一种Ni／P-Ni／P／PTFE-PTFE复合涂层的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及金属表面防护涂层技术领域，具体为一种Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层制备方法及应用。

背景技术

化学镀镍层具有优良的耐腐蚀性、耐磨性和可焊性等综合物理和化学性能，被广泛应用于航空、航天、石油化工、机械、电子、计算机、汽车、食品包装、模具、医疗、纺织等领域。化学镀是通过溶液中的还原剂使金属离子在金属表面的自催化作用下进行还原的金属沉积过程。但是，随着现代科学技术的发展，在这些领域对机械零部件的耐腐蚀性和耐磨性的要求也越来越高，单一化的化学镀镍越来越不能满足工业发展的需求，因此具有良好的耐腐蚀性和耐磨耐性的复合化学镀逐渐发展起来。复合化学镀是以原有化学镀为基础并兼有基质金属与复合颗粒两类物质的综合性能，复合颗粒的加入有利于改变镀层的组织结构和性能，不同颗粒种类对镀层有不同的作用。目前，人们对各种单质金属或非金属，氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、金刚石或石墨等各种颗粒的复合化学镀及其镀层性能都有一定的研究。在工业应用中，主要关注的是镀层的耐磨损性和耐腐蚀性，多数研究都是从这两方面入手。

复合化学镀得到的镀层虽然比单纯的化学镀的镀层性能更好，但是也存在许多问题，如：镀层耐蚀性、耐磨性不是很理想，加入的颗粒不能均匀的附着在镀层中，以及存在孔隙等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层的制备方法及应用，该方法应用于机械零部件的表面可以提高耐腐蚀性能、耐磨性和自润滑性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层的制备方法，在基体表面直接施镀形成Ni/P镀层，Ni/P镀层表面复合化学镀形成Ni/P/PTFE过渡层，Ni/P/PTFE过 渡层表面喷涂聚四氟乙烯涂层作为表面层；

采用化学镀在零件表面施镀镍磷镀层底层，具体如下：

(1)除油

去除零件表层的油污，除油液配方如下：

Na₂CO₃：15～20g/l，Na₃PO₄·12H₂O：20～30g/l，Na₂SiO₃：10～15g/l，OP-10：1～3g/l，余量为水；

除油液温度为40～60℃，同时采用超声波，超声波频率为28或40kHz、处理时间为10～30分钟；

(2)酸洗

(3)化学镀

镀液以次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍作为主盐，附加络合剂、加速剂、稳定剂，镀液的配方如下：

硫酸镍：20～30g/l；

次亚磷酸钠：30～40g/l；

络合剂配方： 

乙酸钠：15～25g/l；

丙酸：10～20g/l；

DL-苹果酸：20～30g/l；

甘氨酸：5～10g/l；

EDTA：5～10g/l；

柠檬酸钠：20～40g/l；

加速剂配方： 

丁二酸：20～30g/l；

稳定剂配方： 

乙酸铅(Pb²⁺)：2～8ppm；

硫脲H₂NCSNH₂：2～8ppm；

余量为水； 

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：80～90℃、时间：60～120分钟、镀速：10～20μm/小时，镀液在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行镍磷沉积，镀上一层 均匀完整的镀层，镀层厚度为15～30μm；

(4)复合化学镀 

镀液以次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍作为主盐，附加络合剂、加速剂、稳定剂，镀液的配方如下：

硫酸镍：25～35g/l；

次亚磷酸钠：30～40g/l；

络合剂配方： 

乙酸钠：15～25g/l；

丙酸：10～20g/l；

DL-苹果酸：20～30g/l；

甘氨酸：5～10g/l；

EDTA：5～10g/l；

柠檬酸钠：20～40g/l；

加速剂配方： 

丁二酸：20～30g/l；

稳定剂配方： 

乙酸铅(Pb²⁺)：1～5ppm；

硫脲H₂NCSNH₂：1～5ppm；

PTEF乳液(固体份含量50～70wt％)：3～5ml/L；

余量为水； 

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：80～90℃、时间：30～60分钟、镀速：10～15μm/小时；镀液在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行镍磷沉积，即可镀上一层均匀完整的Ni/P/PTFE过渡层，Ni过渡层厚度为5～15μm；

采用喷涂法制备零部件氟树脂涂层，具体实施如下：

涂料配置：按质量百分比计，1～10％纳米SiO₂粉末加90～99％PTFE粉末，球磨3～5小时；

喷涂压力：3～5标准大气压；

喷涂距离：200～300mm；

粉末粒度：180目过筛；

氟树脂涂层厚度为30～80μm。

所述的Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层的制备方法，镍磷镀层底层中，Ni与P的重量比为1：(0.08～0.13)。

所述的Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层的制备方法，Ni/P/PTFE过镀层中，PTFE重量含量为5～20％，其余为Ni和P，Ni与P的重量比为1：(0.08～0.13)。

所述方法制备的Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE复合涂层的应用，复合涂层用于高腐蚀性真空泵体表面、半导体装备、科学仪器、生物制药、医疗或化工化学工艺中，复合涂层抵抗高腐蚀性气体的腐蚀，提高机械零部件的使用寿命。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明采用化学镀、复合化学镀和氟涂层技术对机械零部件表面实施涂层，能显著提高材料的耐腐蚀性能、自润滑性和化学稳定性。

2.本发明能够在金属零部件表面直接施镀Ni/P镀层，之后复合化学镀Ni/P/PTFE过渡层，最后喷涂聚四氟乙烯(PTFE)涂层作为表面层。从而，将化学镀、复合化学镀和氟涂层技术有机地结合，形成特定厚度、结构和性能的Ni/P-Ni/P/PTFE-PTFE牢固结合的复合涂层。

3.本发明方法可以在Ni/P镀层表面连续施镀Ni/P/PTFE过渡层，且厚度可控，结合强度高。

4.本发明方法添加的PTFE为亚微米级粉末，可以均匀分布在化学镀液中。

5.本发明制备的防护涂层能有效地提高零件的耐腐蚀性能、自润滑性和机械零件运行的稳定性，延长使用寿命。

6.本发明方法成本低、效率高，可以制备各种金属零部件的表面防护涂层，其专用装置结构简单、实用，操作方便。

附图说明

图1(a)-(b)为本发明化学镀装置、复合化学镀装置示意图。其中，图1(a)为化学镀装置；图1(b)为复合化学镀装置。

图2为本发明涂层断面扫面电镜形貌。

其中，1.镀槽；2.镀液；3.零件；4.转架；5.镀槽；6.复合镀液；7.零件；8.转架。

具体实施方式

下面通过附图和实施例进一步详述本发明。

图1(a)所示，化学镀装置包括镀槽1、镀液2、零件3、转架4等，镀槽1中装有镀液2，转架4上安装零件3，通过转架4的转动可带动零件3在镀液2中转动，在零件3表面直接施镀形成均匀的Ni/P镀层。

图1(b)所示，复合化学镀装置包括镀槽5、复合镀液6、零件7、转架8等，镀槽5中装有复合镀液6，转架8上安装零件7，通过转架8的转动可带动零件7在复合镀液6中转动，在零件7的Ni/P镀层表面复合化学镀形成Ni/P/PTFE过渡层。

本发明采用化学镀在零件表面施镀镍磷镀层底层，具体如下：

(1)除油

去除零件表层的油污，除油液配方如下：

Na₂CO₃：15～20g/l，Na₃PO₄·12H₂O：20～30g/l，Na₂SiO₃：10～15g/l，OP-10：1～3g/l，余量为水；其中，OP-10乳化剂，市售产品，来源：沈阳试剂商店。

除油液温度为40～60℃，同时采用超声波，超声波频率为28kHz、处理时间为20分钟；

为了提高除油效果，同时采用超声波，超声波可以强化除油过程，缩短除油时间，提高工艺质量；

(2)酸洗(常规)；

(3)化学镀

如图1(a)所示，将零件3放于镀槽1内的转架4上，使零件3在镀液2中缓慢旋转。 

镀液以次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍作为主盐，附加络合剂、加速剂、稳定剂，镀液的配方如下：

硫酸镍：28g/l；

次亚磷酸钠：35g/l；

络合剂配方： 

乙酸钠：22g/l；

丙酸：15g/l；

DL-苹果酸：25g/l；

甘氨酸：8g/l；

EDTA(乙二胺四乙酸二钠)：6g/l；

柠檬酸钠：30g/l；

加速剂配方： 

丁二酸：25g/l；

稳定剂配方： 

乙酸铅(Pb²⁺)：5ppm；

硫脲H₂NCSNH₂：5ppm；

余量为水。 

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：85℃、时间：120分钟、镀速：15μm/小时，镀液在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行镍磷沉积，即可镀上一层均匀完整的镀层。本实施例的镍磷镀层底层中，Ni与P的重量比为1：0.1，镀层厚度为20～25μm。镀层达到所需的厚度后，迅速将零件放入复合化学镀槽。

(4)复合化学镀 

如图1(b)所示，零件7放于镀槽5内的转架8上，使零件7在复合镀液6中缓慢旋转。 

镀液以次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍作为主盐，附加络合剂、加速剂、稳定剂，镀液的配方如下：

硫酸镍：28g/l；

次亚磷酸钠：35g/l；

络合剂配方： 

乙酸钠：22g/l；

丙酸：15g/l；

DL-苹果酸：25g/l；

甘氨酸：8g/l；

EDTA(乙二胺四乙酸二钠)：6g/l；

柠檬酸钠：30g/l；

加速剂配方： 

丁二酸：25g/l；

稳定剂配方： 

乙酸铅(Pb²⁺)：5ppm；

硫脲H₂NCSNH₂：5ppm；

PTEF乳液(固体份含量60wt％)：4ml/L；

余量为水。 

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：85℃、时间：30分钟、镀速：12μm/小时；镀液在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行镍磷沉积，即可镀上一层均匀完整的Ni/P/PTFE过渡层。本实施例的Ni/P/PTFE过镀层中，PTFE重量含量为10％，其余为Ni和P，Ni与P的重量比为1：0.1，过渡层厚度为5～7μm。

本发明采用喷涂法制备零部件氟树脂涂层，具体实施如下：

涂料配置：按质量百分比计，1～10％纳米SiO₂粉末加90～99％PTFE粉末(本实施例中，5％纳米SiO₂粉末加95％PTFE粉末)，球磨4小时，180目过筛；

喷涂压力：3～5标准大气压；

喷涂距离：200～300mm；

粉末粒度：180目过筛；

本实施例中，氟树脂涂层厚度为30～40μm。

如图2所示，基体表面直接施镀形成Ni/P镀层，Ni/P镀层表面复合化学镀形成Ni/P/PTFE过渡层，Ni/P/PTFE过渡层表面喷涂聚四氟乙烯(PTFE)涂层作为表面层，其厚度可控，结合强度高，其性能指标和实验数据如下：

复合涂层中性盐雾试验超过1000小时，结合力通过250℃热震实验，水接触角大于105度。

实施例结果表明，本发明在高腐蚀性真空泵体表面、半导体装备、科学仪器、生物制药、医疗和化工化学等工艺中，防护涂层可以长时间抵抗高腐蚀性气体的腐蚀，提高机械零部件的使用寿命。