Ni-W梯度材料及其製備方法

2023-12-08 08:46:16 2

專利名稱：Ni-W梯度材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種梯度材料及其製備方法，尤其是一種Ni-W梯度材料及其製備方法。
背景技術：
Ni-W梯度材料具有優良的耐磨、耐蝕、耐酸和抗高溫氧化性能，被廣泛用於鑄造模具、熱鍛模具、軸承、注塑用螺杆等的表面強化，還可作為熱沉材料使用。Ni-W梯度材料的製備研究目前國內外尚無報導，但在Ni-W合金材料的製備方面國內有較少的報導。目前，國內外Ni-W合金材料的製備方法主要有電沉積法、真空燒結法和真空熔煉法。應用脈衝電沉積技術能夠減弱析氫反應，有利於消除氫脆、點蝕、降低應力，並且能有效地提高電流效率。《江南大學學報(自然科學版)》2006年03期報導了脈衝電沉積Ni-W合金鍍層的摩擦磨損性能，其利用脈衝電沉積方式在45鋼製備出了 Ni-W合金鍍層。研究表明，合金鍍層的高溫耐磨性能明顯優於45鋼。原因在於，W的加入細化了晶粒，提高了合金鍍層的顯微硬度，起到了固溶強化和晶界強化的作用。同時，由於W有高熱導性、高溫紅硬性以及抗氧化等特點，阻止了由高溫氧化造成的塑形變形和熱粘著，提高了鍍層的耐磨性能。但是，採用這種方法製備的Ni-W合金鍍層中，W含量含量較低，一般保持在60wt%以下，不能製備出合金表面具有高W含量，合金中W、Ni含量呈現出梯度變化的梯度層，在一定程度上影響了鍍層的綜合力學性能和高溫抗氧化性。中國專利申請號201110273196. 8公開了一種用真空燒結製備Ni-W合金的方法，其利用真空燒結的方法成功製備了 Ni-W合金。該方法以純度不低於99%的Ni粉和純度不低於99%的W粉，經過不同重量配比的兩種粉末在在不同時間和不同球磨比的條件下進行球磨；然後進行壓制，在對壓坯進行真空燒結和隨爐冷卻的工藝，最後將Ni-W合金機加工成成品即可。採用這種方法製備Ni-W合金具有工藝簡單，生產成本低，能夠製備出較為緻密的Ni-W合金。但是，這種方法製備的Ni-W合金中，W含量相對較低，一般在25 30%wt之間，如果進一步提高合金中的W含量，將會影響合金的緻密度，降低合金的力學性能和高溫抗氧化性。同時，這種採用方法不能製備Ni、W含量具有梯度變化的材料。此外，中國專利申請號201110280220. 0公開了一種熔煉法製備Ni-W合金的方法，其在真空燒結法製備Ni-W合金的基礎上，將燒結後的Ni-W合金放入高溫熔煉爐中，先對爐內抽真空,然後向爐內衝入保護性氣體進行加熱熔煉,最後進行機加工製備成Ni-W靶材成品。採用這種熔煉方法製備的Ni-W合金本質上和真空燒結法製備Ni-W合金沒有區別，只是提高了熔煉溫度，在一定程度上提高了 Ni-W合金的緻密度，減小了成分偏析，對合金材料的力學性能和高溫抗氧化性有所提高。但是，採用這種方法處理後，仍然不能製備出合金表面具有高W含量，合金中Ni、W含量具有梯度變化的材料。上面的分析表明，目前尚無Ni-W梯度材料及其製備方法，即使在製備與此材料類似的Ni-W合金材料上也存在如下的不足(I)製備過程中不能製備出合金表面具有高W含量的梯度材料。(2)如果過高提高Ni-W合金中W的成分就會降低合金的緻密度，降低合金的耐磨、耐蝕、耐酸和抗高溫氧化性。(3)不能夠製備出既具有良好耐磨、耐蝕、耐酸和抗高溫氧化，又具有Ni、W含量梯度變化的材料。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種具有梯度變化層的Ni-W梯度材料；本發明還提供了該Ni-W梯度材料的製備方法。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是其中間為鎳層，兩側為鎢層；所述鎳層與鎢層之間有梯度分布層，所述梯度分布層向鎢層方向鎳含量梯度降低、鎢含量梯度升高。本發明所述梯度分布層的厚度為I IOiim 360 ilm。本發明的製備方法是在NaCl-KCl-NaF-WO3熔鹽體系中，以金屬Ni為陰極，金屬W為陽極，在直流脈衝電流的作用下電沉積，所述的Ni陰極即可沉積為Ni-W梯度材料。本發明方法所述的熔鹽按下述摩爾分數配置NaCl 0. 25 0. 36、KCl 0. 25
0.36、NaF 0. 17 0. 3、WO3 0. I 0. 20。本發明方法的工藝步驟為(I)將裝有NaCl、KCl、NaF和WO3混和物的石墨容器加熱至700°C 900°C，保溫使熔鹽達到穩定；
(2)將陰極Ni板和陽極W板同時插入到熔鹽中，然後在電流密度50mA cm_2 IOOmA cnT2的條件下電沉積20min 40min ；
(3)電沉積結束後的陰極Ni板去除熔鹽附著物，再用超聲波清洗，即可得到Ni-W梯度材料。本發明方法所述步驟(I)中，在700°C 900°C保溫120min以使熔鹽達到穩定。本發明方法所述所述的步驟(3)中，電沉積結束後的陰極Ni板在沸水中煮10 30min以去除熔鹽附著物。採用上述技術方案所產生的有益效果在於本發明解決了目前尚無Ni-W梯度材料和製備方法的不足。本發明材料各部分結合緊密，材料表面結構緻密、平整，具有良好的耐磨、耐蝕、耐酸和抗高溫氧化性能；該材料在500°C 1300°C空氣中，表面能夠很快的形成穩定的WO3保護膜，有效地保護基體不被氧化，具有表面抗氧化性強的特點。本發明方法針對現有Ni-W梯度材料的特性，根據擴散基本理論，採用電沉積W和在電場的作用下Ni、W互擴散(電場可加速固態金屬的擴散,固態擴散中多兀素擴散時也可相互提高對方的擴散速度)同時進行的方法，加速梯度層的增厚。本方法具有梯度層形成速度快、製備較厚的梯度層所需時間短，容易控制、工藝簡單等特點。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。圖I、圖2、圖3分別是實施例I一 3梯度材料中梯度層的鎢、鎳分布圖。
具體實施方式
本Ni-W梯度材料的製備方法，是以NaCl-KCl-KF-WO3熔鹽為電解質，以金屬Ni為陰極，金屬W為陽極，在直流脈衝電流的作用下，通過控制電沉積過程的有關參數，在Ni基體上電沉積W和Ni、W互滲同時進行，最終形成Ni-W梯度材料。盛NaCl-KCl-KF-WO3熔鹽的容器材質為高純石墨，溫度700°C 900°C，電沉積時間20min 40min,電流密度50mA cnT2 IOOmA era2,得到材料兩側表面為金屬W,中間層為金屬Ni，W層和Ni層之間為向W方向Ni含量逐漸降低、W含量逐漸升高的Ni-W梯度材料層。本方法工作原理如下由於電場、W濃度梯度以及Ni、W的互擴散提高擴散速度的作用，W在陰極Ni基體中通過物理擴散，從而快速形成相變化規律為W
權利要求
1.一種Ni-W梯度材料，其特徵在於其中間為鎳層，兩側為鎢層；所述鎳層與鎢層之間有梯度分布層，所述梯度分布層向鎢層方向鎳含量梯度降低、鎢含量梯度升高。
2.根據權利要求I所述的Ni-W梯度材料，其特徵在於所述梯度分布層的厚度為110 u m 360 u m0
3.權利要求I或2所述Ni-W梯度材料的製備方法，其特徵在於其在NaCl-KCl-NaF-WO3熔鹽體系中，以金屬Ni為陰極，金屬W為陽極，在直流脈衝電流的作用下電沉積，所述的Ni陰極即可沉積為Ni-W梯度材料。
4.根據權利要求3所述的Ni-W梯度材料的製備方法，其特徵在於所述的熔鹽按下述摩爾分數配置NaCl 0. 25 0. 36、KCl 0. 25 0. 36、NaF 0. 17 0. 3、WO3 0. I 0. 20。
5.根據權利要求3或4所述的Ni-W梯度材料的製備方法，其特徵在於，該方法的工藝步驟為(I)將裝有NaCl、KCl、NaF和WO3混和物的石墨容器加熱至700°C 900°C，保溫使熔鹽達到穩定； (2)將陰極Ni板和陽極W板同時插入到熔鹽中，然後在電流密度50mA cm_2 IOOmA cnT2的條件下電沉積20min 40min ； (3)電沉積結束後的陰極Ni板去除熔鹽附著物，再用超聲波清洗，即可得到Ni-W梯度材料。
6.根據權利要求5所述的Ni-W梯度材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(I)中，在700°C 900°C保溫120min以使熔鹽達到穩定。
7.根據權利要求5所述的Ni-W梯度材料的製備方法，其特徵在於所述所述的步驟(3)中，電沉積結束後的陰極Ni板在沸水中煮10 30min以去除熔鹽附著物。
全文摘要
本發明公開了一種Ni-W梯度材料及其製備方法，其中間為鎳層，兩側為鎢層；所述鎳層與鎢層之間有梯度分布層，所述梯度分布層向鎢層方向鎳含量梯度降低、鎢含量梯度升高。本材料各部分結合緊密，材料表面結構緻密、平整，具有良好的耐磨、耐蝕、耐酸和抗高溫氧化性能；該材料在500℃～1300℃空氣中，表面能夠很快的形成穩定的WO3保護膜，有效地保護基體不被氧化，具有表面抗氧化性強的特點。本材料的製備方法方法針對現有Ni-W梯度材料的特性，根據擴散基本理論，採用電沉積W和在電場的作用下Ni、W互擴散同時進行的方法，加速梯度層的增厚。本材料的製備方法具有梯度層形成速度快、製備較厚的梯度層所需時間短，容易控制、工藝簡單等特點。
文檔編號C25C3/36GK102677099SQ20121019220
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月12日 優先權日2012年6月12日
發明者張穎異, 李運剛, 柳亞斌, 王豔春, 田薇, 蔡幸福 申請人:河北聯合大學