（材料科学与工程专业论文）纺织钢领化学镀nip及nip碳纤维复合镀工艺研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 化学镀是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面的自催化作用下还 原进行的金属沉积过程，其实质是化学氧化还原反应，有电子转移，无外电源的化 学沉积过程。化学复合镀是在普通化学镀基础上，通过加入高硬度、高耐磨性的 复合粒子发展起来的一种表面处理技术。复合镀层在基本保留原普通镀层的性能 优点的同时，较大幅度地提高了普通化学镀层的硬度及耐磨性。该技术在机械、 电子、纺织及化工等行业有着广泛的应用前景。本文采用碳纤维作为复合粒子， 系统研究了化学镀n i p 及n i - p 一碳纤维复合镀的工艺规律以及镀层的热处理工 艺。 本论文中的试验以纺织钢领为基本试样，通过在其表面进行化学镀n i p 及 n i p 一碳纤维复合镀，并经过一定的热处理，以达到提高钢领耐磨性的目的。本文 通过正交试验，对化学镀n i - p 镀液中络合剂的种类和配比进行了优化，对复合镀 n i p 一碳纤维中颗粒的浓度、稳定剂的浓度以及搅拌方式进行了优化。同时，本文 对两种镀液的稳定性以及镀层的镀后热处理工艺进行了较系统的研究，用s e m 和 x r d 的方法研究了热处理前后两种镀层表面形貌和结构的变化，结果表明： 化学镀n i p 镀液中络合剂的种类和浓度、稳定剂的种类和浓度以及还原剂的 浓度都对镀液的寿命起关键作用；而在化学复合镀n i p 碳纤维过程中，搅拌方式 起到关键作用。 化学镀n i p 镀层在镀态下为非晶态，经过一定的热处理后转变为晶态，同时 镀层的硬度提高；化学复合镀n i p 碳纤维镀层在镀态下为非晶态的n i - p ，其中镶 嵌有晶态的碳纤维，此时的复合镀层硬度较低，碳纤维与基质镀层为简单的机械 结合。复合镀层经过一定的热处理后，非晶态的n i p 基质转变为晶态，析出n i ，p 金属间化合物，对镀层起到强化作用。同时，碳纤维与基质镀层形成牢固的化学 结合，弥散分布于基质镀层之中，起到第二相强化作用。化学复合镀n i p 碳纤维 镀层较合理的热处理工艺为：3 4 0 保温8 小时，热处理后的镀层硬度可达i - i v l 2 0 0 ， 而且保证镀层中的碳纤维不被氧化。在相同的热处理工艺条件下，化学镀n i p 一碳 纤维复合镀层的耐磨性要优于普通n i p 镀层。 关键词：钢领，化学镀n i p ，化学复合镀，碳纤维，热处理 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t e l e c t r o l e s sp l a t i n gi sam e t a ld e p o s i tp r o c e s so nt h em e t a ls u r f a c ew h e r et h em e t a l l i c i o n sa l er e d u c e db yr e d u d n ga g e n ta n dt h es e l f - c a t a l y s to f m a t r i xm a t e r i a l s m e c h a n i s m o fe l e c t r o l e s sp l a t i n gp r o c e s si sr e d o xr e a c t i o nw h 盯et h e r ei sae l e c t r o n st r a n s f e ra n dn o e l e c t r i c a ls u p p l yi nt h ep r o c e s s e l e e t r o l e s sc o m p o s i t ep l a t i n gi sat e c h n o l o g yo fs u f a c e t r e a t i n gb a s e do ne l e c t r o l e s sp l a t i n gp r o c e s sb ya d d i n gc o m p o u n dp a r t i c l e sw i t hl l i 曲 h a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n t a n c e c o m p o s i t ed e p o s i t eh a v ea l la d v a n t a g e so fn o r m a l d e p o s i t ea n dc o m p o u n dp a r t i c l e s t h i ss u r f a c et r e a t i n gt e c h n o l o g yh a sw i d ea p p l i c a t i o n i nm e c h a n i c a li n d u s t r yf i e l d s ，e l e c t r o n i c a li n d u s t r yf i e l d s ，t e x t i l ei n d u s t r yf i e l d sa n d c h e m i c a li n d u s t r yf i e l d s 1 1 1 ct e c h n i c a lp r o c e s sa n dh e a tt r e a t m e n to fe l e c t r o l e s sp l a t i n go fn i pa n d n i - p - c a t h o nf i b e r ( c 0w a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h eo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st o i m p r o v ew e a l - r e s i s t a n c eo fs p i n - r i n g sb ye l e c t r o l e s sp l a t i n go fn i pa n dn i p c fa n d h e a tt r e a t m e n t t h ec o n c e n t r a t i o no fc o m p l e x i n ga g e n t , r e d u c i n ga g e n ta n ds t a b i l i z e r w e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t t h ec o n c e n t r a t i o no f c f , s t a b i l i z e ra n ds t i rw e r ea l s o o p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t t h es o l u t i o ns t a b i l i t yo ft w op r o c e s sa n dt h e i r h e a t t r e a t m e n tw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h es u r f a c em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r eo f ( c o m p o u n d ) p l a t i n gw a ss t u d i e db ys e ma n dx r d n e r e s u l t ss h o wt h a t ： 田圮l i f e - s p a no fn i - ps o l u t i o ni sd e t e r m i n e db yt h ec o n c e n t r a t i o na n ds p e c i e so f c o m p l e x i n ga g e n ta n ds t a b i l i z e r , a n ds t i rm e t h o dp l a yak e yr o l ei ne l e c t r o l e s sn i p c f c o m p o s i tp l a t i n g t h ea s - d e p o s i tm i c r o s t r u c t u r eo fe l e c t r o l e s sn i pp l a t i n gi sa m o r p h o u ss t a t e ，a n d w i l lb et r a n s f o r m e dt oc r y s t a l l i n es t a t ea f t e rh e a tt r e a t m e n tw h i l et h eh a r d n e s so f p l a t i n g i si m p r o v e d t h es t r u c t u r a lf e a t u r eo fe l e c t r o l e s se o m p o s i tp l a t i n go fn i p c fi sa c o m b i n a t i o no fa m o r p h o u sn i pm a t r i xa n dc fe m b e d d i n gi nt h em a t r i x a tt h i s t r e a t m e n tc o n d i t i o n , t h el o w e rh a r d n e s so fc o m p o s i t ep l a t ! i n gi so b t a i n e d t h e c o n n e c t i o nb e t w e e nc fa n dn i pm a t r i xi sm e c h a n i c a lb o n d i n g b u tt h ea m o r p h o u sn i p m a t r i xw i l lb ec h a n g e dt oc r y s t a l l i n ea f t e rc e i t a i nh e a tt r e a t m e n t t h ec o m p o s i t ep l a t i n g i ss t r e n g t h e n e db e c a u s ei n t e r m e t a l l i c sn i 3 pa r ep r e c i p i t a t e d m e a n w h i l e ，t h ec o n n e c t i o n b e t w e e nc fa n dn i - pm a t r i xi sd i s c o v e r e dt oc h a n g et oc h e m i c a lb o n d i n g t h ec f d i s p e r s e di nm a t r i xl a y e ra n dc o m p o s i t ep l a t i n gi ss t r e n g t h e n e da g a i nb e c a u s eo ft h i s s e c o n d - p h a s ed i s p e r s i o n t h ea p p r o p r i a t eh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r so fn i - p c f 重庆大学硕士学位论文英文摘要 c o m p o s i t ep l a t i n gi s3 4 0 c x 8 h t h em i c r o h a r d n e s so fp l a t i n gr e a c h e dm o r et h a n h v l 2 0 0w i t h o u tt h eo x i d a t i o no fc t h ew e a r - r e s i s t a n c eo fn i p - c fp l a t i n gi sb e t t e r t h a nt h a to f n i - pp l a t i n ga i l e rs 锄eh e a tt r e a t m e n t k e y w o r d s ：s p i n r i n g s ，e l c c t r o l c s sp l a t i n go fn i p e l e c t r o l e s sc o m p o s i t cp l a t i n g , c a r b o nf i b e r , h e a tt r e a t m e n t 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名“曰i # 高 签字日期： 棚6 年，月妒；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖友堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽态堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( y ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名“刁、孛茸 签字日期：伊年，月工；日 导师签名： 阁臣 签字日期西b 6 年且猫 重庆大学硕士学位论文1 引言 1 引言 1 ，1 纺织钢领概述 1 1 1 纺织钢领及其使用性能 钢领是纺织机械细纱机及捻线机上卷捻部分的一个非常重要的环状零 件，它与高速运转的钢丝圈组成一对摩擦副，是用量大、易磨损、频繁更换的零 件。钢领从结构上分，国内外主要有四大类：第一类是国内以p g 命名的平面钢领； 第二类是国内以z m 命名的锥面钢领；第三类是回转钢领；第四类是气隙导流钢 领。其中，回转钢领是较为常见的一种【l 】。钢领的质量对纺纱质量有着重要影响。 钢领质量的好坏，考核的第一个技术经济指标就是对不断提高的锭速的适纺程度 和断头率，第二个就是钢领寿命的长短【2 】。如何提高钢领使用性能，延长其使用寿 命，这对降低和稳定纺纱张力，减少断头，减少成纱毛羽，提高细纱产量质量， 节约钢材、能源等都有重大的现实意义。 上述考核纺织钢领质量优劣的两个指标是紧密相关的，一般而言，钢领的使用 性能好，则其使用寿命也会较长。因此，在生产实践上关键还是要保证钢领的使 用性能。钢领的使用性能是由钢领的工况条件和失效形式所决定的，由于钢领工 况条件较恶劣，失效形式也是多种多样的，所以生产实践上对钢领使用性能的要 求也是多方面的。概括起来主要有两大方面：纺织钢领要有较强的抗腐蚀性能和 较强的耐磨损性能。一般而言，化学镀n i p 合金镀层均匀、致密、孔隙少、硬度高， 因此，耐蚀性一般是较好的，基本能适应钢领的工作环境。钢领的耐磨损性能又 涉及到以下几方面：( 1 ) 表面光洁度：钢领的粘着磨损发生在相互接触的凸突部 分，这些凸突部分易被粘合剪切；其疲劳磨损也与表面形貌有很大关系，因此钢 领表面的光洁度对钢领磨损的影响很大。一般经过精磨抛光处理的钢领较机械磨 光处理的钢领使用寿命长，所以提高钢领使用性能和寿命，必须提高钢领工作表 面的光洁度。( 2 ) 摩擦系数：摩擦系数是钢领使用性能中最重要是指标之一，一 般要求钢领工作表面的摩擦系数低，而且稳定性好。较低的摩擦系数可以在基体 表面形成易滑移的表面层，减少表层材料的塑性变形量和摩擦热所产生的工作温 度，还可以避免由于摩擦高温而产生的一系列问题。如由于热激活作用会使钢领 组织发生相变和分解，转变相内会产生显微裂纹，相变组织还会使钢领热处理得 到的机械性能发生改变，特别是硬度和屈服强度的降低，所以钢领表面摩擦系数 的降低相应地可提高钢领的抗粘着性能、抗热疲劳性能、抗接触疲劳性能。( 3 ) 硬度：对钢领而言，提高基体表层硬度，可以增加表层塑性变形的抗力，从而减 少粘着磨损。基体表层硬度增加，接触疲劳强度也随之增加，抗接触疲劳能力也 重庆大学硕士学位论文 1 引言 增大，接触疲劳寿命也就越长。在中低硬度范围内接触疲劳极限与硬度成正比。( 4 ) 残余应力：最大切应力是造成钢领接触疲劳的最大危害应力，而钢领的残余应力 可抵制和减缓最大切应力的有害作用，它既能阻止疲劳裂纹的形成和扩展，又可 以在裂纹尖端应力集中，有效地降低拉应力的集中，适当的残余应力可以大大地 提高钢领的抗疲劳能力，因此钢领表面残余压应力并有一定的深度，最佳位置是 残余压应力最大值在切应力最大值处，对提高钢领抗接触疲劳和耐磨性均有利。 ( 5 ) 屈服强度：屈服强度是金属材料的最重要力学性能指标之一，是设计选材及 处理的主要依据。材料的抗热疲劳能力与其屈服强度有很大关系，钢领由于摩擦 热而引起的热应力超过钢领的屈服强度时就会产生塑性变形，而热疲劳裂纹通常 起源于钢领工作表面，萌生在热应力应变最大处，所以提高钢领的屈服强度就可 以提高钢领抗热疲劳能力，另外提高屈服强度还可以提高材料的接触疲劳强度， 从而减少由于交变压应力作用而产生的接触疲劳。( 6 ) 热学性能：钢领的抗热疲 劳能力还与其热学性能有很大的关系。为减少钢领在工作过程中的变形和温升， 提高钢领的抗热疲劳能力，应尽量减少钢领的热膨胀系数，增大钢领的比热和导 热系数【3 1 。 综上所述，钢领的使用性能主要是应具有较高的表面光洁度；具有较低且稳定 的摩擦系数；具有适当的表面硬度、心部硬度、硬化深度及较平缓的硬度梯度； 另外还应具有尽可能高的屈服强度、较小的热膨胀系数、较高的比热和导热系数。 一般情况下，在上述诸多的使用性能中，我们比较关注的是钢领的表面光洁度和 硬度指标，因为这两个指标既具有代表性，又较容易确定。一旦能使钢领获得较 好的使用性能，就能延长钢领的使用寿命，从而就可以全面的提高钢领的质量。 1 1 2 纺织钢领的主要失效形式 钢领工作时的基本情况为：钢丝圈长期在钢领跑道上高速运转，而它与钢领 接触面积很小，所以接触压应力很高并足以引起塑性变形，且其表面温度较高， 严重时表面金属会局部软化或熔化，导致接触区发生牢固粘着或焊合。由此可见， 磨损失效是钢领失效的主要形式，是造成钢领失效后纺纱性能衰退和质量下降的 主要原因。根据文献报道 4 - 】，钢领磨损形式有粘着磨损、接触疲劳磨损、热疲劳 磨损、氧化腐蚀磨损、磨粒磨损、微动磨损。其中粘着磨损、接触疲劳磨损和热 疲劳磨损是钢领是主要磨损失效形式，在磨损前期以粘着磨损为主，后期以粘着 磨损和疲劳磨损交替进行，但以疲劳磨损为主。 粘着磨损是在正向载荷作用下，两接触固体表面相对滑动时产生的。钢领钢 丝圈之间一般不加润滑剂，其自然形成的润滑状态由于摩擦温度和相对滑动速度 较高而受到破坏，高温下所形成的氧化膜由于压应力较大而受破坏，导致两金属 表面直接接触。当接触面上微突体相互接触时将承受整个载荷，产生很高的应力， 2 重庆大学硕士学位论文 1 引言 致使许多的凸突部分产生塑性变形并紧密地接触，这时两个表面的凸突部分产生 粘着、焊合。当接触表面有相对滑动时，粘合点即被剪切，使得金属从一个表面 向另一个表面转移，从而产生粘着磨损。其特征是转移的材料往往以大的团块和 冷焊形式粘着在配对面上，从失效的钢领表面可以观察到很多不规则的粘着物和 凹坑。 影响粘着的因素可分两类，一类是材料性质，另一类是工作条件。第一，材 料性质方面：( 1 ) 粘着点的断裂一般发生在内聚力较弱的材料中；( 2 ) 一般六方 晶体结构金属材料的粘着力比体心和面心立方金属材料都要低些；( 3 ) 互溶度很 高的两个纯金属间具有很高的粘着和焊和能力，因此，要避免使用同种材料组成 摩擦副；( 4 ) 一般高原子密度、低表面能的晶面做表面时粘着力低，粘着磨损率 也低；( 5 ) 微量元素如碳、硫对金属及合金的粘着有较大的阻滞作用，从而降低 粘着磨损；( 6 ) 一般多相金属比单相金属的粘着倾向要小些，金属化合物比单相 固容体的粘着倾向也小些。第二，工作条件方面主要是载荷的大小及运转时间对 粘着磨损有较大的影响，粘着磨损与载荷及运转时间成正比，与较软材料的硬度 成反比。 疲劳磨损是在交变应力的作用下，表面出现的破坏形式。其作用机理是由于 表面受到循环的弹性变形，导致表面纤维裂纹的形成与扩展，使表面材料发生剥 落或形成小凹坑( 麻点) 。疲劳磨损与粘着磨损不同，后者的产生一般依赖于固体 的直接接触，而前者的产生既可以通过固体直接接触传递应力，也可以通过润滑 传递应力来实现。影响疲劳磨损除上述的应力外还有材料的表面形貌及环境等， 表面形貌影响接触应力，表面粗糙度( r a ) 低的材料的疲劳磨损则小，摩擦副中 若有一定的润滑剂将大大提高抗疲劳磨损能力。 钢领表面主要承受的应力有交变压应力、切应力、热应力，所以钢领的疲劳 磨损又可分由压应力产生的接触疲劳磨损和由热应力产生的热疲劳磨损两种形 式。 上述的粘着磨损、接触疲劳磨损和热疲劳磨损是钢领的主要的失效形式，对 钢领的使用性能和寿命影响较大。氧化腐蚀磨损和磨粒磨损在钢领中也有产生， 但不是主要失效形式，对钢领的使用性能和寿命影响较小。 至于减少磨损失效以提高钢领使用性能和使用寿命的措施，除在设计几何形 状、合理选择摩擦副材料、合理选择润滑液与润滑方式等方面进行改进外，提高 钢领使用性能和使用寿命最有效、最经济的方法是对钢领进行恰当的表面处理， 尤其是对表面进行耐磨处理，比如，提高材料表面硬度、降低表面粗糙度值、采 用特殊的表面处理工艺等等。本课题的改进方法就属于一种钢领表面处理方法， 通过这种方法，可提高钢领的表面硬度，从而提高它的使用寿命。 重庆大学硕士学位论文 1 引言 l 。1 3 国内9 1 、纺织钢领的研究现状 国外钢领的使用寿命，锭速在1 3 7 0 0 1 5 4 0 0 r m i n 时，一次性使用寿命一般为3 8 年( 一次性使用寿命是指新钢领上车安装使用后，中途不需要下车进行水磨等处 理，一直用到钢领失效为止) 。目前，世界上较先进的纺织钢领的使用寿命如表1 1 所示。 表1 。1 国外钢领使用寿命 钢领制造厂锭速( r i m i n )使用寿命( 年) 日本金井公司 1 4 0 0 0 1 5 0 0 0 5 8 瑞士立达公司 1 4 5 0 04 爱迪“马拉松” 1 3 8 0 02 5 日本金井公司的钢领属国际先进水平，其主要特点是使用寿命长，具有代表 性。金井k s 型钢领有以下特性：几何成型优于普通钢领。它带安装底座，热处 理变形小，成型合理，适纺各种纤维，适配各种钢丝圈；钢领通过所谓“h i g h - r i c h ” 热处理，能适应多变的工作条件要求，其稳定性好，寿命大为延长；钢领表面 经过特殊整饰，走熟期大为缩短，钢丝圈一开始即可平稳运行。 日本金井公司对钢领的选料、加工以及热处理方法进行了充分的分析。为了提 高钢领的耐磨性和缩短走熟期，该公司非常注重选材，热处理和表面处理。钢领 经过渗碳淬火，表面硬度为h v 7 5 0 - 8 5 0 ，表面渗碳层深度为0 6 0 8 m m ，表面含碳 量为0 8 5 ，淬火温度控制在7 2 6 1 2 左右。在表面处理方面，该公司加工的钢领， 内外成型几何形状精度很高，内外跑道粗糙度为r a 0 2 1 加2 5 ，使钢领抗楔性能好， 与钢丝圈匹配平稳，钢领在使用中断头率低，走熟期短，毛羽纱少，纺纱张力平 稳，寿命长。 国产钢领的使用寿命在锭速1 5 0 0 0 r m i n 左右时，一次性使用寿命一般为1 2 - 1 8 个月左右。锭速为1 6 0 0 0 r m i n 时，行星抛光或振动抛光的光面钢领使用1 4 + 月左右， 皂球处理钢领1 5 2 年，氮化处理钢领1 5 以年，镀铬钢领可达3 5 年。可见，目前 国内钢领与日本金井钢领相比，最大差距是一次性使用寿命低。表1 2 所示为几种 国产钢领的表面处理工艺及使用寿命： 国产钢领现在一般采用2 0 冷轧带钢冲压成型，质量不稳定，时有冲裂现象， 与精车匹配困难，车削精度差，热处理变形大，这些都会造成产品质量不稳定， 从而影响钢领的使用寿命。而国外大多采用s 1 5 c ( 相当于1 5 号钢) 或中碳低合金 钢无缝钢管或轴承钢加工，制造精度高，热处理变形小。这对提高钢领使用寿命 4 重庆大学硕士学位论文 i 引言 都有决定性作用。 表1 2 国内钢领表面处理工艺及使用寿命 t a b l e1 2s u r f a c et r e a t m e n ta n dl i f e s p a no f d o m e s t i cs p i n n i n gr i n g s 生产厂家 表面处理工艺使用寿命 重庆纺织机械专件厂离子氮化处理2 年左右 郑州国棉三厂 钢领表面磁化渗硫2 年左右 上海纺织机械专件厂钢领表面镀硬铬 3 年 国产钢领在使用中，其走熟期、断头率以及纺纱张力等都与国外钢领水平相 近。这主要是国产钢领在精加工后，为了保证内外跑道的表面光洁度，经过了轧 光整形工艺，热处理后又经过了振动光饰或行星抛光等方法的表面处理，使钢领 内外跑道粗糙度达到r a o 2 ，降低了与钢丝圈配合运转中的摩擦阻力，而且钢领的 几何形状精确，与国产钢丝圈匹配合理。这对提高成纱质量起了主导作用。 综上所述，国产钢领要赶上国际先进水平，必须提高钢颁的使用寿命，适应 钢丝圈速度的提高。 1 1 4 常用钢领及其表面处理技术 目前国内外钢领使用的材料主要为低碳钢或低碳合金钢，热处理采用渗碳或 碳氮共渗等。各种新型钢领及其表面处理技术主要有以下几种 1 5 - 2 9 】： 光面钢领只改变钢领表面形态的抛光钢领，其表面光洁度高，无明显 加工痕迹，残余应力小，抗粘着、抗疲劳、耐磨损。 镀铬钢领利用通常的电镀硬铬工艺，在钢领表面镀上硬铬层，其最大的 特点是硬度高，耐磨损，使用时还会在表面生成一层氧化膜起润滑作用，抗疲劳 裂纹的产生，抗粘着磨损。但由于硬铬层硬度高，抗磨性强，上车后钢丝圈很难 与之“磨合”，故走熟期长。 化学镀n i p 和浸涂m o s 2 该表面处理工艺为通过化学反应在钢领表面 形成n i p 涂层，然后再增加一道m o s 2 浸涂工序。 激光处理非晶态钢领该工艺采用激光照射然后快速冷凝固，从而在钢领 表面形成一层非晶态及枝晶化的金属组织。 自润滑耐磨钢领是在钢领表面渗入并形成一层十分牢固的耐磨自润滑 膜，因此，其摩擦系数小而稳定，走熟期短，纺纱性能好，耐磨损，钢领使用寿 命大为延长。 超声波减磨钢领利用超声波振动，使得暴露于氧中的钢领表面在极短的 时间内迅速形成一层分子厚度的氧化层，并随时间逐步加厚，这层氧化层减小了 5 重庆大学硕士学位论文 1 引言 钢领与钢丝圈之间的摩擦，使钢丝圈几乎浮在钢领表面上，钢领与钢丝圈几乎处 于无摩擦的状态，从而可以减小它们之间的粘着磨损。 陶瓷钢领钢领采用高性能陶瓷制造，该材料具有高抗粘着磨损性能，耐 腐蚀，硬度高，在高温和高负载情况下，钢领和钢丝圈不会软化，而且钢领不需 要走熟期。 1 2 化学镀n i - p 概述 化学镀n i p 合金是一种在不外加电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面 上自催化还原沉积得到n i p 镀层的方法。当镀层沉积到活化的零件表面上，由于 镍具有自催化能力，它的还原过程还会自动进行下去，直到把零件取出镀槽为止。 化学镀n i p 溶液分为酸性和碱性两大类，酸性镀液中得至0 的镀层含磷量较高， 一般为8 1 3 5 ，镀层结构为非晶态，镀层硬度高，具有较好的耐磨性、自润滑性 和光泽性，其镀液操作条件为p h 6 ，温度为8 0 - - , 9 8 ( 2 ，而碱性镀液的磷含量较低 ( 小于7 ) ，一般为晶态结构。本实验所采用的镀液为酸性镀液，p h 为4 2 4 8 ， 温度为8 8 , - - 9 2 ，施镀时间为1 1 5 h 。 1 2 - l 化学镀n i p 合金镀层的理论基础 关于化学沉积n i - p 合金镀层的理论有许多种3 0 - 4 0 1 ，其中，催化理论较为普遍。 该理论可用以下几个过程来描述。 ( 1 ) 化学沉积n i p 合金镀液加热时不起反应，而是通过金属的催化作用，次 亚磷酸根在水溶液中脱氢而形成亚磷酸根。同时放出初生态原子氢。反应方程式 如式1 1 式1 3 。 h 2 p 0 2 - - - ，p 0 2 + 2 h 】 ( 1 1 ) p 0 2 + i - 1 2 0 - - * h p 0 3 2 - + 旷 ( 1 2 ) 或i - 2 p 0 2 - + h 2 0 - - - , h p 0 3 。- + h + + 2 h 1 ( 1 3 ) ( 2 ) 初生态原子氢被吸附在催化金属表面上而使其活化，使镀液中的镍阳离 子还原，在催化金属表面上沉积金属镍。反应方程式如式1 4 。 n i 2 + + 2 旧一n i 。+ 2 h + ( 1 4 ) ( 3 ) 在催化金属表面上的初生态原子氢使次亚磷酸根还原成磷；同时，由于 催化作用使次亚磷酸根分解，形成亚磷酸和分子态氢。反应方程式如式1 5 式1 6 。 h 2 p 0 2 - + h 】h 2 0 + o h + p 。 i - 1 2 p o r + i 2 0 - - + h h p o 】- 4 - i - h ? 由此得出镍盐被还原，次亚磷酸盐被氧化，总反应式为1 7 式： 6 ( 1 5 ) ( 1 。6 ) 重庆大学硕士学位论文 l 引言 n i 2 + + l - h p 0 2 - + h a o - - - + h p 0 3 2 - + 3h + + n j 。 ( 4 ) 镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金层。 ( 1 7 ) n i 十p n i p 合金( 固溶体或非晶态) ( 1 8 ) 根据上述可知，化学沉积n i p 合金与电镀不同之处在于：电镀是利用电能将 镍阳离子还原成金属镍并沉积在阴极上。而化学沉积是在无直流电源条件下，用 化学还原方法使镍阳离子还原成金属镍并沉积在催化金属表面上。由于铁、钴、 镍、钯、铂等金属及其合金都具有催化作用，因此上述合金材料都可直接沉积镍 磷合金，而且一旦开始后，由于镍的自身催化作用，这种氧化还原反应就会在镀 件各处均匀地连续不断地进行下去，从而获得定厚度的n i p 合金镀层。 为了保证镀层质量及镀液稳定性，在化学沉积过程中，除了需要及时地补充 由上述反应所消耗的主盐外，还需要在镀液中加入适量的络合剂、缓冲剂、稳定 剂、增速剂、光亮剂以及p h 调整剂等。因此，化学沉积n i - p 合金的实际反应比 上述反应要复杂的多。 化学沉积n i - p 合金镀液虽经多次修改，但对开始时的化学组成基本上没有变 动，主要的化学成分是镍盐、次亚磷酸盐和辅盐，化学沉积n i p 合金镀液可分为 酸性镀液( p h 4 7 ) 和碱性镀液( p h 8 1 1 ) 两种，在工业生产中酸性镀液最为重 要，为了获得较厚的高硬度n i p 合金层，应采用酸性镀液。 1 2 2 化学镀n i p 合金镀层的优点 化学镀n i p 合金现已广泛地用于钢、铜、铝、塑料、陶瓷等许多导体或非金 属材料的装饰和防护等各个方面。化学镀n i p 合金的应用日趋广泛，这主要是由 于以下几个原因【4 l 】： ( 1 ) 具有高硬度和耐磨性，在沉积状态下，镀层硬度为h v 4 9 0 , - , 6 8 8 ( h r c 4 9 - 5 5 ) , 4 0 0 c 热处理为h v 9 8 0 - - - 1 0 7 8 ( h r c 6 9 - 7 2 ) 。实验表明，在干燥和润滑 的情况下，具有相当于硬铬的耐磨性。因此，可用它来代替高合金材料和硬铬镀 层。 ( 2 ) 具有优良的抗蚀性，由酸性镀液化学沉积n i p 合金层的抗蚀性比碱性镀 液的优越，它在盐、碱、氨和海水中有很好的抗蚀性。5 0 1 2 5 “m 镀层可用作船 舶或石油转井平台上的零件，以抵抗海洋性气候的腐蚀。 ( 3 ) 化学沉积n i - p 合金无尖端电流密度过大现象，在尖角或边缘突出部位没 有过分的增厚，即有很好的“仿型性”，镀后不需要磨削加工。沉积层的成分和厚度 均匀，析出均匀性约在所定厚度的2 5 以内。 7 重庆大学硕士学位论文 1 引言 ( 4 ) 化学沉积n i - p 合金镀层空隙少、致密、表面光洁。 ( 5 ) 不需要直流电源，被镀零件无导电触点。 ( 6 ) 在盲孔、管件、深孔及缝隙的内表面可得到均匀镀层。 ( 7 ) 可沉积在金属( 钢铁、镍基合金和铝基合金) 和非金属( 玻璃、陶瓷和 塑料) 表面上，即在导体、半导体和非导体上均可沉积。 ( 8 ) 可使镀层具有特殊的物理、化学和机械性能。 ( 9 ) 不需要一般电镀时所需的直流电机或整流设备，节能、无环境污染、不 需要清水处理装置。 ( 1 0 ) 热处理温度低，在4 0 0 以下经不同保温时间后，可得到不同的硬度值。 因此，它不存在热处理变形问题，特别适用于加工一些精度要求高、形状复杂、 表面要求耐磨的零部件和工模具等。 ( 1 1 ) 无渗透性的限制，可用于大型、形状复杂的零部件和工模具的表面强化。 例如，机械制造和汽车制造工业中的大型拉延模，由于渗透性限制，无法用热处 理方法强化。在这种情况下可采用化学沉积n i p 合金层使其表面强化。 ( 1 2 ) 化学沉积的速率可控，一般为1 5 2 0 p , m h 。可用于修复零件和工模具 因磨削加工或磨损而引起的尺寸超差，使报废零件复用。 ( 1 3 ) 化学沉积n i p 合金不需要特殊和昂贵的工艺装备，成本比其它表面处 理强化低，很适宜用在中、小工厂单件或小批量生产。 ( 1 4 ) 化学沉积n i p 工艺简单，操作方便、工艺过程温度低。 由于化学镀n i p 合金具有上述特点，因此，它是一种极有应用前景的新型表 面强化技术，目前，在所有化学镀工艺中，化学镀镍的发展速度最快，应用范围 最广。 1 2 3 化学镀镍的发展前景 电子计算机、通信等高科技产业的迅猛发展，为化学镀技术提供了巨大的市场。 上世纪8 0 年代是化学镀技术的研究、开发和应用飞跃发展的时期，西方工业化国 家化学镀镍的应用，在与其它表面处理技术激烈竞争的形势下，平均年净增长速 率高达1 0 1 5 ，这是金属沉积史上空前的发展速度。专家学者预计，化学镀技 术将会持续高速发展，平均年净增速率将增加到6 0 以上，而进入发展成熟期。 由于化学镀镍层具有优异的均匀性、硬度、耐磨和耐蚀性等综合物理化学性 能，使得该项技术已经得到极其广泛的应用，几乎难以找到一个工业不采用化学 镀镍技术。据报道，化学镀镍技术在各个工业中的应用比例大致如下：航空航天 业：9 ，汽车摩托车工业：5 ，电子计算机工业：1 5 ，食品工业：5 ，机械工 业：1 5 ，核工业：2 ，石油化工：1 0 ，塑料工业：5 ，电力输送：3 ，印刷 工业：3 ，泵制造业：5 ，阀门制造业：1 7 , ，其它：6 。相信在今后几年内会 重庆大学硕士学位论文 1 引言 越来越广泛的应用该项技术，并逐步走向稳定和成熟。表1 3 列出了化学镀镍技术 的应用领域。 表1 3 化学镀镍的应用领域 t a b l e1 3a p p l i c a t i o no f e l c c t r o l e s sp l a t i n go f n i 汽缸、活塞、冷却水管、减振器、曲柄轴、火花塞、柴油机喷管、多 汽车工业口接头管、压缩机、蝶形阀、空气调节器零件、叉节销、变速器推杆 垫片、旋转轴类、发电机二极管、发动机主轴 板材、机架、外壳、活塞、塞、管、套管( 筒) 、油喷嘴、空速管、火 航空航天箭推进器管道、压缩机叶片、发动机主轴、叶轮、推进器轴、转子叶 片、伺服系统外壳、花键衬套、定子环、汽轮机叶片 计算机磁盘转动器、滚筒、硬磁盘、导轨 盒、密封电缆、微波装置、合成控制传动继电器、引线框架、电阻单 电子元件 元、电容器、插座和插塞、陶瓷基体、插头、插口、二极管套、压电 元件、p c 板、液晶器件 热交换器、泵、制罐头装置、皮带轮、切片支点、包装机、压滚、巧 食品工业 克力成型器 水利、原子能工业外壳，水轮机，储能电路、泵、真空壳体、汽缸箱 外壳、汽缸部件、泵、螺拴、高压零件、球轴、齿轮类、弹簧夹，增 化工机械 压器叶轮 工业 搅拌机、活塞杆、旋转接头、盖、反应釜、热交换器、轴承铭条 塑料金属模子、汽缸、成型螺栓、喷嘴、截断器、塑模、滑动杆 油压机器过滤器、泵、轴、远心分离机 石油外壳、测量环、旋转轴 印刷滚筒、印刷机、打字机、汽缸、托架 纤维丝道、皮带轮、接触板 照相机、光学 带齿卷盘、齿轮、金属模 船舶油轮用出水阀、汽缸压头 随着化学镀镍技术的不断完善和发展，各种类型的镀液快速发展以满足不同 的工艺需要。在镀液质量提高的基础上，化学镀镍生产线的装备和技术发展也很 快，逐渐从小槽到大槽，从手工操作、断续过滤、人工测定施镀过程中的各种参 数到自动控温、槽液循环过滤和搅拌、微机控制的生产线，能自动监测镀液p h 值 9 重庆大学硕士学位论文 1 引言 变化及n i 2 + 含量，并立即补加到位等智能自动化操作系统，大大提高了产品质量 和生产效率。 在学术研究方面，自从1 9 5 9 年美国召开第一届化学镀学术会议以后，陆续发 表了大量的论文及专利，还出版了有关专著，如ggg a w r i l o v ：h e m i c a t ( e l e c t r o l e s s ) n i c k e l - p l a t i n g1 9 7 4 ；g0 m a l l o r y ：e l e c t r o l e s sp l a t i n gf u n d m e n t a l sa n da p p l i c a t i o n 1 9 9 0 。美国电化学学会秋季年会( 暨美国固体电路制造学会年会) ，于1 9 8 9 年开始 建立化学镀学术研究报告专集。我国化学镀镍工业与国外相比起步晚，从1 9 9 2 年 首届全国化学镀镍会议召开以来，已历经7 届，每年都有大量的学术论文发表。 经过近1 5 年的推广与普及己进入快速发展时期。 目前化学镀镍技术的新进展【4 2 1 是长寿命化学镀镍工艺研究、低温低磷化学镀 镍工艺研究和化学复合镀，如n i p s i c 、n i - p p t f e 等。复合镀层比n i p 镀层有 更佳的耐磨性及自润滑性能；n i - f e - p 、n i _ - c o - p 及n i - c u - p 等三元镀层在计算机 及磁声记录系统中有广泛的应用。 1 3 课题的提出 1 3 1 研究目的和意义 目前，环锭细纱机在我国纺织工业占有最高比例，而钢领是环锭细纱机高速 生产的关键零件之一，它不仅易磨损、消耗量大，而且与纺纱质量有密切关系。 因此，提高钢领使用性能，延长其使用寿命，对于提高细纱产量质量、提高产品 档次，以及节约钢材、能源等都有重大的现实意义。进口纲领的质量较好，寿命 长，适纺性强，但价格高，且其技术一般保密；相比之下，国产钢领的技术性能 和使用性能都与国外产品有较大的差距。因此，自行研究生产高性能的纺织钢领 是很有必要的。 本课题的研究目的是：利用化学镀这种表面处理技术，在纺织钢领( 表面已 经过c n 共渗处理) 表面镀上一层n i p 合金层，利用纺织钢领表面n i p 合金层 的优良性能，在保证适当基体硬度的同时，提高钢领的表面光洁度和表面硬度， 从而达到提高钢领使用性能，延长钢领使用寿命的目的。在此基础上，进一步研 究化学复合镀n i p 碳纤维的工艺过程。 本课题针对纺织钢领这种具体的产品，利用化学镀及热处理的方法来提高其 使用性能，缩小国内同类产品与国外的技术差距( 国内钢领的使用性能和使用寿 命无法与国外的钢领相比，主要原因就是国产钢领的表面硬度和耐磨性较低) ， 提高我国棉纺织行业的经济效益和竞争力，因此，本课题具有一定的实际意义， 值得开展研究；相应的，我们会在研究的过程中充分考虑工业化应用的要求，使 实验成果尽可能快地转化为实际生产力，满足我国纺织行业对高性能纺织钢领日 l o 重庆大学硕士学位论文i 引言 益迫切的需求。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 用正交试验法确定化学镀n i p 基础镀液中添加剂的浓度配比，并通过测定 镀液使用寿命的方法来对比镀液的稳定性，最终确定镀液中的添加剂浓度 和稳定剂浓度； ( 2 ) 分析镀液中各种添加剂以及施镀过程中各项工艺参数对镀层及镀液本身的 影响： ( 3 ) 研究不同温度以及不同保温时间下n i p 镀层表面显微硬度的变化规律，并 用s e m 和x r d 分析热处理前后镀层表面形貌及结构的变化； ( 4 ) 用正交试验法确定化学复合镀n i p 一碳纤维镀液中的碳纤维浓度、稳定剂浓 度以及搅拌方式，并分析此三种工艺参数对镀液稳定性和镀层的影响； ( 5 ) 研究不同温度以及不同保温时间下n i p 一碳纤维复合镀层表面显微硬度的 变化规律，并用s e m 和x r d 分析热处理前后镀层表面形貌及结构的变化； ( 6 ) 用m r h - 3 高速环块磨损试验机测定3 4 0 x 8 h 热处理后n i p 镀层和n i - p 一 碳纤维复合镀层的摩擦系数，对比两种镀层的耐磨性。 重庆大学硕士学位论文2 化学镀n i p 合金工艺研究 2 化学镀n i p 合金工艺研究 该试验的内容主要有：工件预处理工艺的制定：镀液中添加剂浓度的确定； 镀液的稳定性试验；稳定剂浓度的确定：还原剂浓度的确定；热处理工艺的制定 等。 试验中的试样为重庆润丰纺织机械厂生产的钢领，材料为2 0 号钢，表面经过