| 专利名称： | 铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层及其制备方法 | ||
| 专利名称(英文)： | The surface of the aluminum-base composite material low expansion wear-resistant composite coating layer and its preparation method | ||
| 专利号： | CN201511001135.0 | 申请时间： | 20151228 |
| 公开号： | CN105568271A | 公开时间： | 20160511 |
| 申请人： | 北京有色金属研究总院 | ||
| 申请地址： | 100088 北京市西城区新街口外大街2号 | ||
| 发明人： | 赵月红; 聂俊辉; 刘彦强; 郝心想; 樊建中; 马自力; 魏少华; 左涛 | ||
| 分类号： | C23C18/48; C23C18/50 | 主分类号： | C23C18/48 |
| 代理机构： | 北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246 | 代理人： | 黄家俊 |
| 摘要： | 本发明公开了属于金属表面处理技术领域的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层及其制备方法。所述复合镀层的厚度为10-20μm，组成成分为：镍20-75wt.％，钴20-70wt.％，磷0.5-5wt.％，耐磨颗粒1-8wt.％，稀土金属0-8wt.％。将铝基复合材料在制备好的化学镀液和耐磨颗粒浆体混合后的施镀液中进行施镀，得到所述的复合镀层。所述的复合镀层具有很好的耐磨性、耐腐蚀性和低膨胀性，保证了铝基复合材料叶片在压缩机工作期间与复合镀层具有良好的结合力，不发生复合镀层裂缝、鼓包、脱落的现象，进而增强了铝基复合材料叶片的耐久性，延长了汽车空调用铝合金旋叶式压缩机的使用寿命。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention refers to the technical field of metal surface treatment of the surface of the aluminum base composite material of a low expansion wear-resistant composite coating layer and its preparation method. The thickness of the composite coating 10-20μm, components to : nickel 20-75wt. %, Cobalt 20-70wt. %, Phosphorus 0.5-5 wt. %, Wear-resistant particles 1-8wt. %, Rare-earth metal 0-8wt. %. The aluminum-based composite material for the preparation of a good chemical plating solution and the wear-resistant particles of the slurry after mixing is carried out in shi Duye plating, said composite coating. The composite plating layer has good wear resistance, corrosion resistance and low expansion, the aluminum-base composite material blade during the operation of the compressor with the composite plating layer has good binding force, the crack of the composite plating layer does not occur, bulging, fall off, thus enhancing the durability of the aluminum-base composite material blade, prolonging the blade Jin xuan aluminum alloy for automobile air conditioner the service life of the compressor. | ||
1.一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层，其特征在于，所述复合 镀层的厚度为10-20μm；组成及质量百分比为：镍20-75wt.％，钴20-70wt.％， 磷0.5-5wt.％，耐磨颗粒1-8wt％，稀土金属0-8wt％。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒为氮化硅颗粒、碳化硅粉末、金刚石颗粒或碳化 硼颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述稀土金属为铈或镧。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒弥散分布在连续的复合镀层基体中，占复合镀层 面积的5-30％。
5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒的粒径范围为0.2-5μm。
6.权利要求1-5任一项所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀 层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)制备化学镀液：按照镍盐10-50g/L、钴盐10-50g/L、稀土金属盐0-5g/L、 次磷酸盐20-50g/L、络合剂30-100g/L、缓冲剂30-100g/L、稳定剂0-0.005g/L 的配比称量好各组分，配制成化学镀液，并调节其pH为8-10； 所述的络合剂为柠檬酸钠、酒石酸钠和酒石酸钾钠中的一种或一种以上； 所述的缓冲剂为硫酸铵、氯化铵、氨水中的一种或一种以上； 所述的稳定剂为硫脲、十二烷基硫酸钠、糖精中的一种或一种以上； (2)制备耐磨颗粒浆体：称取10-100g耐磨颗粒，用100mL水溶解后， 超声搅拌25-35min； (3)施镀：将铝基复合材料样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌处理后， 浸渍在温度为75-95℃的化学镀液中开始反应，反应开始30-60s后，加入耐磨颗 粒浆体30-100ml/L，形成施镀液；每隔10-15min，调整施镀液的pH值至8-10， 施镀60-90min，得到厚度均匀的低膨胀耐磨复合镀层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的镍盐为硫酸镍、 氯化镍和碳酸镍的一种或一种以上。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的钴盐为硫酸钴、 氯化钴和碳酸钴的一种或一种以上。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的稀土金属盐为硫 酸铈、氯化铈、硫酸镧和氯化镧的一种或一种以上。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的次磷酸盐为次 磷酸钠。
1.一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层，其特征在于，所述复合 镀层的厚度为10-20μm；组成及质量百分比为：镍20-75wt.％，钴20-70wt.％， 磷0.5-5wt.％，耐磨颗粒1-8wt％，稀土金属0-8wt％。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒为氮化硅颗粒、碳化硅粉末、金刚石颗粒或碳化 硼颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述稀土金属为铈或镧。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒弥散分布在连续的复合镀层基体中，占复合镀层 面积的5-30％。
5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层， 其特征在于，所述的耐磨颗粒的粒径范围为0.2-5μm。
6.权利要求1-5任一项所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀 层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)制备化学镀液：按照镍盐10-50g/L、钴盐10-50g/L、稀土金属盐0-5g/L、 次磷酸盐20-50g/L、络合剂30-100g/L、缓冲剂30-100g/L、稳定剂0-0.005g/L 的配比称量好各组分，配制成化学镀液，并调节其pH为8-10； 所述的络合剂为柠檬酸钠、酒石酸钠和酒石酸钾钠中的一种或一种以上； 所述的缓冲剂为硫酸铵、氯化铵、氨水中的一种或一种以上； 所述的稳定剂为硫脲、十二烷基硫酸钠、糖精中的一种或一种以上； (2)制备耐磨颗粒浆体：称取10-100g耐磨颗粒，用100mL水溶解后， 超声搅拌25-35min； (3)施镀：将铝基复合材料样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌处理后， 浸渍在温度为75-95℃的化学镀液中开始反应，反应开始30-60s后，加入耐磨颗 粒浆体30-100ml/L，形成施镀液；每隔10-15min，调整施镀液的pH值至8-10， 施镀60-90min，得到厚度均匀的低膨胀耐磨复合镀层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的镍盐为硫酸镍、 氯化镍和碳酸镍的一种或一种以上。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的钴盐为硫酸钴、 氯化钴和碳酸钴的一种或一种以上。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的稀土金属盐为硫 酸铈、氯化铈、硫酸镧和氯化镧的一种或一种以上。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的次磷酸盐为次 磷酸钠。
翻译：技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种铝基复合材料表面的 低膨胀耐磨复合镀层及其制备方法。
背景技术
旋叶式压缩机主要由汽缸、转子活塞、叶片和主轴组成。在旋叶式压缩 机工作过程中，叶片不停地与转子缝隙表面及腔体表面进行摩擦，所以要求 转子和叶片材料都要有较好的耐磨性；同时压缩机的工作温度一般保持在 100-200℃，所以要求转子和叶片材料有很好的尺寸热稳定性，即低膨胀系数； 另外，压缩机在工作过程中，水很容易被带入到系统中，与制冷剂结合，形 成对金属有腐蚀性的介质因子，因此也要求转子和叶片材料有很好的耐腐蚀 性。
铝基复合材料通过合理选择增强颗粒，获得高强度、低膨胀的性能，同 时满足低碳轻质的环保要求，所以铝基复合材料叶片得到广泛应用。但是铝 基复合材料本身的耐磨性和耐腐蚀性不够，因此需要对铝基复合材料叶片或 转子进行表面处理，以提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。由于铝基复合材料本 身具有很好的低膨胀性，为了保证压缩机工作期间，叶片材料与耐磨镀层的 良好结合，因此需要镀层体系本身也具有低膨胀性。
现有的铝基叶片的镀层多采用高硬度(HV0.11500)的镍镀层实现耐磨， 但镍镀层本身的膨胀系数(一般1.5X10-6/K)与铝基复合材料(1.1X10-6/K) 的膨化系数不符，所以镍镀层很容易出现起泡现象；同时镍镀层本身不能完 全释放的内应力和高硬度，使镍镀层在铝基复合材料工作期间容易破碎，形 成的磨粒常常刮伤转子，导致压缩机寿命不稳定。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种铝基复合材料表面低膨胀耐磨复 合镀层及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层，所述复合镀层的厚度为 10-20μm；组成及质量百分比为：镍20-75wt.％，钴20-70wt.％，磷0.5-5wt.％， 耐磨颗粒1-8wt％，稀土金属0-8wt％。
所述的耐磨颗粒为氮化硅颗粒、碳化硅粉末、金刚石颗粒或碳化硼颗粒。
所述稀土金属为铈或镧。
所述的耐磨颗粒弥散分布在连续的复合镀层基体中，占复合镀层面积的 5-30％。
所述的耐磨颗粒的粒径范围为0.2-5μm。
所述的一种铝基复合材料表面的低膨胀耐磨复合镀层的制备方法，其特征 在于，包括以下步骤：
(1)制备化学镀液：按照镍盐10-50g/L、钴盐10-50g/L、稀土金属盐0-5g/L、 次磷酸盐20-50g/L、络合剂30-100g/L、缓冲剂30-100g/L、稳定剂0-0.005g/L 的配比称量好各组分，配制成化学镀液，并调节其pH为8-10；
所述的络合剂为柠檬酸钠、酒石酸钠和酒石酸钾钠中的一种或一种以上；
所述的缓冲剂为硫酸铵、氯化铵、氨水中的一种或一种以上；
所述的稳定剂为硫脲、十二烷基硫酸钠、糖精中的一种或一种以上；
(2)制备耐磨颗粒浆体：称取10-100g耐磨颗粒，用100mL水溶解后， 超声搅拌25-35min；
(3)施镀：将铝基复合材料样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌处理后， 浸渍在温度为75-95℃的化学镀液中开始反应，反应开始30-60s后，加入耐磨颗 粒浆体30-100ml/L，形成施镀液；每隔10-15min，调整施镀液的pH值至8-10， 施镀60-90min，得到厚度均匀的低膨胀耐磨复合镀层。
所述的镍盐为硫酸镍、氯化镍和碳酸镍的一种或一种以上。
所述的钴盐为硫酸钴、氯化钴和碳酸钴的一种或一种以上。
所述的稀土金属盐为硫酸铈、氯化铈、硫酸镧和氯化镧的一种或一种以上。
所述的次磷酸盐为次磷酸钠。
本发明的有益效果：本发明制备的复合镀层具有很好的耐磨性、耐腐蚀性 和低膨胀性，保证了铝基复合材料叶片在压缩机工作期间与复合镀层具有良好 的结合力，不发生复合镀层裂缝、鼓包、脱落的现象，进而增强了铝基复合材 料叶片的耐久性，延长了汽车空调用铝合金旋叶式压缩机的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的一种铝基复合材料表面低膨胀耐磨复合镀层 示意图；其中，耐磨颗粒在复合镀层中弥散分布，占复合镀层面积的5％。
图2为本发明实施例2制备的一种铝基复合材料表面低膨胀耐磨复合镀层 示意图；其中，耐磨颗粒在复合镀层中弥散分布，占复合镀层面积的30％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不能理解为对本发明保 护范围的限制。任何熟悉该领域的技术人员根据上述本发明内容对本发明所 做的一些非本质的改进和调整，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
1.制备化学镀液：按照氯化镍10g/L，氯化钴10g/L，次磷酸钠20g/L， 酒石酸钾钠10g/L，柠檬酸钠20g/L，氯化铵30g/L，硫酸铈1g/L，糖精0.01 g/L的配比制备化学镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度为0.2μm的氮化硅10g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以硅含量为10％的硅铝复合材料为样品，先将硅铝复合材料 样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为95℃的化 学镀液中反应，反应开始30s后，加入耐磨颗粒浆体30ml/L，形成施镀液； 每隔15min，调整施镀液的pH值至8-9，施镀1h，得到厚度为10μm的复合 镀层。扫描电镜能谱分析该镀层组分：镍75wt.％，钴20wt.％，铈0.5wt.％， 磷2.3wt.％，硅2wt.％，氮0.2wt.％；微观形貌显示，氮化硅颗粒在复合镀层 中弥散分布，占复合镀层面积5％，如图1所示。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.01800，摩擦系数为0.13， 带有该复合镀层的硅铝复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.2×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例2
1.制备化学镀液：按照硫酸镍50g/L，硫酸钴50g/L，次磷酸钠50g/L， 柠檬酸钠70g/L，酒石酸钾钠30g/L，硫酸铵100g/L，硫酸铈10g/L，硫脲0.05g/L 的配比制备化学镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度5μm的氮化硅20g，加入100mL水，超 声搅拌30min。
3.施镀：以硅含量为50％的硅铝复合材料为样品，先将硅铝复合材料 样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将样品浸渍在温度为75℃的 化学镀液中反应，反应开始60s后，加入耐磨颗粒浆体50ml/L，形成施镀液； 每隔10min，调整施镀液的pH值为8-9，施镀1h，得到厚度为20μm的复合 镀层。扫描电镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍20wt.％，钴70wt.％，铈8 wt.％，磷1wt.％，硅1wt.％；微观形貌显示，氮化硅颗粒在复合镀层中弥散 分布，占复合镀层面积的30％，如图2所示。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.011500，摩擦系数为 0.1，带有该复合镀层的硅铝复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.0×10-5/K，将 其浸在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例3
1.制备化学镀液：按照硫酸镍25g/L，硫酸钴25g/L，次磷酸钠30g/L， 柠檬酸钠60g/L，硫酸铵50g/L的配比制备成化学镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度0.8μm的氮化硅100g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以硅含量为20％的硅铝复合材料为样品，先将硅铝复合材料 样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为90℃的化 学镀液中反应，反应开始30s后，加入耐磨颗粒浆体100ml/L，形成施镀液， 每隔15min，调整施镀液的pH值至9-10，施镀1h，得到厚度为10μm的复 合镀层。扫描电镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍63wt.％，钴32wt.％， 磷2wt.％，硅3wt.％；微观形貌显示，氮化硅颗粒在复合镀层中弥散分布， 占复合镀层面积的20％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.01800，摩擦系数0.10， 带有该复合镀层的硅铝复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.0×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例4
1.制备化学镀液：按照硫酸镍25g/L，氯化镍5/L，硫酸钴15g/L，次磷 酸钠30g/L，柠檬酸钠60g/L，硫酸铵50g/L，硫酸镧5g/L的配比制备成化学 镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度2μm的氮化硅100g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以硅含量为15％的硅铝复合材料为样品，先将硅铝复合材料 样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为85℃的化 学镀液中反应，反应开始30s后，加入耐磨颗粒浆体100ml/L，形成施镀液； 每隔15min，调整施镀液的pH值至9-10，施镀1h，得到厚度为10μm的复 合镀层。扫描电镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍45wt.％，钴45wt.％， 镧2wt.％，磷3wt.％，硅4.5wt.％，氮0.2wt.％；微观形貌显示，氮化硅颗粒 在复合镀层中弥散分布，占镀层面积30％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.011000，摩擦系数0.12， 带有该复合镀层的硅铝复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.1×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例5
1.制备化学镀液：按照氯化镍10g/L，氯化钴10g/L，次磷酸钠20g/L， 酒石酸钾钠10g/L，柠檬酸钠20g/L，氯化铵30g/L，硫酸铈1g/L，糖精0.01 g/L的配比制备成化学镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度0.2μm的氮化硅10g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以碳化硅含量为20％的铝基复合材料为样品，先将样品经过 除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为95℃的化学镀液中 反应，反应开始30s后，加入颗粒浆体30ml/L，形成施镀液；每隔15min， 调整施镀液的pH值至8-9，施镀1h，得到厚度为10μm的复合镀层。扫描电 镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍75wt.％，钴20wt.％，铈0.5wt.％，磷 2.3wt.％，硅2wt.％，氮0.2wt.％；微观形貌显示，碳化硅颗粒在镀层中弥散 分布，占复合面积的10％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.01800，摩擦系数0.13， 带有该复合镀层的铝基复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.2×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例6
1.制备化学镀液：按照硫酸镍50g/L，硫酸钴50g/L，次磷酸钠50g/L， 柠檬酸钠70g/L，酒石酸钾钠30g/L，硫酸铵100g/L，氯化铈5g/L，硫脲0.05g/L 的配比制备成化学镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度为5μm的金刚石20g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以碳化硼为30％的铝基复合材料为样品，先将样品经过除油、 酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为75℃的化学镀液中反应， 反应开始60s后，加入耐磨颗粒浆体50ml/L，形成施镀液；每隔10min，调 整施镀液的pH值至8-9，施镀1h，得到厚度为20μm的复合镀层。扫描电镜 能谱分析该复合镀层的组分为：镍24wt.％，钴70wt.％，铈1wt.％，磷5wt.％； 微观形貌显示，金刚石颗粒在复合镀层中弥散分布，占复合镀层面积的30％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.011500，摩擦系数0.1， 带有该复合镀层的铝基复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.0×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例7
1.制备化学镀液：按照硫酸镍25g/L，硫酸钴25g/L，次磷酸钠30g/L， 柠檬酸钠60g/L，酒石酸钠10g/L，硫酸铵50g/L的配比制备成化学镀液，调 整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度0.8μm的氮化硅颗粒100g，加入100mL 水，超声搅拌30min。
3.施镀：以金刚石含量为10％的铝基合材料为样品，先将样品经过除 油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温度为90℃的化学镀液中， 反应开始30s后，加入耐磨颗粒浆体100ml/L，形成施镀液；每隔15min，调 整施镀液的pH值为9-10，施镀1h，得到厚度为10μm的复合镀层。扫描电 镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍63wt.％，钴32wt.％，磷2wt.％，硅3wt.％； 微观形貌显示，氮化硅颗粒在复合镀层中弥散分布，占复合镀层面积20％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.01800，摩擦系数0.10， 带有该复合镀层的铝基复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.0×10-5/K，将其浸 在150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
实施例8
1.制备化学镀液：按照硫酸镍25g/L，氯化镍5/L，硫酸钴15g/L，次磷 酸钠30g/L，柠檬酸钠60g/L，硫酸铵50g/L，硫酸镧5g/L的配比制备成化学 镀液，调整其pH值为10。
2.制备耐磨颗粒浆体：取粒度5μm的碳化硼颗粒50g，加入100mL水， 超声搅拌30min。
3.施镀：以颗粒(氮化硅和碳化硼各50％)含量40％的铝基复合材料 为样品，先将样品经过除油、酸洗粗化、二步浸锌等处理后，将其浸渍在温 度为85℃的化学镀液中反应，反应开始30s后，加入耐磨颗粒浆体100ml/L， 形成施镀液；每隔15min，调整施镀液的pH值为9-10，施镀1h，得到厚度 为10μm的复合镀层。扫描电镜能谱分析该复合镀层的组分为：镍45wt.％， 钴45wt.％，镧2wt.％，磷3wt.％，B4.7wt.％；微观形貌显示，碳化硼颗粒 在复合镀层中弥散分布，占复合镀层面积的30％。
4.镀层性能测试：该复合镀层的显微硬度为HV0.011000，摩擦系数0.12，带 有该复合镀层的铝基复合材料在0-200℃的膨胀系数为1.1×10-5/K，将其浸在 150℃的沸腾热油中100h，没有发生鼓包现象。
