鋁合金表面Ni-SiC復合鍍層的制備方法及其電鍍液的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及金屬材料表面改性技術領域，具體是一種侶合金表面Ni-SiC復合鍛層 的制備方法。
[0002]
[0003] 專用于侶合金發(fā)動機氣缸內腔表面抗拉耐磨的Ni-SiC復合鍛層的制備生產(chǎn)和應 用。
【背景技術】
[0004] 銘金屬鍛層表現(xiàn)出眾多優(yōu)越性能，如高耐蝕性，高強度和硬度W及在高溫下低氧 化速率和較好的強度保持性，解決了發(fā)動機氣缸抗磨、抗拉問題，提高了發(fā)動機的工作可靠 性，延長了發(fā)動機的使用壽命，但電鍛硬銘工藝會導致嚴重的環(huán)境問題，因而需要引入清潔 生產(chǎn)的概念，尋找新的替代工藝。Ni-SiC復合鍛層具有良好的耐磨潤滑性能，符合國際環(huán)保 標準。相對于鍛銘工藝，其主要特點為:①克服了現(xiàn)有鍛銘工藝六價銘對環(huán)境的嚴重污染； ②在硬度、耐磨、耐蝕等主要性能上相當或優(yōu)于鍛銘。
[0005] 在侶合金表面沉積Ni-SiC復合鍛層，并已有專利和文獻提及將此工藝應用于鑄造 侶合金發(fā)動機氣缸內腔的表面強化。
[0006] 一種采用電解浸蝕法對侶合金進行前處理的專利CN1192487已經(jīng)公開。所述電解 浸蝕法是W侶合金為陽極、不溶性電極為陰極并向電解液提供電流來實現(xiàn)，適用于娃具有 微小的凹凸形狀且含量超過4.5wt%的侶合金的電鍛前處理。電解侵蝕法完成后侶合金新 鮮基體裸露在空氣中，基體表面沒有屏蔽層而會再次生成氧化層，直接進行電鍛會影響基 體與鍛層的結合力。
[0007] 陽極氧化法也是進行侶合金的前處理的一種方法，在侶合金表面形成多孔氧化物 涂層，既可避免侶合金基體與空氣和水接觸再次生成氧化膜，又可作為電鍛的錯定層。但 是，該氧化物涂層并沒有在侶合金表面形成凹凸形狀的粗糖表面，且最終W中間層存在于 侶合金基體與電鍛層之間，降低了鍛層的結合力。
[000引另一種侶合金的前處理工藝鋒酸鹽轉化法應用廣泛，所述鋒酸鹽轉化法經(jīng)過酸性 氯化鐵熱溶液處理后能獲得粗糖度大的凹凸表面，對鍛層具有機械錯定及咬合作用，增強 鍛層與基體的結合力。兩次浸鋒工藝使侶合金表面獲得致密的鋒置換層，避免侶合金開始 電鍛前再次氧化。且所述的鋒阻擋層在酸性電鍛液中迅速溶解，從而不會形成在侶合金與 鍛層之間的中間層。經(jīng)過鋒酸鹽轉化法進行前處理的侶合金，再進行電鍛獲得鍛層，鍛層與 侶合金之間存在良好的結合力，能夠保證鍛層在實際應用環(huán)境下的力學性能。CN1192487專 利中提到鋒酸鹽轉化法處理侶合金的工藝流程，但具體的配方并沒有給出?！稊埌杷俣葘H 合金表面電鍛Ni-SiC的影響》、《Ni-SiC復合電鍛技術在摩托車侶合金缸體上的應用研究》 和《發(fā)動機缸體Ni-SiC耐磨鍛層的研究》在鑄造侶合金表面進行Ni-SiC復合電鍛，文中也未 詳細給出侶合金的前處理工藝條件。
[0009] Watts型電鍛液和氨基橫酸鹽型電鍛液是目前應用較為廣泛的兩種電鍛液。在氨 基橫酸鹽型電鍛液中獲得的鍛層的應力較小，且氨基橫酸鹽型電鍛液更廣泛于電鑄工藝。 Watts型電鍛液成分簡單、操作條件易于控制，在Watts型電鍛液中獲得的鍛層的初性好，且 硫酸儀溶解度大，純度高，價格便宜，因此選擇Watts型電鍛液作為光亮鍛儀、復合鍛儀的母 液得到更廣泛應用?！赌湍i-SiC復合鍛層的研制及應用》中采用的是氨基橫酸儀體系，用 于二沖程發(fā)動機侶合金氣缸的表面處理。文章中指出氨基橫酸儀體系的復合電鍛工藝中的 電流密度應小于2A/dm 2,否則不能保證復合鍛層中的碳化娃的含量。顯然，采用小于2A/dm2 的電流密度，沉積速度慢，生產(chǎn)效率低。
[0010] 日本專利 JPA1995157898、JPA1995188990、JPA1995188993、JPA1998140390、 肝A2000104198五個專利中均提到同一個電鍛液配方，該配方中未添加表面活性劑，復合鍛 層中碳化娃的含量低。且運五個專利重點研究中空工件內表面沉積Ni-SiC的復合電鍛裝 置。美國專利US3640799(A)，該專利使用的電鍛液中沒有添加表面活性劑，而是采用增大電 鍛液中碳化娃微粒的濃度、減小碳化娃的尺寸的方法，期望獲得碳化娃含量較高的復合鍛 層，但運樣做效果并不明顯。雖然鍛層中碳化娃的含量隨著鍛液中碳化娃的濃度的增加而 增加，但鍛液中碳化娃微粒的濃度過大時，不僅增大了碳化娃微粒對鍛層表面沖刷刮磨作 用，更易掩蓋吸附活化點，反而影響了碳化娃的沉積速度及在復合鍛層中的沉積量。電鍛液 中碳化娃微粒濃度越高、尺寸越小，越容易發(fā)生團聚，需要更大的攬拌強度更長的攬拌時 間，使碳化娃微粒均勻懸浮在電鍛液中，從而增加了能耗和生產(chǎn)成本?！秱H合金表面Ni-SiC 復合鍛層的摩擦磨損性能》和《侶合金表面電沉積Ni-SiC復合鍛層的研究》采用同一種配方 在化108侶合金表面進行復合電鍛，電鍛液由硫酸儀、氯化儀、憐酸和碳化娃組成。電鍛過程 中，采用3(K)r/min的攬拌速度對電鍛液進行機械攬拌。當電鍛液中碳化娃的濃度高達120g/ L時，復合鍛層中的碳化娃體積百分含量僅為8.5%，運說明僅僅依賴機械作用向陰極表面 輸送碳化娃微粒對于獲得高碳化娃含量的復合鍛層的效果并不明顯。因此需要向電鍛液 中添加離子型表面活性劑，離子型表面活性劑在電鍛液中水解成離子，離子吸附在碳化娃 微粒表面，改善碳化娃微粒的分散性和潤濕性的同時使碳化娃負電，負有電荷的碳化娃能 在電泳作用下向陰極表面運動，與儀離子實現(xiàn)共沉積，從而提高了復合鍛層中碳化娃的含 量。
[0011] 《侶合金基電沉積Ni-SiC復合鍛層技術的研究》中作者在長期生產(chǎn)實踐的基礎上 對鋒酸鹽前處理工藝進行適當改進，并采用改進工藝進行化105侶合金前處理。該文獻通過 對Ni-SiC復合電鍛工藝進行系統(tǒng)研究，優(yōu)選得到最佳Ni-SiC復合電鍛的電鍛液配方是，W Watts鍛液為基礎液，加入碳化娃、咪挫嘟型XCG陽離子表面活性劑和脂肪醇聚氧乙締酸型 F-1非離子表面活性劑，組成復合電鍛液，電流密度為5A/dm2,溫度為50°C，采用機械攬拌， 獲得含2~5wt%碳化娃微粒的復合鍛層。該文獻采用陽離子表面活性劑與非離子表面活性 劑相結合的方法，電鍛液中碳化娃濃度高達1 OOg/L，但復合鍛層中碳化娃含量并不高。運是 因為非離子表面活性劑會增大電鍛液的極化作用，使Ni2+沉積速度減慢，對沉積速度有一定 程度的抑制作用，且非離子表面活性劑不易使碳化娃微粒與基質金屬發(fā)生共沉積，使鍛層 中碳化娃的共析量減少。
[0012] 《Ni-SiC電結晶沉積層的阻抗譜及SiC顆粒對Ni沉積的影響》使用了十六烷基Ξ甲 基漠化錠表面活性劑，沒有添加糖精鋼。糖精鋼對鍛層有明顯的細晶、消除應力及平整作 用。該論文旨在研究Ni-SiC復合體系的電沉積阻抗特征，并沒有對復合鍛層的性能進行研 究。
[0013] 中國專利CN1227282《侶合金發(fā)動機氣缸中內壁儀陶(Ni-SiC)復合電鍛工藝》，其 申請文件稱：電鍛過程中，最佳的電流密度范圍為2~50A/dm 2;鍛液中碳化娃微粒的濃度為 lOOg/l;使用的表面活性劑為十二烷基苯橫酸鋼。十二烷基苯橫酸鋼的分散作用和界面活 性及濕潤作用均較差。采用高電流密度、高碳化娃濃度，易造成復合鍛層沉積速率過快而出 現(xiàn)鍛層組織粗大、鍛層中碳化娃含量低、碳化娃分布不均勻的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)不含碳化娃的 惡性瘤狀組織，出現(xiàn)的運些現(xiàn)象直接影響復合鍛層的硬度耐磨性等性能。
[0014] 現(xiàn)有技術中，復合電鍛液由硫酸儀、氯化儀、棚酸、碳化娃、糖精鋼和十二烷基硫酸 鋼組成。
[0015] 因此，確定侶合金的前處理工藝的流程及操作工藝，控制Ni-SiC復合電鍛的鍛液 配方與參數(shù)條件，實現(xiàn)侶合金表面高硬度高耐磨性Ni-SiC復合鍛層的制備對Ni-SiC復合電 鍛技術在航空航天等工業(yè)領域的應用具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0016] 為克服現(xiàn)有技術中存在的鍛層組織粗大、鍛層中碳化娃含量低、碳化娃分布不均 勻的不足，本發(fā)明提出了一種侶合金表面Ni-SiC復合鍛層的制備方法。
[0017] 本發(fā)明的具體實施方法為：
[001引步驟1:機械整平。
[0019] 步驟2:表面清洗。所述的表面清洗是通過熱堿液脫脂、丙酬除油。在表面清洗時， 將3g/L化0H，30g/L化2C〇3,30g/L化3P〇4配制的堿液加熱至80~90°C，反應時間為3~5min， 然后用75~85°C熱水沖洗2min，再用去離子水沖洗2min。放入裝有丙酬的燒杯中，在超聲波 下震蕩5~lOmin，除去非肥皂化油脂。
[0020] 步驟3:重金屬浸蝕。侶合金浸入酸化的氯化鐵熱溶液中，W能獲得粗糖表面。所述 重金屬浸蝕是將去離子水加熱至85~95°C，依次向熱水中添加20g/LFeCl3、25ml/LHCl，攬 拌至FeCl3完全溶解，侶合金浸入溶液后，表面開始出現(xiàn)小氣泡時開始計時，反應時間為 15s。去離子水沖洗2min。
[0021] 步驟4:去除侶合金表面的氧化膜。通過酸洗去除所述侶合金表面的氧化膜。在通 過酸洗去除所述侶合金表面的氧化膜時，酸洗的工藝參數(shù)為:常溫下，用75 % volHF與25 % VO1HN03配制酸洗溶液。酸洗的反應時間為3~5 s。
[0022] 步驟5: -次浸鋒。將侶合金浸在強堿性的鋒酸鹽溶液中，使侶合金的氧化膜被溶 解，在侶合金基體表面形成鋒置換層。浸鋒工藝為：用LNaOH、LZnO、LC4H4KNa化· 4出0、LFeCl3 和LNaN〇3制浸鋒溶液，反應時間為30s。所述LNaOH: LSiO: LCAM^aOs · 4出0: LFeCb和LNaN〇3 = 1:0.1:1:0.04:0.02;所述的比例為質量比。配制所述浸鋒溶液的溫度為25~30°C;配制 中及使用中均須將所述浸鋒溶液充分攬拌均勻。
[0023] 步驟6:除去侶合金表面的鋒置換層。通過酸洗除去侶合金表面的鋒置換層。將表 面有鋒置換層的侶合金基體置于酸洗溶液中，25~30°C下反應時間為3~5s。所述的酸洗溶 液用75%vol的HF與25%vol的HN03,采用常規(guī)方法配制而成。
[0024] 步驟7:二次浸鋒。重復步驟5,對除去侶合金基體表面的鋒