化学镀NiMoP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-Mo-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 10 日摘 要本文介绍了化学镀镍技术的原理、特点和国内外发展历史，着重介绍了一套完整的镍钼磷化学镀工艺。 通过在试样上进行化学镀镍钼磷试验,分析了镀液中各成分的作用。为获得质量好的化学镀镍钼磷镀层，在参考相关工艺研究的基础上，进行 16次化学镀镍钼磷 试验。 试验结果用电子显 微镜、表面 观察等方法进行研究，获 得了一套镀层质量好的化学镀镍钼磷工艺，其中镀液配比为：硫酸镍25g/L，次亚磷酸 钠28g/L ，柠檬酸钠20g/L ,乳酸5g/L，醋酸钠15g/L， 丁二酸15g/L ，十二烷 硫酸钠0.02g/L , 钼酸钠从0到1.5g/L， pH值用氨水调节到8.58.8，施镀温度在8590 之间，时间t为120min时，即能得到较好的效果。 在摩擦磨损试验仪上进行磨损实验，试验 表明在500g的载荷条件下随着摩擦速度的提高，平均摩擦系数先变大再变小，最大摩擦系数逐步变大，而磨损率呈下降趋势。关键词：镍钼磷，化学镀，摩擦磨损Research of Friction and Wear Property of Electroless Ni-Mo-P Plating Electroless nickel plating technology and principle, characteristics and the development history is introduced in this article, and this paper especially presents a complete set of Ni-Mo-P chemical plating technology. Through the sample on metallic material electroless Ni-Mo-P plating experiment, the different role of every ingredient in electroless plating solution is analysed. For getting the best conditions of electroless Ni-Mo-P plating technology on metallic material, in reference to related technology research and through 16 times testing of electroless Ni-Mo-P plating on metallic material , test results with the observation of electronic microscope and eyes for plating surface of workpiece explores a set of good electroless Ni-Mo-P processes, including: Nickel sulfate 25g/L, Inferior sodium phosphite 28g/L, Sodium molybdate from 0 to1.5 g/L, Sodium citrate 20g/L , Lactic acid 5g/L , Sodium acetate 15g/L , Succinic acid 15g/L ,PH for 8.5 to 8.8 with the adjustment by ammonia, plating temperature in 90 degrees Celsius, the time for 120min. And there will be a good effect according to the above-mentioned method .On the friction and wear tester for wear test, the tests show that the500g load conditions along with the rising of the friction speed, the average friction coefficient, the maximum friction coefficient while the wear rate assumes the drop tendency.Keywords: Ni-Mo- P, Chemical plating 目 录1 前言 .12 实验材料及方法 .22.1 试验方案 .22.2 化学镀层的制备 .22.2.1 主要实验材料及仪器 .22.2.2 工艺流程 .22.2.3 化学镀镍前处理 .22.2.4 化学镀镍钼磷溶液的组成及作用 .42.2.5 施镀与施镀过程中的影响因素 .72.3 摩擦磨损实验 .102.3.1 试验设备及原理 .102.3.2 试验过程 .113 实验结果与分析 .123.1 钼酸钠用量对镀层化学成分的影响 .123.2 摩擦速度对磨损率的影响 .133.3 摩擦速度对镀层摩擦系数的影响 .144 结论 .15谢辞 .16参考文献 .1711 前言随着科技的发展，各种新材料层出不穷，化学 镀为了适应这种发展的需要， 所涉及的基体材料已由钢铁扩展到了不锈钢、铝及铝合金、塑料、玻璃、陶瓷等， 而且应用的基体形状由比较规则的块体、板材发展到了各种不规则的微粒 1 ，从而进一步地拓宽了化学镀的研究领域。对化学镀镀层的前期研究主要着眼于耐磨及耐蚀性能，而现在有不少研究是针对其电学、磁学性能。电镀是在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀 液中预镀金属的阳离子在金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。化学镀是指在没有外加 电流的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体形成镀层的一种表面加工方法。与电镀相比，化学镀具有其自身特点。不管零件如何复杂，其 镀层厚度都很均匀；镀层外观良好，晶粒 细，无孔，耐蚀性更好；无需电 解设备及附件；能在非金属（塑料、玻璃、陶瓷等）以及半导体上沉积。化学镀的缺点是溶液稳定性差，使用温度高，寿命短 2。化学沉积镍磷合金镀层厚度均匀，不依赖与沉工件表面的形状及尺寸，且具有优良的耐磨、耐腐蚀和电 磁屏蔽等性能，被广泛的应用与化学、机械 电子、及仪器表等行业。随着科学技 术的不断发展，已有的化学沉积镍磷二元镀层已难满足工业界对材料表面性能提出的越来越高的要求，特别是现代化学工业对防腐蚀的要求。化学镀镍钼磷的特点：（1）镀层是化学介的结合，不脱落，不龟裂，结合力 远远高于电镀。（2）具有高硬度和高耐磨性。（3）镀层系非晶态，孔隙小，表面光洁，在许多地方可替代不 锈钢。（4）镀层厚度十分均匀，误差在2m 左右，即有很好的“ 仿型性”，镀后不需要磨削加工。（5）在肓孔、管件、深孔及缝隙的内表面可得到均匀镀层。化学镀由于其独有的特点，所以从诞生之日起，就引起了各国研究者的广泛关注。化学镀镍的实用化实验 从 1946 年开始的。当年，美国的布朗勒在研究合成石油的时候，偶然发现了次 亚磷酸钠能还原金属镍的现象。他抓住这个现象，深入研究，于 1947 年研发出了化学镀镍的工艺。此后，化学镀镍钼磷在非金属电镀等工业领域获得广泛的应用。由于它具有比化学镀镍更多的优点，尤其在非金属电镀方面，其优良的稳定性和镀层性能，使之在很多场合取代了化学镀铜，镍。我国化学镀镍起步较晚，在工业应用方面还存在不少问题，如镀液不够稳定，沉积速度慢，使用周期短，成本高等 4 。近年来，我国加快了化学镀镍技术研究 2，化学镀镍技术水平和应用发展迅速，通 过不断地研究与探索 ，一些技 术问题逐步得到解决 ，化学镀镍技术在我国的工业应用日益广泛。据不完全统计，我国化学镀镍已有 300 多家，最大单槽镀液已达 38 m3 ，为亚洲之最。国外知名品牌化学镀镍浓缩液纷纷进 入中国市场，21 世纪的化学镀镍将进入一种更加成熟、更加蓬勃发展的时期 1。2 实验材料及 方法2.1 试验方案通过改变钼酸钠的含量分为 16 组镀液，然后分析不同钼酸钠含量试验结果，分析随着钼酸钠的改变，镀层中钼以及磷的含量。摩擦磨损试验在 MS-T3000 型摩擦磨损试验仪上进 行，通过分析在设定的转度、载荷与摩擦距离下试块 的质量损耗大小，来探索转速、 载荷、摩擦距离分别对镀层摩擦损耗的影响，从而分析出镀层的耐磨性能。2.2 化学镀层的制备2.2.1 主要实验材料及仪器本实验所用的是 A3 钢试样，使用规格为 25mm x 40mm x 0.8mm。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），PHB 笔型 pH 计,DZKW-D-2 型电热恒温水浴锅。2.2.2 工艺流程化学镀镍的工艺路线：A3 钢板材样片 预磨样 片 清洗 除油 清洗 酸洗 清洗化学镀镍 清洗 干燥封装。2.2.3 化学镀镍前处理 镀覆前处理在整个镀覆过程中是一道非常重要的工序，镀覆前制件的表面质量是保证和提高镀覆层质量的先决条件，无论是对于调制钢化学镀还是其他非金属的化学镀，镀前的预处 理对于成功地进行后边的流程都是相当重要的。被镀覆制件在形成过程中，表面可能被油脂、氧化皮、绣痕、各种润滑剂、脱膜剂等沾污，它 们的存在将影响镀 覆层的完整性，使 镀覆层 出现起泡、脱皮、麻点、花斑3等疵病。有些金属制件表面往往是粗糙的，在粗糙、锈蚀或油污的金属制件表面上，不可能获得结合力牢固、防腐蚀性能良好的镀覆层， 对一些装饰性镀层前需要进行磨、抛光，才能获得令人满意的装饰性效果，对非金属材料镀覆前必须经过各种特殊前处理才能得到完整的、结合力良好的镀覆层。被镀覆材料的基体表面形成镀覆层，都是在基体表面和化学溶液之间的界面完成的。因此，基体表面状况将直接影响镀覆层的质量。被镀覆制件在成形过程中，表面状况各不相同，需要用各种不同的方法进行前处理。 实践证明，镀覆层出现各种瑕疵，在很大程度上是由于镀覆前处理不当造成的，而这 一点却往往容易被人 们所忽视。所以 镀覆层质 量的好坏既受化学溶液组成和操作条件影响，也受基体表面状况制约，要 获得 优质的镀覆层， 选择合适的镀覆前表面处理工艺是十分重要的。在化学镀前，基材表面需要进行的前处理流程包括：除油、除脂、清洗等 过程。（1） 预磨试样将试样的两工作面在砂轮上打磨，其目的是除去工件表面划痕、焊渣、 锈污、氧化皮以及其它表面杂质和缺陷，从而获得平整光滑的表面。（2） 清洗对待镀的试样进行清洗，洗去其上上的杂质， 这是十分必要的，也进一步提高了镀件的外观质量。（3） 除油 为了保证在被镀覆金属产品的表面获得高质量的镀层，必须在镀覆过程之前，预先除去零件表面的油 污。试验样品在平时的储藏中为了避免直接暴露在大气中而发生表面腐蚀，多都浸泡在机油槽中，然而我们在施镀前要对附着到基材表面的油污进行清洗，也不排除在试验过程中试样的污染，因此，要使其后的各 项流程得以顺利实施，去掉这些表面油污是非常重要的。金属表面的除油一般可以沿用日常工件表面处理的除油方式。但是要充分考虑被处理材料的物理、化学性质，不能造成表面的严重损害。一般除油方法可以可分为有机溶剂除油、化学除油。这两种方法相比，有机溶剂除油的特点是除油速度快，不腐蚀金属，但除油不彻底，需用化学法或 电化学方法进行补充除油，常用的有机溶剂有：碱液、酒精、 盐酸、三氯乙烯等。化学4除油是利用碱溶液的皂化作用和表面活性物质对非皂化性油脂的乳化作用，除去工件表面上的各种油污的。化学除油应用最广的是碱液除油，本试验使用的除油液是由氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠的混合溶液，当温度通常达到 60-80 度之 间将试件放入除油液中处理即可。酸洗除油工艺适应于油污、锈蚀不多的钢铁件镀前处理，这既可减少生产设备，由可减少酸蚀过程中的酸 雾污染。由于酸洗溶液对清洗渗入氧化层的油污具有独特的效果，故可在镀前 处理中作为碱性除油的补充。它依据的不是对油污的皂化作用、溶剂的溶解作用，而是以强氧化作用来破坏有机物。但是，要防止时间过长对表面造成伤害。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。常有的化学除油药品是氢氧化钠，碳酸钠，磷酸钠等。除油配方 为： 氢氧化钠（4060 g/L）碳酸钠（2030 g/L），硅酸钠（510 g/L）温度为7080 ，除 净为止。检验除油是否达到效果的方法很简单，就是看 经过除油处 理的制品表面是否亲水。在本实验中除油效果采用目测的方法，即工件表面能完全被水 润湿就是油污完全除尽的标志 1。 (4) 酸洗活化将样品用清水冲洗后，浸泡在 20%盐酸溶液中大约 1-5 分钟，等样品表面出现大量气泡均匀附着在样品表面是就可以了， 说明已经清洗干净。2.2.4 化学镀镍钼磷溶液的组成及作用本实验所需要用到的主要试剂有：硫酸镍，次亚磷酸钠，乳酸，醋酸 钠，钼酸钠，丁二酸，十二烷硫酸钠，柠檬酸钠等。 镀液主要成分及作用见表1。16种镀液具体成分见表2。表 1 化学镀镍液的主要成分及作用成分 作用 化学镀镍液主盐络合剂还原剂镀层中镍的来源使 Ni2+生成 稳定的络合物，并防止沉淀生成催化脱氢，将镍离子还原成金属镍，形成镍磷合金镀层硫酸镍，钼酸钠柠檬酸钠、氯化铵次亚磷酸钠表 2 镀液成分及分组情况5硫酸镍（g/L）柠檬酸钠（g/L）次磷酸钠（g/L）醋酸钠（g/L）乳酸（g/L）十二烷（g/L）钼酸钠（g/L）1 25 20 28 15 5 0.02 02 25 20 28 15 5 0.02 0.13 25 20 28 15 5 0.02 0.24 25 20 28 15 5 0.02 0.35 25 20 28 15 5 0.02 0.46 25 20 28 15 5 0.02 0.57 25 20 28 15 5 0.02 0.68 25 20 28 15 5 0.02 0.79 25 20 28 15 5 0.02 0.810 25 20 28 15 5 0.02 0.911 25 20 28 15 5 0.02 1.012 25 20 28 15 5 0.02 1.113 25 20 28 15 5 0.02 1.214 25 20 28 15 5 0.02 1.315 25 20 28 15 5 0.02 1.416 25 20 28 15 5 0.02 1.5施镀条件：pH 值 8.58.8温度 8590镀液中各组分作用：镀液分组6（1） 主盐镍、钼盐是镀液的主盐，作用是提供镍、钼离子， 在化学原反应中为氧化剂。可供采用的镍盐有硫酸镍（NiSO 4）、醋酸镍、氯化镍 。常用硫酸镍，绿色结晶配成的溶液为深绿色，可供采用的 钼盐有钼酸钠， 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） 还原剂选用次亚磷酸钠为还原剂，其本身分解产生出磷原子进入镀层，以Ni-Mo-P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