化学镀NiP合金的摩擦磨损性能研究.docx
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化学镀NiP合金的摩擦磨损性能研究
2012届本科毕业论文(设计)
论文题目:
化学镀Ni-P合金的摩擦磨损性能研究
学生姓名:
所在院系:
机电学院
所学专业:
机械设计制造及其自动化
导师姓名:
完成时间:
2012年5月9日
摘要
本文通过改变硫酸镍与次亚磷酸钠的加入比例进行化学镀后在A3钢试样表面获得十种不同镍磷含量的化学镀层,并对部分镀层在410℃条件下进行了热处理试验。
然后在MS-T3000摩擦磨损实验仪上对其中某一成分的镀态和热处理态化学镀层在相同条件下分别进行摩擦磨损试验,将试验结果进行了对比。
结果表明,在相同摩擦条件作用下,随着滑动速度的增大,镀态镀层与热处理态镀层的单位磨损率均相应减小。
Ni-P镀层热处理后与热处理前相比,耐磨性提高了3.04~3.51倍。
关键词:
化学镀Ni-P镀层,热处理,耐磨性
Abstract
Bychangingthenickelsulfateandsodiumhypophosphitebyaddingtheproportionofelectrolessplating,chemicalplatingA3steelsurfaceofthesampledozensofdifferentnickel-phosphoruscontent,andpartofthecoatingheattreatmentat410℃undertheconditionsoftest.ThenoneingredientplatedandheattreatedchemicalcoatingonthefrictionandweartestinstrumentintheMS-T3000underthesameconditionswerefrictionandweartest,thetestresultswerecompared.Theresultsshowthat,underthesamefrictionconditions,withtheslidingvelocityincreases,theunitoftheplatedcoatingandheattreatedcoatingswearrateisreducedaccordingly.Ni-Pcoatingafterheattreatmentcomparedwiththatbeforeheattreatment,thewearresistanceof3.04to3.51times.
Keywords:
ElectrolessplatingNi-Pcoating,Heattreatment,Wearresistan
目录
1绪论1
2实验材料及方法2
2.1实验工艺流程2
2.2化学镀层制备2
2.2.1镀液配制3
2.2.2镀前处理工艺5
2.2.3施镀过程7
2.2.4镀后处理9
2.3摩擦磨损实验方案9
2.3.1实验材料及实验装置9
2.3.2实验步骤10
3实验结果及分析11
3.1镀层分析11
3.2摩擦磨损实验分析13
4结论14
致谢15
参考文献16
1绪论
化学镀又称为无电解镀(Electrolessplating)[1],也可以称为自催化电镀(Autocatalyticplating)。
具体过程是指:
在一定条件下,水溶液中的金属离子被还原剂还原,并且沉淀到固态基体表面上的过程。
ASTMB374(ASTM,美国材料与试验协会)定义为Autocatalyticplatingis“depositionofametalliccoatingbyacontrolledchemicalreductionthatiscatalyzedbythemetaloralloybeingdeposited”。
这一过程与置换镀不同,其镀层是可以不断增厚的,且施镀金属本身也具有催化能力。
传统上,化学镀作为一种表面处理方法应归属于电镀,是电镀的一个镀种。
但化学镀不同于电镀,主要是因为化学镀不需要外加电源,而且操作方法与不同于电镀,其特点如下:
(1)镀层厚度均匀性好,非晶态镍磷合金镀层是通过化学沉积的方法获得的,化学镀液的分散程度接近100%。
凡是镀液能够浸到的部位,任何形状复杂的零件,都可以得到均匀的镀层,几乎是基体形状的一个复制,达到仿形的程度。
不会像电镀一样,出现由于电力线分布不均匀而引起的镀层厚度不均的现象。
(2)化学镀不仅可以在金属表面施镀,通过特殊的活化、敏化处理,也可以在非金属表面上进行。
(3)化学镀设备简单,不需要电源及阳极,只要在温度、pH值工艺参数合理的条件下,把待镀零件浸入在镀液中即可。
(4)化学镀的结合力、防腐性能都优于电镀。
目前,化学镀包括镀镍、镀铜、镀金、镀锡等很多镀种,但应用范围最广的还是化学镀镍。
镀液一般以硫酸镍为主盐,次亚磷酸盐、硼氢化钠等为还原剂,再添加各种络合剂、稳定剂等辅助剂,在85℃~90℃的酸性溶液或碱性溶液中进行作业。
以使用还原剂的不同分为化学镀镍磷、化学镀镍硼两大类。
本文主要探究化学镀镍磷合金。
由于配制化学镀镍磷合金成本低于化学镀镍硼合金,而且化学镀镍磷合金镀层具有耐腐蚀、耐磨、镀液稳定,易于操作等特点,近年来,在石油、化工、模具、印刷、航空、航天、汽车、电子、计算机等工业中,应用的比例不断上升。
以石油领域为例:
油田上工作的零部件及设备大多处于环境恶劣、服役条件苛刻的场合;而且材料要在含有H2S、C02、盐水及其它腐蚀介质中长期工作,并且介质的温度为80℃和压力为20Mpa,对材料起着加速腐蚀破坏的作用,许多零部件在遭受腐蚀的同时也要承受严重的磨损,在上述工件的工作表面镀覆以镍磷为基的合金镀层,利用其优良的耐腐蚀、耐磨性能有效地延长了这些零部件的使用寿命[2]。
我国从八十年代开始在油田行业开发该技术,在不断实践的基础上实现了大面积整体化学镀技术的突破,大大降低了成本,提高了生产效率和生产能力。
目前该技术已比较成熟的在大庆、胜利、中原油田推广开来,并广泛应用于航空航天、电子工业、纺织以及汽车等工业部门,可以预见化学镀镍磷合金技术在我国将会有广泛的应用前景[3]。
当前人们对镍磷合金镀层的耐蚀性和非磁性等物理性能研究较多,但对镍磷合金镀层摩擦磨损特性和摩擦机理的研究较少[4]。
对此,文中通过改变实验过程的磨损距离、转速等因素对镍磷镀层的摩擦磨损特性进行初步探讨。
2实验材料及方法
2.1实验工艺流程
本实验所用试样材质为A3钢,规格近似为24mm×40mm×1.5mm。
本实验所用的仪器有:
BT-B电子天平(可以方便的测出所用的化学药品的重量,精度为0.01g)、电子天平(可以方便的测出所用的试样的重量,精度为0.0001g)、KQY79-1磁力加热搅拌器、DZKW-D-2型电热恒温水浴锅、PHB系列笔型pH计、超声波清洗机、微量移液器等。
本实验流程为:
(配制溶液)→化学预磨试样→水洗→称重→除油→水洗→除锈→水洗→超声波清洗→镀镍→水洗干燥→称重→热处理→测试摩擦磨损性能→电镜能谱分析。
此次实验包括镀层实验、摩擦磨损试验和能谱分析三部分。
2.2化学镀层制备
镍磷化学镀的基本原理是以次磷酸盐为还原剂,将镍盐还原成镍,同时使镀层中含有一定的磷,沉淀的磷膜具有自催化性,可使反应自动进行下去。
关于Ni-P化学镀的具体反应机理,目前尚未统一认识,现在为大多数人多接受的是原子氢态理论。
(1)镀液在加热时,通过次磷酸盐在水溶液中脱氢,而形成亚磷酸根,同时放出初生态原子氢,即:
(2)初生态的原子氢吸附催化金属表面而使之活化,使镀液中的镍阳离子还原,在催化金属表面上沉积金属镍,即:
(3)随着次亚磷酸根的分解,还原成磷,即:
(4)镍原子和磷原子共同沉积而形成Ni-P固溶体。
合金[6]
由此得出,其基本原理是通过镀液中离子还原,同时伴随着次磷酸盐的分解而产生磷原子进入镀层,形成过饱和的
固溶体。
为了使镀液稳定,镀速适当及镀层质量优良,在化学沉积镍磷合金过程中,除了需要及时地补充上述反应消耗的主盐外,还需要在镀液中加入适量的络合剂、稳定剂、缓冲剂和其他添加剂等[5]。
2.2.1镀液配制
根据以往多次的实验数据,采用优化方法分析实验结果,选出10组优化后的镀液成分,作为本次实验镀液的成分。
硫酸镍:
次磷酸钠的比值从0.6-1.5配制溶液,乳酸:
柠檬酸=1:
3,其它含量均相同,具体配比含量如附表1所示。
表1配方成分
溶液编号
硫酸镍g/L
次磷酸钠g/L
乳酸
g/L
柠檬酸
g/L
十二烷基硫酸钠
g/L
1
21
35
14
4.667
0.01
2
21
30
14
4.667
0.01
3
24
30
16
5.333
0.01
4
27
30
18
6
0.01
5
25
25
16.667
5.556
0.02
6
33
30
22
7.333
0.02
7
24
20
16
5.333
0.02
8
26
20
17.333
5.778
0.02
9
28
20
18.667
6.222
0.03
10
30
20
20
6.667
0.03
另外添加:
醋酸钠40g/L,硫脲0.001273g/L,碘化钾0.01182g/L,硫酸镉0.001318g/L
通常以次亚磷酸盐为还原剂的镀液有酸性和碱性之分,其中酸性镀液所获镀层的结合力强,硬度高,耐磨性和耐蚀性好,但施镀温度较高,大多在86℃以上;而碱性镀液所获得镀层的结合力较弱,镀层磷含量较低,因此耐蚀性和耐磨性均不如酸性镀液所获得镀层。
以下分别讨论酸性镀液各成分的作用[6]。
(1)主盐
镍盐是镀液的主盐,作用是提供镍离子,在化学原反应中为氧化剂。
可供采用的镍盐有硫酸镍(NiSO4)、醋酸镍、氯化镍。
常用硫酸镍,绿色结晶配成的溶液为深绿色,实验发现,镍盐浓度高时,沉积速度较快,但镀液稳定性下降。
(2)还原剂
选用次磷酸钠为还原剂,其本身分解产生出磷原子进入镀层,以镍磷化合物形式存在于镀层中,同时一部分则被氧化为亚磷酸钠。
亚磷酸盐是十分有害的反应产物,它会与镀液中的镍离子形成溶解度很小的亚磷酸镍沉淀,使镀层表面粗糙,甚至使镀液分解老化而失效。
因此,必须严格控制镀液中亚磷酸盐的含量,其用量取决于镍盐浓度。
当提高次磷酸钠浓度时,沉积速度增大,但镀液的稳定性下降,易产生沉淀,沉积层表面发暗。
(3)络合剂
镀液中随着镍离子不断被还原,H2PO32-生成越多,容易造成亚磷酸镍沉淀而引起镀液分解。
为避免镀液分解和控制沉积速度,镀液中必须加入络合剂,络合剂与镍的离子形成稳定的络合物,用来控制可供反应的游离镍离子含量,同时起到抑制亚磷酸镍沉淀的作用,使镀液具有较好的稳定性。
常用的络合剂主要有醋酸,柠檬酸,乳酸等。
研究表明,只有在络合剂比例适当的条件下,次磷酸盐浓度变化对沉积速度才有影响。
随着次磷酸盐浓度的增加,镍的沉积速度上升。
但次磷酸盐的浓度也有限制,它镍盐浓度的摩尔比,不应大于4,否则容易造成镀层粗糙,甚至诱发镀液瞬时分解。
一般次磷酸钠的含量为20~40g/L。
(4)缓冲剂
缓冲剂的主要作用是保持镀液的pH值稳定。
因为在化学沉积Ni-P合金过程中,由于氢离子不断地析出,使镀液的pH值逐渐降低,而pH值的降低又阻碍了沉积过程的进行。
镀液中加入缓冲剂,是为了防止在沉积反应过程中由于镀液pH值的剧烈变化而造成沉积速度的不稳定。
缓冲剂中的阴离子可与沉积反应过程中所生成的氢离子结合成为电离度很小的弱酸分子,从而能控制镀液pH值的剧烈变化。
缓冲剂的浓度也会影响镀液的沉积速度,因此,必须经常测定镀液的pH值,并用氨水或氢氧化钠溶液来校正。
(5)稳定剂
为控制镍离子的还原和使还原反应只在被镀基体表面上进行,防止镀液自发分解失效,镀液中应加入稳定剂。
稳定剂的作用在抑制镀液的自发分解,使施镀过程在控制下有序进行。
稳定剂能优先吸附在微粒表面抑制催化反应,从而掩蔽催化活化中心,阻止微粒表面的成核反应,但不影响工件表面正常的化学镀过程。
但必须注意的是,稳定剂是一种化学镀镍毒化剂,即反催化剂,只需加入痕量就可抑制镀液自发分解。
稳定剂不能使用过量,过量后轻则降低镀速,重则不再起镀,因此必须慎重使用。
常用的稳定剂主要有硫的无机物或有机物,如硫酸盐、硫氰酸盐、硫脲及其衍生物等[8]。
配制镀液的步骤为:
(1)用BT-B电子天平称量16.8g的硫酸镍,在烧杯中用150ml蒸馏水使之完全溶解。
(2)用BT-B电子天平称量11.2g的乳酸,在烧杯中用150ml蒸馏水使之完全溶解,称取柠檬酸3.73g放进乳酸溶液,充分溶解后,在搅拌机的匀速搅拌下,缓慢倒入溶液
(1)中。
(3)称量28g次磷酸钠,在烧杯中用150ml蒸馏水使之完全溶解,在搅拌机的匀速搅拌下,缓慢倒入溶液
(1)中。
(4)称量32g醋酸钠,在烧杯中用150ml蒸馏水使之完全溶解,在搅拌机的匀速搅拌下,缓慢倒入溶液
(1)中。
(5)浓度为0.0002g/ml的硫脲5.1ml,浓度为0.0005g.ml的碘化钾18.92ml,浓度为0.0002g/ml的硫酸镉5.3ml,浓度为0.01g/ml的十二烷基硫酸钠0.08ml,用微量移液器将以上溶液注入
(1)中,搅拌均匀。
(6)然后将所配溶液
(1)倒入1L的量筒中,添加蒸馏水至800ml,然后倒入烧杯中。
化学镀镍溶液为了尽可能减少实验过程中干扰因素必须用蒸馏水或去离子水配制。
配制镀液的时候,不能将镍盐溶液和还原剂溶液直接混合,否则可能发生氧化-还原反应,导致溶液失去效用。
配制好的镀液应尽快使用,不宜久置,更应避免带入杂质粒子以免使镀液自然分解[7]。
按照以上步骤,根据表1的镀液成分计算配制800ml的溶液各种成分添加的质量,列于表2。
依照表2实际质量,配制剩余9种溶液。
分别标上编号1-10,并用氨水将所有溶液PH值调为5.0。
表2配制溶液的实际质量
溶液编号
硫酸镍
g
次磷酸钠
g
乳酸
g
柠檬酸
g
十二烷基硫酸钠
ml
1
16.8
28
11.2
3.7336
0.08
2
16.8
24
11.2
3.7336
0.08
3
19.2
24
12.8
4.2664
0.08
4
21.6
24
14.4
4.8
0.08
5
20
20
13.3336
4.4448
0.16
6
26.4
24
17.6
5.8664
0.16
7
19.2
16
12.8
4.2664
0.16
8
20.8
16
13.8664
4.6224
0.16
9
22.4
16
14.9336
4.9776
0.24
10
24
16
16
5.3336
0.24
另外添加:
醋酸钠32g,硫脲5.1ml,碘化钾18.92ml,硫酸镉5.3ml。
2.2.2镀前处理工艺
表面未除尽的油或化合物可导致镀层灰暗或结合力差,在未除尽的油污处通常会被漏镀。
除锈或活化时间过长,镀件会被腐蚀,而且镀件表面将过于粗糙;对于中高碳钢,镀件表面还可能出现碳膜[8]。
粗糙的表面和碳膜会大大降低镀层与基体的结合力,降低镀层的耐磨性。
粗糙的表面还会增大镀层胞状组织的尺寸,增大镀层的孔隙率,降低镀层的耐蚀性。
因此对于含有重锈的镀件,通常先用机械法(喷砂或高压水射流)除去重锈;对于含有内腔或盲孔的镀件,最好加一道超声波除油工序;对于中高碳钢,推荐采用电净法除油、除锈。
在任何条件下,除油、除锈工序间充分的漂洗都会减少对下道工序的污染,增加镀件表面的洁净度,从而增加镀层与基体的结合力,提高镀层的致密度,增强镀层的耐蚀、耐磨性[9]。
预磨试样:
将试样的工作面在砂纸上打磨,其目的是除去工件表面划痕、焊渣、锈污、氧化层以及其它表面杂质和缺陷,从而获得平整光滑的表面,以便均匀镀层,为镀层后的镀速计算做好准备。
清洗:
对待镀试样进行清洗,用蒸馏水洗去其表面上的杂质,这是十分必要的,也进一步提高了镀件的外观质量。
以冲洗到试样表面流动的水不聚集水滴也不要聚集成股下流为清洗干净的标准。
编号及称重:
对试样打上编号(每组4个,共10组),分别用电子天平进行称重,镀前重量记录如表3所示。
用带有绝缘线的铜丝将打上编号的的样品绑上,便于在镀层时悬挂。
表3试样的镀速计算
试样编号
镀前
质量g
镀后
质量g
质量差
g
长
mm
宽
mm
厚
mm
表面积
mm2
镀速μm/h
1
1
10.4472
11.0488
0.6016
40.29
24.1
1.51
2136.4358
15.8
2
10.0896
10.688
0.5984
40.42
24.16
1.48
2144.2512
15.7
3
8.0812
8.625
0.5438
39.98
24.08
1.16
2074.056
14.7
4
10.1437
10.7417
0.598
40.65
24.03
1.45
2141.211
15.79
2
1
12.2776
12.8814
0.6038
40.13
24
1.77
2153.2602
15.8
2
10.3435
10.934
0.5905
40.73
24.01
1.47
2146.1902
15.5
3
10.1923
10.7906
0.5983
40.23
24.15
1.45
2129.811
15.8
4
10.3666
10.9436
0.577
40.39
23.92
1.5
2125.1876
15.5
3
1
8.3625
8.9517
0.5892
40.3
24.1
1.19
2095.732
15.8
2
10.7759
11.3735
0.5976
40.36
24.41
1.52
2167.276
15.5
3
10.5563
11.1415
0.5852
40.18
24
1.5
2121.18
15.5
4
10.0199
10.6355
0.6156
40.23
22.94
1.51
2036.5258
16.9
4
1
10.1285
10.7775
0.649
39.82
24
1.48
2100.2672
17.3
2
10.566
11.2305
0.6645
40.36
24.07
1.52
2138.7976
17.4
3
10.3677
11.0192
0.6515
40.23
24.07
1.5
2129.5722
17.1
4
10.9596
11.6025
0.6429
40.32
24.78
1.53
2197.4652
16.4
5
1
8.2124
8.7583
0.5459
40.13
24.11
1.15
2082.8206
14.7
2
10.6565
11.2232
0.5667
40.48
24.14
1.53
2152.1116
14.7
3
10.6481
11.2077
0.5596
40.44
23.99
1.53
2137.467
14.7
4
10.6814
11.2322
0.5508
40.37
24.13
1.53
2145.6262
14.4
6
1
8.5516
9.1832
0.6316
40.2
23.99
1.25
2089.271
16.9
2
10.3326
10.975
0.6424
40.25
23.87
1.51
2115.1774
17.1
3
10.6403
11.271
0.6307
40.41
24.13
1.52
2146.3882
16.5
4
10.2389
10.8764
0.6375
40.29
24.13
1.47
2133.7902
16.7
7
1
7.9809
8.4156
0.4347
39.99
23.91
1.14
2058.0138
11.8
2
10.7069
11.1581
0.4512
40.23
24.1
1.5
2132.076
11.8
3
11.6427
12.0886
0.4459
39.99
22.87
1.74
2047.8954
12.2
4
8.4364
8.8775
0.4411
40.18
23.63
1.22
2054.6032
12.1
8
1
8.5642
9.0189
0.4547
40.18
23.99
1.22
2084.4112
12.2
2
9.7158
10.1675
0.4517
39.49
23.33
1.44
2023.525
12.5
3
7.9665
8.4134
0.4469
39.96
24.08
1.16
2073.0464
12.1
4
10.7089
11.1624
0.4535
40.16
24.13
1.51
2132.2774
11.9
9
1
10.3715
10.8504
0.4789
40.51
24.02
1.44
2131.9468
12.6
2
10.582
11.0471
0.4651
40.15
24.04
1.47
2119.1306
12.3
3
7.9492
8.4131
0.4639
39.78
23.99
1.13
2052.7646
12.6
4
8.3374
8.7979
0.4605
40.26
23.67
1.16
2054.226
12.5
10
1
8.4978
8.9736
0.4758
40.15
23.94
1.17
2072.3526
12.8
2
8.3188
8.8036
0.4848
40.36
23.97
1.16
2084.104
13.1
3
6.795
7.2482
0.4532
40.07
23.87
0.96
2035.7066
12.5
4
10.3029
10.7761
0.4732
39.97
23.63
1.48
2077.2382
12.7
除油:
除油的目的是清除零件表面的各种动、植物及矿物油脂、油污。
使镀层与基片有良好的结合力。
对于零件表面油污较多或经过机械抛光的零件,应先用有机溶剂或除油剂及进行清除,然后和一般零件一样进行化学除油。
以水在内壁能均匀分布成一薄层而不出现水珠,为油垢除尽的标准。
表面活化:
利用酸的腐蚀性去除零件表面的氧化膜,将零件表面的残余锈皮
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- 化学 NiP 合金 摩擦 磨损 性能 研究
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