适用于Monel合金表面的镀层及其制备工艺的制作方法

阅读：评论：0

适用于monel合金表面的镀层及其制备工艺
技术领域
1.本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种适用于monel合金表面的镀层及其制备工艺。

背景技术：

2.monel合金是以金属镍为主的镍铜耐蚀合金，其典型成分为70％ni和30％cu，具有优良的耐腐蚀性能，尤其是在中强酸、强碱介质中它能表现出良好的耐蚀效果。近年来这种合金在我国的石油化工及核工业等装置的某些特殊设备制造中得到越来越多的应用。
3.monel合金的相组成为镍铜单相固溶体，一般没有金属间相的析出，属于相对柔软的铜镍合金，退火状态下布氏硬度为hb110～149，其力学性能尤其是高温力学性能较差，如高温下的硬度及耐磨性能较差。在一些特定场合无法满足服役要求，比如旋塞阀门，长时间的使用极易造成阀体的磨损及变形，影响阀体的精密性及密封效果，大幅缩短服役寿命。而此类构件价格昂贵，每年更换的费用更是巨大。为提高monel合金表面的硬度及耐磨性，有研究者提出采用表面激光熔覆镍基合金的方式，但由于monel合金具有较高的热导率和激光反射率，很难在其表面制备高质量的激光熔覆改性层，同时高温的作用也会对monel合金本体的防腐性能造成影响。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于monel合金表面的镀层及其制备工艺，针对monel合金力学性能尤其是高温力学性能差，容易磨损及变形，同时又不能降低其防腐性能的问题，本发明基于monel合金的成分比例，提出了一种在monel合金表面制备镍铜纳米复合镀层的方法，该方法制备的镀层铜含量可稳定控制在30％左右，与monel合金中铜含量相当，镀层与monel基体结合性好。同时，镀层中包含2％～20％的陶瓷相纳米强化颗粒。这种新型的材料组成既保证了镀层优异的防腐性能，又实现了monel合金表面力学性能的大幅提升，提升了装备的精密度及服役寿命。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种适用于monel合金表面的镀层，所述镀层为镍铜纳米复合镀层，施镀于monel合金表面，所述镀层控制包括以下合金质量百分比的成分：cu：25％-35％，余量为ni，具有与monel合金基体相当的合金元素含量
7.可选的，所述镀层的厚度为20μm～2000μm。
8.可选的，所述镀层包含2～20％的陶瓷纳米颗粒强化相。
9.一种适用于monel合金表面镀层的制备工艺，用于制备上述镀层，包括以下步骤：
10.对monel合金基体进行喷砂处理以去除表面油污及钝化膜并形成表面毛化结构；
11.将基体经超声波清洗和碱洗除油，再水洗，接着经酸洗去除表面氧化膜，再水洗，之后放入含有纳米颗粒的电镀液中进行纳米复合电镀；
12.电镀后水洗，烘干，完成纳米复合镀层的制作。
13.可选的，电镀过程中为保证纳米颗粒分散，将聚能式超声探头放入电镀槽靠近monel合金表面一侧。
14.可选的，电镀全程开启超声分散系统，同时镀槽底部开启磁力搅拌。
15.可选的，所述电镀液包括以下含量范围的组分：硫酸镍180～220g/l，氯化镍25～35g/l，硫酸铜15～25g/l，柠檬酸钠50～70g/l，硼酸25～40g/l，糖精钠0.5～1.5g/l，十二烷基硫酸钠0.2～0.3g/l，陶瓷纳米颗粒5～30g/l。
16.可选的，电镀液ph值为3.5～4.5；
17.和/或，电镀时电流密度为2～4a/dm2；
18.和/或，电镀时电镀温度为30～50℃；
19.和/或，电镀时磁力搅拌转速为200～800rpm。
20.可选的，为获得镀层中铜含量稳定在30％左右，在镀液中硫酸铜含量相对减少条件下，依据实时硫酸铜含量采用自动化控制程序降低电镀过程中的电流密度或升高电镀液温度或加大搅拌强度。
21.可选的，电镀过程中全程开启超声破碎装置分散，将聚能式超声破碎装置的探头放入电镀槽中靠近待镀monel合金表面一侧，控制聚能式超声破碎装置的探头与monel合金表面的距离为25～65mm。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明提出的一种适用于monel合金表面的抗高温耐磨镀层及其制备工艺，具有以下的效果：通过有效的前处理手段，去除monel合金表面的钝化膜，提升镍铜镀层与合金表面的结合力，为后续镀层的沉积奠定基础；通过自动调控电镀工艺参数组合，将铜含量稳定控制在30％左右，与基体monel合金成分相当；基于聚能式超声分散的纳米复合电镀工艺，制备出纳米颗粒含量2％～20％的镍铜基纳米复合镀层。所述镀层及制备工艺，既不降低镀层的防腐性能，又有效提升镀层的强度、硬度、耐磨损及耐高温性能，强化了其服役性能。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为本发明在monel合金表面制备抗高温耐磨镀层的装置示意图；
27.图2为本发明制备的镍铜纳米复合镀层微观结构。
28.附图标记：电镀槽1、含纳米颗粒的镀液(电镀液)2、磁力搅拌器3、待镀monel合金4、镍阳极5、电镀电源6、聚能式超声波破碎装置7。
具体实施方式
29.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
31.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
32.本发明基于monel400合金的成分比例，提供了一种适用于monel400合金表面强化的抗高温、耐磨损及耐腐蚀的镍铜基纳米复合镀层，所述镀层与monel基体结合性好，包括以下质量百分比的合金成分：(25～35％)cu，(65～75％)ni，厚度为20μm～2000μm。
33.进一步，所述纳米复合镀层包括2％～20％的陶瓷纳米颗粒强化相，所述陶瓷强化相包括但不限于al2o3、sic、wc、tio2、si3n4、bn、al3n4、b4c、tic等。
34.本发明还提供了一种如上所述的纳米复合镀层的制备工艺，包括如下步骤：
35.喷砂处理-超声清洗-电解除油-水洗-酸洗-水洗-电镀-水洗-烘干。
36.具体步骤如下：
37.先将monel合金基体进行喷砂处理，喷砂处理的工艺条件为：压力控制在0.5～0.7mpa，喷嘴与金属基体表面距离100～120mm，喷射角度》45
°
，喷砂时间10～30min。喷砂处理有助于去除monel合金表面的钝化膜，同时形成毛化结构，提高镀层与基体的结合力，否则，可能出现无法上镀的情况。
38.喷砂处理后进行超声清洗，然后进行电解除油，电解除油的工艺参数为：温度60～80℃，电流密度为5～15a/dm2，除油时间3～10分钟。
39.电解除油后，进行水洗，然后经酸洗去除表面氧化膜，酸洗工艺参数条件为：在浓度为5～15％的稀硫酸中浸泡20～60s。
40.酸洗后，再次进行水洗，再将镀件放入含有纳米颗粒的电镀液2中进行纳米复合电镀，同时将聚能式超声波破碎装置7的探头放入电镀槽1中靠近待镀monel合金4表面一侧，另一侧为镍阳极5，镍阳极5与待镀monel合金4之间设置电镀电源6，控制聚能式超声波破碎装置7的探头与monel合金4表面的距离d为25～65mm。距离太近，空化作用太强，不利于颗粒在镀层中的吸附与沉积，距离太远，空化效应有限，纳米颗粒分散不良。电镀全程开启超声分散系统，同时电镀槽1底部开启磁力搅拌器3，电镀后水洗，烘干，完成纳米复合镀层的制作，整体的装置结构如图1所示；
41.所述磁力搅拌器3转速为200rpm～800rpm。
42.所述电镀液2包括以下含量范围的组分：硫酸镍180～220g/l，氯化镍25～35g/l，硫酸铜15～25g/l，柠檬酸钠50～70g/l，硼酸25～40g/l，糖精钠0.5～1.5g/l，十二烷基硫酸钠0.2～0.3g/l，陶瓷纳米颗粒5～30g/l。电镀液2的ph值为3.5～4.5；电镀液2温度为30～50℃；电流密度为2～4a/dm2。
43.为获得镀层中铜含量稳定在30％左右，在镀液中硫酸铜含量相对减少条件下，可以降低电镀过程中的电流密度或升高电镀液2温度或加大搅拌强度。
44.实施例1
45.本实施例在monel400合金表面电镀一层镍铜纳米复合镀层，该复合镀层厚度为100μm，测试镀层中合金成分质量百分比为29.24％cu，70.76％ni。
46.本实施例的镍铜纳米复合镀层的制备工艺步骤是：喷砂处理-超声清洗-电解除油-水洗-酸洗-水洗-电镀-水洗-烘干。具体操作如下：
47.喷砂是在压力0.6mpa，喷嘴与金属基体表面距离110mm，喷射角度60
°
的条件下处理20分钟以去除表面钝化膜，电解除油是在温度70℃，电流密度10a/dm2条件下电解5分钟，酸洗是在10％稀硫酸中浸泡25s，电镀采用含有al2o3纳米颗粒的镍铜合金电镀液2，al2o3纳米颗粒粒径50nm，浓度为20g/l，电镀液2ph值为4.1，温度为40℃，电流密度为4a/dm2。超声破碎装置探头距离待镀monel合金4距离为40mm，电镀槽1底部磁力搅拌转速为500rpm。
48.本实施例所使用的镍铜合金电镀液2由以下含量组分组成：硫酸镍200g/l，氯化镍30g/l，硫酸铜25g/l，柠檬酸钠55g/l，硼酸30g/l，糖精钠1g/l，十二烷基硫酸钠0.25g/l，al2o3纳米颗粒20g/l。
49.对实施例1制备好的镍铜纳米复合镀层进行sem扫描电镜观察，微观形貌如图2所示。从图2中可见，纳米复合镀层中均匀弥散分布大量的纳米颗粒，采用sem-eds测量镀层中al2o3纳米颗粒含量约为5.27％。测试镀层镀态下与高温处理之后的的硬度及耐磨性，并与基体monel合金对比，结果如下表1所示。从表1可见，由于纳米颗粒的钉扎强化作用，使得复合镀层的耐磨性及显微硬度得到了显著地提升。在镀态下，纳米复合镀层硬度是monel合金的1.89倍，耐磨性是monel合金的5.78倍。在经过800℃8小时高温热处理之后，纳米复合镀层的优势更加明显，硬度是相同处理条件下monel合金的2.72倍，磨损量是monel合金的10.96倍。测试结果表明，相比于基体材料，纳米复合镀层大大提高了硬度、耐磨及耐高温性能。
50.表1镍铜纳米复合镀层与monel400合金力学性能对比
[0051][0052]
实施例2
[0053]
本实施例在monel400合金表面电镀一层镍铜纳米复合镀层，该复合镀层厚度为300μm，镀层中合金成分质量百分比为31.28％cu，68.72％ni。
[0054]
本实施例的镍铜纳米复合镀层的制备工艺步骤是：喷砂处理-超声清洗-电解除油-水洗-酸洗-水洗-电镀-水洗-烘干。具体操作如下：
[0055]
喷砂是在压力0.65mpa，喷嘴与金属基体表面距离100mm，喷射角度55
°
的条件下处理15分钟以去除表面钝化膜，电解除油是在温度70℃，电流密度5a/dm2条件下电解10分钟，酸洗是在15％稀硫酸中浸泡20s，电镀采用含有sic纳米颗粒的镍铜合金电镀液2，sic纳米颗粒粒径30nm，浓度为15g/l，电镀液2ph值为4.3，温度为35℃，电流密度为2a/dm2，超声破碎装置探头距离待镀monel合金距离为35mm，电镀槽1底部磁力搅拌转速为700rpm。
[0056]
本实施例所使用的镍铜合金电镀液2由以下含量组分组成：硫酸镍210g/l，氯化镍25g/l，硫酸铜15g/l，柠檬酸钠55g/l，硼酸30g/l，糖精钠0.5g/l，十二烷基硫酸钠0.25g/l，sic纳米颗粒15g/l。
[0057]
对实施例2制备好的纳米复合镀层进行电化学腐蚀测试，测试其在5％盐水中的开路电位及腐蚀电流密度，结果见表2所示，从表中我们发现镍铜基纳米复合镀层相较于monel400合金，腐蚀电位更正，腐蚀电流密度更小，耐腐蚀性能不但没有下降，反而略有上升，这可能与纳米颗粒分散腐蚀有一定关系。此外，对镀层进行热震实验以测试其结合性，将镀层置于预设温度(300℃)的箱式炉内并加热保温20min，时间到后将其取出迅速放入常温状态下的水中淬冷，每经历一个往复过程后，观察其表面情况，然后再将其放入炉内保温，重复上述实验直至涂层出现裂纹或失效破坏。实验发现，经过200次循环实验，镀层结合依然良好，未出现裂纹和剥落现象。
[0058]
表2镍铜纳米复合镀层与monel400合金防腐性能对比
[0059][0060]
如上所述，本发明提出的一种适用于monel合金表面的抗高温耐磨镀层及其制备工艺，具有以下的效果：通过有效的前处理手段，去除monel合金表面的钝化膜，提升镍铜镀层与合金表面的结合力，为后续镀层的沉积奠定基础；通过自动调控恰当电镀工艺参数组合，可将铜含量稳定控制在30％左右，与基体monel合金成分相当；基于聚能式超声分散的纳米复合电镀工艺，制备出纳米颗粒含量2％～20％的镍铜基纳米复合镀层。所述镀层及制备工艺，既不降低镀层的防腐性能，又有效提升镀层的强度、硬度、耐磨损及耐高温性能，强化了其服役性能。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种适用于monel合金表面的镀层，其特征在于，所述镀层为镍铜纳米复合镀层，施镀于monel合金表面，所述镀层控制包括以下合金质量百分比的成分：cu：25％-35％，余量为ni，具有与monel合金基体相当的合金元素含量。2.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于：所述镀层的厚度为20μm～2000μm。3.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于：所述镀层包含2～20％的陶瓷纳米颗粒强化相。4.一种适用于monel合金表面镀层的制备工艺，其特征在于，用于制备根据权利要求1～3任一项中所述的镀层，包括以下步骤：对monel合金基体进行喷砂处理以去除表面油污及钝化膜并形成表面毛化结构；将基体经超声波清洗和碱洗除油，再水洗，接着经酸洗去除表面氧化膜，再水洗，之后放入含有纳米颗粒的电镀液中进行纳米复合电镀；电镀后水洗，烘干，完成纳米复合镀层的制作。5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：电镀过程中为保证纳米颗粒分散，将聚能式超声探头放入电镀槽靠近monel合金表面一侧。6.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：电镀全程开启超声分散系统，同时镀槽底部开启磁力搅拌。7.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述电镀液包括以下含量范围的组分：硫酸镍180～220g/l，氯化镍25～35g/l，硫酸铜15～25g/l，柠檬酸钠50～70g/l，硼酸25～40g/l，糖精钠0.5～1.5g/l，十二烷基硫酸钠0.2～0.3g/l，陶瓷纳米颗粒5～30g/l。8.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：电镀液ph值为3.5～4.5；和/或，电镀时电流密度为2～4a/dm2；和/或，电镀时电镀温度为30～50℃；和/或，电镀时磁力搅拌转速为200～800rpm。9.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：为获得镀层中铜含量稳定在30％左右，在镀液中硫酸铜含量相对减少条件下，依据实时硫酸铜含量采用自动化控制程序降低电镀过程中的电流密度或升高电镀液温度或加大搅拌强度。10.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：电镀过程中全程开启超声破碎装置分散，将聚能式超声破碎装置的探头放入电镀槽中靠近待镀monel合金表面一侧，控制聚能式超声破碎装置的探头与monel合金表面的距离为25～65mm。

技术总结

本发明涉及一种适用于Monel合金表面的镀层及其制备工艺，属于金属表面处理技术领域。所述镍铜纳米复合镀层可稳定控制包括以下合金质量百分比的成分：(25～35％)Cu，余量为Ni，其具有与Monel合金基体相当的合金元素含量，并包含2～20％的陶瓷纳米颗粒强化相；其制备工艺包括如下步骤：喷砂处理-除油-水洗-酸洗-水洗-电镀-水洗-烘干，通过调节镀液硫酸铜含量，电镀电流密度、电镀温度及搅拌强度，可稳定控制镀层中合金成分。基于此方法制备的镍铜基纳米复合镀层既保证了镀层优异的防腐性能，又实现了Monel合金表面抗高温、耐磨损性能的大幅提升。幅提升。幅提升。