋼工件的表面的預處理將碳鋼工件的表面依次經01#、02#和03#砂紙磨光除污，然后用丙酮在超聲波清洗器脫脂60s，用去離子水沖洗1min；然后再用質量百分比濃度為20％的鹽酸酸洗30s，用去離子水沖洗1min；最后用質量百分比濃度為5％的鹽酸活化15s，用去離子水沖洗1min；

(2)、將步驟(1)經預處理后的碳鋼工件放入Ni-B-Ce沉積液中，鍍液溫度控制在85℃，轉速為200r/min，超聲強度在200W，超聲頻率在20KHZ，1h后取出，用去離子水進行洗凈后，控制溫度在25℃進行干燥。

(3)、將(2)得到的低碳鋼片在管式爐進行熱處理，溫度設定為500℃，升溫速度為5度每分鐘，保溫時間2小時，最后得到熱處理后表面鍍有Ni-B-Ce化學復合沉積層的樣品C。其硬度值達到了784.0HV,阻抗值達到了5200，腐蝕電流密度達到了5.422×10^-6。

圖3是實施例6所得的表面鍍有稀土鎳硼復合鍍鍍層并經過熱處理的鋼鐵合金鍍件C的鍍層表面的掃描電鏡圖，呈菜花狀結構。