一種在碳鋼表面制備鎳基非晶涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種在碳鋼表面制備鎳基非晶涂層的方法。
【背景技術】
[0002]非晶材料作為金屬存在的特殊形式，具有高耐腐蝕性、高耐磨損性、高硬度以及優越的裝飾性能，在交通、通訊、航空、航天等領域有著廣泛的應用領域。但是現有非晶材料制備工藝復雜，限制了其在一些領域的應用。由于非晶材料脆性極大，并在大氣環境下極易迅速在表面形成一層惰性的氧化層，因此采用常規的方法在金屬表面制備非晶涂層受到一定的限制。目前，非晶材料制備方法主要為晶體生長，工藝復雜且設備昂貴，生長速度慢。
[0003]在碳鋼表面制備涂層是提高碳鋼耐腐蝕性能的重要方法，在某些條件下表面涂層需要一定的硬度等性能，因此常用化學鍍等方法制備晶體涂層，但該種涂層的耐腐蝕性并不理想，尋找一種在碳鋼表面制備非晶涂層，提高涂層的耐腐蝕性能同時，使涂層具備良好的綜合性能是目前急需解決的問題。

【發明內容】

[0004]針對現有碳鋼表面涂層制備技術上存在的問題，本發明提供一種在碳鋼表面制備鎳基非晶涂層的方法，通過對化學鍍工藝的改進，在碳鋼基體表面制備非晶涂層，提高涂層的綜合性能。
[0005]本發明的方法按以下步驟進行:
1、電導:將碳鋼基體置于水中，采用全膜式氣壓離子交換器進行電析，控制水的電導率為15~60 μ S/cm，然后向水中加入乳化劑OP，控制OP在水中的濃度為2.5~5mg/L,電析l~5h獲得具有表面活性的電導碳鋼基體；
2、去應力:將電導碳鋼基體置于去應力溶液中，浸泡8~20h，然后取出用水將表面清洗干凈，再在160~200°C條件下烘干13~20h，獲得去應力碳鋼基體；所述的去應力溶液為OP和偏硅酸鈉水溶液，OP濃度為2~60g/L，偏硅酸鈉的濃度為12~50 g/L ；
3、脫脂:將去應力碳鋼基體放入脫脂溶液中，在溫度45~75°C和攪拌條件下，向脫脂溶液中加入焦磷酸鈉，至焦磷酸鈉的濃度為0.5-50 g/L，保溫4~35min，然后取出用溫度60±5°C的水將表面清洗干凈，再用常溫水清洗表面2~5min，獲得脫脂碳鋼基體；所述的脫脂溶液為脂肪酸乙二醇脂和平平加水溶液，脂肪酸乙二醇脂的濃度為5~16 g/L，平平加濃度為 18-35 g/L ；
4、中和:將脫脂碳鋼基體置于中和液中浸泡2~50s，取出后用常溫水清洗表面2~5min，獲得中和碳鋼基體；所述的中和液為富馬酸、吐溫和乳酸水溶液，富馬酸的濃度為11~78 g/L，吐溫的濃度為12~36 g/L，乳酸的濃度為5~38 g/L ；
5、定晶:將中和碳鋼基體置于溫度為50~78°C的定晶液中，浸泡20~30s，取出后用水將表面清洗干凈，然后置于重量濃度10~52%的正磷酸鈉水溶液中，浸泡20~30s，取出后用水將表面清洗干凈，獲得定晶碳鋼基體；所述的定晶液為氧化鋯、六次甲基四胺、正磷酸和硫酸媽的水溶液，氧化錯濃度為0.2-52 g/L，六次甲基四胺的濃度為1.5-50 g/L，正磷酸的濃度為2~8 g/L，硫酸鈣的濃度為5~48 g/L ；
6、表面調整:將定晶碳鋼基體置于調整液中，浸泡20~30s，取出后用水將表面清洗干凈，獲得調整碳鋼基體；所述的調整液為偏硅酸鈉、氯化鈣和六次甲基四胺水溶液，偏硅酸鈉的濃度為2~75 g/L，氯化鈣的濃度為1.5~25 g/L，六次甲基四胺的濃度為2~19.5 g/L ；
7、活化:將調整碳鋼基體置于活化液中，浸泡20~30s，取出后用水將表面清洗干凈，獲得活化碳鋼基體；所述的活化液為氟化氫銨、氯化氫和硫脲水溶液，氟化氫銨的濃度為12-95 g/L，氯化氫的濃度為25~255 g/L，硫脲的濃度為2~9.5 g/L ；
8、非晶處理:將活化碳鋼基體置于非晶處理液中，在溫度為48~96°C和電流密度為l~15A/dm 2的條件下處理15~240min，取出后用水將表面清洗干凈，獲得具有鎳基非晶涂層的碳鋼基體；所述的非晶處理液為鎢酸鈉、硫酸鎳、富馬酸、蘋果酸、次磷酸鈉、乙酸鈉、丁二酸、乳酸、潔晶劑α-羥基丙烷三羥酸鈉和助晶劑甘氨酸水溶液，鎢酸鈉的濃度為2~50 g/L，硫酸鎳的濃度為2?75 g/L,富馬酸的濃度為0.5-20 g/L,蘋果酸的濃度為2~39 g/L,次磷酸鈉的濃度為10~40 g/L，乙酸鈉的濃度為1~35 g/L，丁二酸的濃度為1~30 g/L，乳酸的濃度為2~50 g/L，潔晶劑α-羥基丙烷三羥酸鈉的濃度為0.1~38 g/L，助晶劑甘氨酸的濃度為 0.1-22 g/L ο
[0006]上述的鎳基非晶涂層的厚度為15~100 μπι。
[0007]上述的鎳基非晶涂層為非晶態涂層，其中鎳的重量百分比為80~95%，鎢的重量百分比為2?18%,余量為雜質，雜質為丙烯酸脂、聚氨脂和其他不可避免雜質。
[0008]上述的鎳基非晶涂層的硬度為HV600~1200，磨損率最大為1.02 g/am2，腐蝕速率
3.6g/am2。
[0009]上述方法中，鎳基非晶涂層在制備完成后進行固膜處理，能夠提高非晶涂層的強度和韌性，改進非晶涂層的表面狀態，使非晶涂層表面改性，提高硬度和磨損率，方法為:將具有鎳基非晶涂層的碳鋼基體置于溫度80~100°C的濃度0.05~lg/L氧化鋯水溶液中浸泡3~20min，然后再150~200°C和惰性氣氛條件下烘干至少20min ;如果鎳基非晶涂層在制備完成后沒有及時進行固膜處理，可將碳鋼基體置于重量濃度0.1-10%的烷基醇酰胺水溶液中，浸泡90~180min，然后再進行固膜處理。
[0010]上述方法中，如果制備鎳基非晶涂層過程中產生滲氫，會造成晶格扭曲，內應力增大，產生脆性，使非晶涂層晶化，耐腐蝕性降低，發生上述情況時將具有鎳基非晶涂層的碳鋼基體按上述方式進行固膜，然后進行封閉處理，封閉處理的方法是將固膜完成后的碳鋼基體置于溫度40~90°c的封閉溶液中，浸泡至少120min ;所述的封閉溶液為檸檬酸和EDTA二鈉水溶液，檸檬酸的濃度為2~10g/L，EDTA 二鈉的濃度為2~45 g/L。
[0011]本發明的方法原理是通過電導增加水的活度，激活碳鋼表面；通過去應力改善基體內部環境，增大與非晶層結合強度；通過脫脂潔凈基體表面；通過中和去除殘留的少量的脫脂液；通過定晶改性基體表面，使表面處于定向有序狀態；通過表面調整:激活基體表面，增大非晶層結合強度及成膜的速度及厚度；通過非晶處理獲得非晶層。
[0012]本發明的方法通過合理的非晶處理工藝，不采用含氰、鉻及氟的成分，減少了環境污染，操作簡便，制備的具有鎳基非晶涂層硬度高，熱震960次表面無變化，沒有裂紋，具有優良的耐腐蝕性能和耐磨損性能，并且外表美觀，能夠用于裝飾材料。
【具體實施方式】
[0013]本發明實施例中采用的碳鋼為45#鋼。
[0014]本發明實施例中采用的全膜式氣壓離子交換器為市購產品。
[0015]本發明實施例中采用的OP、偏硅酸鈉、焦磷酸鈉、富馬酸、吐溫、乳酸、氧化鋯、六次甲基四胺、正磷酸、硫酸鈣、氯化鈣、氟化氫銨、鹽酸、硫脲、鎢酸鈉、硫酸鎳、蘋果酸、丁二酸和次磷酸鈉為分析純試劑。
[0016]本發明實施例中采用的脂肪酸乙二醇脂為分析純試劑。
[0017]本發明實施例中采用的平平加為分析純試劑。
[0018]本發明實施例中采用的烷基醇酰胺為分析純試劑。
[0019]本發明實施例中采用的檸檬酸和EDTA 二鈉為分析純試劑。
[0020]本發明實施例中采用的乙酸鈉為無水乙酸鈉分析純試劑。
[0021]本發明實施例中采用的水為去離子水。
[0022]本發明實施例中采用的潔晶劑α -羥基丙烷三羥酸鈉和助晶劑甘氨酸為市購產品O
[0023]本發明實施例中的氧化鋯溶液是將氧化鋯溶于乳酸中，然后滴入水中獲得。
[0024]實施例1
將碳鋼基體置于水中，采用全膜式氣壓離子交換器進行電析，控制水的電導率為15 μ S/cm，然后向水中加入乳化劑OP，控制OP在水中的濃度為2.5mg/L，電析5h獲得具有表面活性的電導碳鋼基體；
將電導碳鋼基體置于去應力溶液中，浸泡8h，然后取出用水將表面清洗干凈，再在200°C條件下烘干20h，獲得去應力碳鋼基體；去應力溶液中OP濃度為2g/L，偏硅酸鈉的濃度為15 g/L ;
將去應力碳鋼基體放入脫脂溶液中，在溫度75°C和攪拌條件下，向脫脂溶液中加入焦磷酸鈉，至焦磷酸鈉的濃度為0.5 g/L，保溫35min，然后取出用溫度60±5°C的水將表面清洗干凈，再用常溫水清洗表面2min，獲得脫脂碳鋼基體；脫脂溶液中能夠脂肪酸乙二醇脂的濃度為16 g/L,平平加濃度為35 g/L ；
將脫脂碳鋼基體置于中和液中浸泡50s，取出后用常溫水清洗表面2min，獲得中和碳鋼基體；中和液中富馬酸的濃度為llg/L，吐溫的濃度為36 g/L，乳酸的濃度為38 g/L ；將中和碳鋼基體置于溫度為78°C的定晶液中，浸泡20s，取出后用水將表面清洗干凈，然后置于重量濃度52%的正磷酸鈉水溶液中，浸泡30s，取出后用水將表面清洗干凈，獲得定晶碳鋼基體；定晶液中氧化鋯濃度為0.2 g/L，六次甲基四胺的濃度為1.5 g/L，正磷酸的