專利名稱：稀土鉻復(fù)合電鍍層及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土鉻復(fù)合電鍍層及其制備方法和應(yīng)用，屬電鍍技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水輪機(jī)因受空蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用(簡(jiǎn)稱磨蝕)而過(guò)早損壞是個(gè)國(guó)際性科技難題，妨害著水能資源的充分開(kāi)發(fā)利用。目前的水輪機(jī)多由不銹鋼做成，因其抗磨蝕性不理想而較早就損壞(據(jù)各水電站水質(zhì)和工況的不同，部分水輪機(jī)過(guò)流件能連續(xù)工作1-2年，部分水輪機(jī)過(guò)流件僅能連續(xù)工作3-6個(gè)月)，需頻繁地更換過(guò)流件，造成水能資源的損失和發(fā)電運(yùn)行成本增加。為克服此難題，國(guó)內(nèi)外的研究者均進(jìn)行了較多的攻關(guān)研究，例如日本公布了用等離子噴焊法，在水輪機(jī)母材鋼上制取(Cr3C2-Co)硬面涂層，并做了涂層的抗空蝕和抗泥沙磨損試驗(yàn)[1]。瑞士學(xué)者A·karimi和C·Verdon也在試驗(yàn)室內(nèi)作過(guò)(WC-Co)熱噴涂層在泥沙介質(zhì)中的磨蝕試驗(yàn)[2、3]，并指出這類涂層適合用于水輪機(jī)和水泵。因上述兩類以鈷為基(Co占45-65％)的涂層價(jià)值很貴(涂層粉末500-600元/kg)，在我國(guó)無(wú)人研究這類涂層的抗磨蝕性能和在水輪機(jī)中的應(yīng)用，也沒(méi)有國(guó)內(nèi)的任何水電站愿意采用這類帶昂貴涂層的水輪機(jī)。但在中國(guó)卻有較多噴涂NiCr合金粉末作為水輪機(jī)抗磨蝕涂層的報(bào)導(dǎo)[4、5]。NiCr合金涂層能使水輪機(jī)的抗磨蝕性能有所提高，但提高的幅度不大，而且因不能解決NiCr合金噴涂后的熱變形問(wèn)題，因此，絕大多數(shù)水電站仍不愿意采用其作為水輪機(jī)的抗磨蝕涂層。
參考文獻(xiàn)[1]松林一，森田益夫et al“Japan Patent 3-146297(1994)[2]A.Karimi，Ch-Verden et al“wear”186-187(1995)480-486[3]C.Verden.A.Karimi et al“Materials Science and Engineering”A 248(1998)11-24. 陳曉平“水利水電技術(shù)”，1996，No.12，33-35[5]康進(jìn)興、趙文珍“材料保護(hù)”Vol.35 No.6(2002)9-11[6]陳寶華“電鍍與精飾”，1996年15(4)25-29[7]錢(qián)達(dá)仁“材料保護(hù)”，1992年25(7)10-1
發(fā)明內(nèi)容
由于稀土添加劑中的可溶稀土主要起加快鉻的沉積速度和改善鍍層的質(zhì)量的作用?？扇苄缘南⊥岭x子將與鍍液中的部份鉻離子形成[RE(OH)3·Cr(OH)CrO4]絡(luò)合物[6]，此絡(luò)合物有改善鍍層質(zhì)量的作用。此外可溶性的稀土離子還會(huì)與鍍液中的(SO4)-2生成[REO(SO4)4·(H2O)4]+2絡(luò)離子[7]，此種絡(luò)離子具有加快電沉積速度的作用。發(fā)明人經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)后，把反相溶解過(guò)程穿插在整個(gè)稀土鉻電鍍過(guò)程中，形成周期反相電鍍。并將塑料耐酸泵置于電鍍槽內(nèi)，形成較強(qiáng)的電鍍液“翻滾”，迫使不溶稀土鹽顆粒處于懸浮態(tài)，這樣可使不溶稀土鹽顆粒擠入反相過(guò)程中形成的鍍層微坑內(nèi)，形成由稀土鉻金屬基相與混合稀土不溶鹽第二相組成的復(fù)相鍍層，帶這種鍍層的水輪機(jī)，其抗磨蝕性、硬度等性能不僅優(yōu)于不銹鋼水輪機(jī)，而且也優(yōu)于常規(guī)電鍍稀土鉻單相鍍層。
本發(fā)明的稀土鉻復(fù)合電鍍層由混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相組成。
稀土鉻復(fù)合電鍍層的制備方法，由拋光、堿洗、酸洗、周期反相電鍍稀土鉻、精整工序組成。其中，周期反相電鍍稀土鉻工序具體為該電鍍工序由電鍍前期、電鍍中期、電鍍后期三階段構(gòu)成；三階段的電鍍時(shí)間均為4小時(shí)，每個(gè)階段內(nèi)均進(jìn)行數(shù)次反相→正相的交替操作；其中，電鍍前期的正相操作時(shí)間為30分鐘，電鍍中期正相操作時(shí)間為40分鐘，電鍍后期的正相操作時(shí)間為50分鐘，反相操作時(shí)間除首次為1分鐘外，其余反相操作時(shí)間均為3分鐘；經(jīng)12小時(shí)的電鍍后，稀土鉻鍍層的厚度為0.3-0.4mm；電鍍液組份為CrO3(鉻酐)140-170g/升，H2SO41.5-2.0g/升，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的以混合稀土氧化物為主的可溶稀土添加劑2-2.5g/升，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的以硫酸鹽和碳酸鹽為主的不溶混合稀土鹽添加劑3-3.5g/升，其余為水；電鍍工序操作過(guò)程中，鍍液溫度為47-54℃，電流密度為25-30安/dm2；鍍槽內(nèi)設(shè)有耐酸塑料泵，通過(guò)耐酸塑料泵的轉(zhuǎn)動(dòng)促進(jìn)電鍍液的翻滾運(yùn)動(dòng)。
由上述方法制備的稀土鉻復(fù)合電鍍層，作為水輪機(jī)的抗磨蝕涂層的應(yīng)用。
稀土鉻鍍層的組織與性能圖1給出了在18-8不銹鋼上周期反相電鍍稀土鉻12小時(shí)后所獲得鍍層顯微放大照片，鍍層厚度達(dá)0.315mm，圖中的A、B、C三區(qū)段分別為母材、電鍍層和大氣層。鍍層由稀土鉻基相和嵌布于基相中的顆粒狀稀土鹽第二相組成。從圖1還可看出，鍍層與基材結(jié)合牢固，500克負(fù)荷的顯微硬度壓頭打在鍍層與母材的結(jié)合界面上，未發(fā)現(xiàn)局部剝離和壓痕變形的表現(xiàn)，這說(shuō)明鍍層與基材結(jié)合十分牢固。曾試用過(guò)用EP或XRD分析手段對(duì)鍍層中的稀土鹽第二相顆粒作成分分析鑒定，但均未獲得滿意的結(jié)果，其原因在于混合稀土鹽顆粒第二相約占鍍層總體積的1％左右，加之每一顆粒又是混合稀土(8種元素)的化合物聚合體，具體分解到每一種稀土元素，其含量已低于分析儀器的靈敏度(約0.3％)。在稀土鉻鍍層中形成的稀土鹽第二相，除具有第二相強(qiáng)化，提高鍍層強(qiáng)度和硬度的作用外，更重要的作用是提高了鍍層的抗空蝕和抗泥沙磨損的能力，表1給出了周期反相電鍍稀土鉻和普通電鍍硬鉻的顯微硬度測(cè)試結(jié)果。
表1周期反相電鍍稀土鉻(含稀土鹽第二相)與常規(guī)電鍍硬鉻的顯微硬度

從表中的硬度可見(jiàn)，由周期反相電鍍形成的含稀土鹽第二相的稀土鉻鍍層，其硬度比常規(guī)電鍍硬鉻約高200度。
用18-8不銹鋼做成模擬式小水輪機(jī)的葉片(40×30×6mm)，其中的部份葉片經(jīng)過(guò)常規(guī)電鍍硬鉻和周期反相電鍍稀土鉻，另部份葉片經(jīng)過(guò)離子氮化表面硬化處理，各種葉片安裝于模擬式小水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，在水沙比為6∶4(重量)的介質(zhì)中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)300小時(shí)后，取下葉片，在分析天平上測(cè)出各試片的減重，并計(jì)算出各葉片的單位面積相對(duì)重量損失，所得結(jié)果如圖2所示。從圖2的磨蝕試驗(yàn)結(jié)果可以看出，18-8不銹鋼經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻，形成含稀土鹽第二相的復(fù)合鍍層后，其抗磨蝕性(相對(duì)失重的倒數(shù))比母材不銹鋼提高約28倍，比18-8不銹鋼經(jīng)520°離子氮化涂層提高約12倍。比18-8不銹鋼經(jīng)常規(guī)電鍍硬鉻鍍層提高約5.2倍。18-8不銹鋼經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻后，其抗磨蝕性顯著提高的原因在于周期反相電鍍稀土鉻使材料的硬度和抗腐蝕性均顯著地提高，而18-8不銹鋼經(jīng)離子氮化后，雖然其硬度大幅度增加(達(dá)HV1200以上)，但因其抗腐蝕性有所下降，因此最終使抗磨蝕性提高的幅度不大。不銹鋼經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻后，鍍層的性能也獲得顯著改善，表面光潔度達(dá)9級(jí)以上，對(duì)大板狀的水輪機(jī)構(gòu)件，其鍍層厚度仍然均勻，邊緣效應(yīng)也獲得明顯改善。此外，周期反相電鍍稀土鉻的電鍍電流效率也提高到30％以上，遠(yuǎn)高于常規(guī)電鍍硬鉻的電流效率(17％±)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有工藝合理、鍍件的抗磨蝕性、硬度等性能不僅優(yōu)于不銹鋼水輪機(jī)，而且也優(yōu)于常規(guī)電鍍稀土鉻單相鍍層等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為用周期反相電鍍獲得含稀土鹽第二相的稀土鉻鍍層的150倍放大顯微圖片，圖中A、B、C分別為基材、鍍層和大氣層。
圖2為四種不同材料在模擬式小水輪機(jī)上作磨蝕試驗(yàn)的相對(duì)失重結(jié)果，其中1為18-8不銹鋼，2為18-8鋼經(jīng)520℃離子氮化，3為18-8鋼經(jīng)常規(guī)電鍍硬鉻，4為18-8鋼經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻。
圖3為經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻的水輪機(jī)抗磨板(φ2m)照片。
圖4為經(jīng)周期反相電鍍稀土鉻的水輪機(jī)噴針頭及其護(hù)環(huán)(重75kg)照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1對(duì)云南省以禮河水電廠和元江滑石板電廠的沖擊式水輪機(jī)的噴針頭(重65kg)及護(hù)環(huán)(重17kg)進(jìn)行稀土鉻的電鍍。
首先配制電鍍液，電鍍液組份為CrO3(鉻酐)140g/升，H2SO41.5g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以混合稀土氧化物為主的可溶稀土添加劑2g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以硫酸鹽和碳酸鹽為主的不溶混合稀土鹽添加劑3g/升，其余為水。
該電鍍技術(shù)由拋光、堿洗、酸洗、周期反相電鍍稀土鉻、精整工序組成。其中，拋光、堿洗、酸洗、精整工序均按常規(guī)方法進(jìn)行。周期反相電鍍稀土鉻工序由電鍍前期、電鍍中期、電鍍后期三階段構(gòu)成；三階段的電鍍時(shí)間均為4小時(shí)，每個(gè)階段內(nèi)均進(jìn)行數(shù)次反相→正相的交替操作。具體為第一次反相(即工件接正極，鉛電極接負(fù)極)僅一分鐘，其主要作用是使不銹鋼表面導(dǎo)電不良的鈍化層溶解，使工件露出新生的活化的表面。在第一個(gè)正相期內(nèi)(工件接負(fù)極，鉛陽(yáng)極接正極)，主要發(fā)生稀土鉻在工件上的快速電沉積。在第二個(gè)及其以后的反相期內(nèi)(3min)，除了發(fā)生清除表面鈍化層的作用外，主要還發(fā)生已形成鍍層的不均勻溶解，使鍍層表面形成一些點(diǎn)蝕坑孔。在第二個(gè)及其以后的正相期內(nèi)，除發(fā)生稀土鉻的電沉積外，還發(fā)生不溶性混合稀土鹽懸浮顆粒進(jìn)入反相期內(nèi)已形成微坑的過(guò)程。進(jìn)入鍍層微坑中的稀土鹽懸浮顆粒，將被隨后正相期內(nèi)快速沉積的稀土鉻金屬相所覆蓋，形成鍍層中的強(qiáng)化第二相。經(jīng)過(guò)12小時(shí)的電鍍過(guò)程，鍍件達(dá)到0.3mm的稀土鉻鍍層。試驗(yàn)表明，電鍍的前期(前4小時(shí))稀土鉻的電沉積速度較快，因此這一階段中的正相操作時(shí)間為30分鐘，在電鍍的中期(第5到8小時(shí))，電沉積速度已有所變慢，因此正相操作時(shí)間應(yīng)為40分鐘，到電鍍的后期(第9到12小時(shí))電沉積速度更加慢，因此正相操作時(shí)間也相應(yīng)延到50分鐘。該電鍍工序操作過(guò)程中，鍍液溫度為47℃，電流密度為25安/dm2；鍍槽內(nèi)設(shè)有耐酸塑料泵，通過(guò)耐酸塑料泵的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)電鍍液的翻滾運(yùn)動(dòng)。
經(jīng)上述過(guò)程后得到了混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相的稀土鉻復(fù)合電鍍層，該電鍍層的實(shí)施效果見(jiàn)表2。
實(shí)施例2對(duì)元江小河底水電廠的抗磨板(φ2m)的電鍍。
首先配制電鍍液，電鍍液組份為CrO3(鉻酐)158g/升，H2SO41.75g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以混合稀土氧化物為主的可溶稀土添加劑2.25g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以硫酸鹽和碳酸鹽為主的不溶混合稀土鹽添加劑3.25g/升，其余為水。
電鍍工序基本同實(shí)施例1，不同之處為鍍液溫度為50℃，電流密度為28安/dm2鍍件的稀土鉻鍍層達(dá)到0.35mm。
經(jīng)上述過(guò)程后得到了混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相的稀土鉻復(fù)合電鍍層，該電鍍層的實(shí)施效果見(jiàn)表2。
實(shí)施例3對(duì)曲靖天生壩水電廠的混流式轉(zhuǎn)輪電鍍。
首先配制電鍍液，電鍍液組份為CrO3(鉻酐)170g/升，H2SO42.0g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以混合稀土氧化物為主的可溶稀土添加劑2.5g/升，內(nèi)蒙研究所購(gòu)買(mǎi)的以硫酸鹽和碳酸鹽為主的不溶混合稀土鹽添加劑3.5g/升，其余為水。
電鍍工序基本同實(shí)施例1，不同之處為鍍液溫度為54℃，電流密度為30安/dm2鍍件的稀土鉻鍍層達(dá)到0.4mm。
經(jīng)上述過(guò)程后得到了混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相的稀土鉻復(fù)合電鍍層，該電鍍層的實(shí)施效果見(jiàn)表2。
表2

從表2的結(jié)果可見(jiàn)，電鍍稀土鉻用到水輪機(jī)的封水件上(如噴針頭及其護(hù)環(huán)等)，將具有更突出的效果，使這些構(gòu)件的連續(xù)工作壽命提高5倍以上(少數(shù)構(gòu)件提高8倍以上，如元江滑石板電廠的針頭)，應(yīng)用于抗磨板、轉(zhuǎn)輪等非封水件，也取得較好的效果。
權(quán)利要求
1.一種稀土鉻復(fù)合電鍍層，其特征在于該電鍍層由混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相組成。
2.一種稀土鉻復(fù)合電鍍層的制備方法，由拋光、堿洗、酸洗、電鍍、精整工序組成，其特征在于電鍍工序?yàn)橹芷诜聪嚯婂兿⊥零t工序；周期反相電鍍稀土鉻工序具體為2.1該電鍍工序由電鍍前期、電鍍中期、電鍍后期三階段構(gòu)成；三階段的電鍍時(shí)間均為4小時(shí)，每個(gè)階段內(nèi)均進(jìn)行數(shù)次的反相與正相的交替操作；其中，電鍍前期的正相操作時(shí)間為30分鐘，電鍍中期正相操作時(shí)間為40分鐘，電鍍后期的正相操作時(shí)間為50分鐘，反相操作時(shí)間除首次為1分鐘外，其余反相操作時(shí)間均為3分鐘；經(jīng)12小時(shí)的電鍍后，稀土鉻鍍層的厚度為0.3-0.4mm；2.2電鍍液組份為CrO3140-170g/升，H2S041.5-2.0g/升，以混合稀土氧化物為主的可溶稀土添加劑2-2.5g/升，以硫酸鹽和碳酸鹽為主不溶混合稀土鹽添加劑3-3.5g/升，其余為水；2.3電鍍工序操作過(guò)程中，鍍液溫度為47-54℃，電流密度為25-30安/dm2；鍍槽內(nèi)設(shè)有耐酸塑料泵，通過(guò)耐酸塑料泵的轉(zhuǎn)動(dòng)促進(jìn)電鍍液的翻滾運(yùn)動(dòng)。
3.權(quán)利要求1所說(shuō)的稀土鉻復(fù)合電鍍層，作為水輪機(jī)的抗磨蝕涂層的應(yīng)用。
全文摘要
稀土鉻復(fù)合電鍍層及其制備方法和應(yīng)用，屬電鍍技術(shù)領(lǐng)域。電鍍層由混合稀土鉻基相與混合稀土硫酸鹽和碳酸鹽第二相組成。電鍍工序由電鍍前期、中期、后期三階段構(gòu)成，電鍍時(shí)間均為4小時(shí)，每個(gè)階段內(nèi)均進(jìn)行反相與正相的交替操作；三階段內(nèi)正相操作時(shí)間分別為30分鐘、40分鐘、50分鐘，反相操作時(shí)間除首次為1分鐘外，其余反相操作時(shí)間均為3分鐘；稀土鉻鍍層的厚度為0.3－0.4mm。鍍液為CrO
文檔編號(hào)C25D3/56GK1488783SQ0313565
公開(kāi)日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者王飚, 王宇棟, 張自華, 王 飚 申請(qǐng)人:王飚, 王 飚