專利名稱：在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO₂顆粒鍍層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及純鋁及鋁合金表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法。.
背景技術(shù)：
近幾年來，化學(xué)鍍鎳作為一項重要的表面處理手段，已被廣泛應(yīng)用到航空、航天、電子工業(yè)、石油化工、機(jī)械、紡織、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展，給表面復(fù)合鍍層技術(shù)帶來了新的契機(jī)。傳統(tǒng)的化學(xué)鍍層存在硬度低、耐磨性差等缺點，納米化學(xué)復(fù)合鍍是在傳統(tǒng)的化學(xué)鍍基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種表面處理新技術(shù)；納米化學(xué)復(fù)合鍍層是一種具有特殊功能的復(fù)合鍍層，該鍍層既具有基質(zhì)金屬的優(yōu)良特性，又具有納米顆粒的特殊性能。它的基本原理是在Ni-P化學(xué)鍍液中添加一定量的不溶性固體微粒，并通過添加表面活性劑 使顆粒均勻的懸浮在鍍液中，改善顆粒分布的均勻性，鍍液中金屬離子在被還原劑還原的同時，還可以將固體微粒嵌入金屬沉積層中；由于所添加的顆粒具有良好的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等作用，從而可以獲得硬度較高、耐磨、自潤滑、耐蝕及特殊的裝飾外觀等功能性復(fù)合鍍層。中國專利申請《金屬表面化學(xué)鍍鎳方法》(CN102002690A)公開的技術(shù)可以在金屬工件、尤其是含有深孔、深槽的金屬表面鍍層厚度能夠達(dá)到130微米以上，且能防止金屬工件表面因鎳磷合金沉積在復(fù)雜金屬表面的氣蝕現(xiàn)象。但此方法需要將鍍液泵入濾孔孔徑為O. 05微米的過濾器中進(jìn)行過濾，這不僅增大了設(shè)備的投資，并且加大了操作的難度，且所得鍍層表面較粗糙、硬度低。中國專利《一種低應(yīng)力鍍鎳工藝》(ZL200910187670)公開的技術(shù)是以鎳鹽為主鹽，通過檢查鍍液、去所鍍材料應(yīng)力、陽極電解除油、腐蝕、預(yù)鍍鎳、鍍鎳以及熱處理獲得內(nèi)應(yīng)力低、硬度高、結(jié)合力強(qiáng)、且具有優(yōu)越的延展性的保護(hù)層。但該項工藝預(yù)處理較為繁瑣，不易于維護(hù)，影響了生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)還沒有一種操作簡單、成本低、污染小、鍍層綜合性能好、特別適用于各種鋁及鋁合金工件的微納米SiO2顆粒復(fù)合鍍技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，以提高鍍層的硬度、耐磨、耐熱、自潤滑、耐蝕及特殊的裝飾外觀等性能，且操作簡單，成本低，鍍層性能好。本發(fā)明的工藝流程為I.試樣預(yù)處理試樣經(jīng)酒精浸泡、化學(xué)除油、堿侵蝕、水洗、酸侵蝕、水洗、兩次浸鋅、最后分別用丙酮、酒精超聲清洗；2Si02納米顆粒處理將SiO2納米顆粒置于非離子表面活性劑0P-21中浸泡，SiO2納米顆粒粒徑范圍為50ηπΓ 00 μ m ；3.進(jìn)行復(fù)合化學(xué)鍍鍍液配方為硫酸鎳25 35g/L、次亞磷酸鈉30 40g/L、乙酸鈉18 28g/L、檸檬酸三鈉18 28g/L、氯化銨10 20g/L、乳酸O 6g/L、Si02納米顆粒10 20g/L ;鍍液pH為4 11，攪拌速度100 120r/min，控制溫度為50 80°C，試樣懸掛于鍍液中施鍍30分鐘；4.用冷水洗去試樣表面殘余的鍍液。試樣預(yù)處理中，先后將試樣在酒精中浸泡5min ;在溫度為4(Γ50 °C的20g/L洗衣粉溶液中浸泡Γ5π η化學(xué)除油后用冷水作第一次水洗；在溫度為2(T30°C的質(zhì)量比10%Na0H溶液中浸泡20s堿侵蝕后，再在溫度為2(T30°C的質(zhì)量比98%H2S0450ml/L、質(zhì)量比65%HN0350ml/L、質(zhì)量比48%HF100ml/L的混合酸中浸泡15s后用冷水進(jìn)行第二次水洗；試樣預(yù)處理中，第一次浸鋅的配方為NaOH 45 55g/L、ZnO 3 8g/L、酒石酸鉀鈉 I 5g/L、FeCl3 ·6Η20 I 5g / UNaNO3O. 5 3g / L，溫度 15 27°C，時間 30 60s ；第二次浸鋅的配方為NaOH 110 130g / L、ZnO 15 25g / L、酒石酸鉀鈉45 55g /UFeCl3 · 6H20 I 5g / UNaNO3O. 5 3g / L，溫度 20 25°C，時間 10 30s ；·
在第一次浸鋅后用體積比為I: I的65%HN03浸泡30 90s后退除浸鋅層,再進(jìn)行第二次浸鋅。試樣預(yù)處理中，浸鋅后的試樣用丙酮、酒精超聲清洗各lOmin。將SiO2納米顆粒置于添加了非離子表面活性劑0P-211 蒸餾水=0. I Ig :IOOml的溶液中浸泡lOmin。復(fù)合化學(xué)鍍后的試樣冷水洗3-4次。用冷水洗去試樣表面殘余鍍液的試樣，通過熱處理進(jìn)一步提高鍍層的綜合性能。本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點I、本發(fā)明的方法工藝合理，操作簡便，鍍層致密牢固，結(jié)合性好，產(chǎn)品綜合性能高。能很好解決SiO2因不溶于鍍液而無法沉積于純鋁及鋁合金表面和微納米顆粒鍍層硬度低、耐磨性差等問題。2、在鋁合金表面獲得的微納米SiO2顆粒復(fù)合鍍層的硬度性能、耐磨性能均高于單
一鎳磷鍍層。3、本發(fā)明采用的非離子表面活性劑作為SiO2的活性劑，無毒、環(huán)保、高效；且配方簡單，操作簡單，成本低，所獲得復(fù)合鍍層致密牢固，表面均勻，硬度高，耐磨、耐熱。4、本發(fā)明的方法采用傳統(tǒng)的鎳磷化學(xué)鍍技術(shù)的設(shè)備就可以生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。
具體實施例方式微納米SiO2顆粒復(fù)合鍍工藝包括前處理、化學(xué)鍍、后處理等幾個主要程序。前處理是將鋁合金表面的氧化膜去掉，獲得與復(fù)合鍍層具有良好結(jié)合力的鋁合金基體表面；化學(xué)鍍是將已處理好的鋁合金放入鍍液中，發(fā)生一系列的化學(xué)和物理反應(yīng)，形成復(fù)合化學(xué)鍍層；后處理主要是通過熱處理工藝進(jìn)一步提高鍍層的綜合性能。SiO2硬度高、耐磨性好、絕熱性好、抗侵蝕能力強(qiáng)，同時在高溫下仍具有高強(qiáng)、高韌、穩(wěn)定性好等特點，而且納米SiO2的價格低廉，在表面工程的某些領(lǐng)域，是Al203、SiC等顆粒的理想替代品，能有效地降低材料成本。本發(fā)明采用了非離子表面活性劑與微納米顆粒進(jìn)行處理，使不溶于鍍液的微納米顆粒表面充分潤濕，然后再加入已加熱到施鍍溫度的鍍液中。該復(fù)合化學(xué)鍍的方法能夠解決納米顆粒由于不溶于鍍液而無法沉積于鋁合金表面及鍍液穩(wěn)定性差等問題。實施例I :將規(guī)格為30mmX 15mmX5mm的純鋁片經(jīng)過預(yù)處理后置于硫酸鎳30g/L、次亞磷酸鈉35g/L、乙酸鈉20g/L、檸檬酸三鈉20g/L、氯化銨10g/L、SiO2納米顆粒20g/L的鍍液中，鍍液PH為11，攪拌速度100r/min，控制溫度為50°C，施鍍時間為30分鐘。將試樣取出用冷水沖洗吹干即得到微納米SiO2顆粒復(fù)合鍍層，該鍍層均勻，表面平整光滑無毛刺，致密牢固，結(jié)合性好，硬度高，耐磨性強(qiáng)。實施例2 將規(guī)格為15mmX IOmmX 5mm的6063招片經(jīng)過預(yù)處理后置于硫酸鎳25g/L、次亞磷酸鈉30g/L、乙酸鈉18g/L、檸檬酸三鈉18g/L、氯化銨10g/L，、乳酸2g/L、Si02納米顆粒IOg/L的鍍液中，鍍液pH為4. 5，攪拌速度100r/min，控制溫度為80°C，施鍍時間為30分鐘。將 試樣取出用冷水沖洗吹干即得到Ni-P-SiO2復(fù)合鍍層，該鍍層鍍層表面平整，致密牢固，結(jié)合性好，硬度高，耐磨性強(qiáng)。實施例3 將規(guī)格為20mmX IOmmX 2mm的6063鋁片經(jīng)過預(yù)處理后置于硫酸鎳28g/L、次亞磷酸鈉32g/L、乙酸鈉20g/L、檸檬酸三鈉20g/L、氯化銨12g/L，、乳酸3g/L、SiO2納米顆粒12g/L的鍍液中，鍍液pH為5，攪拌速度120r/min，控制溫度為80°C，施鍍時間為30分鐘。將試樣取出用冷水沖洗吹干即得到Ni-P-SiO2復(fù)合鍍層，再將試樣置入400°C的真空熱處理爐中處理2小時后緩慢取出自然冷卻至常溫，所得鍍層表面平整，致密牢固，結(jié)合性好，硬度更高，耐磨性更強(qiáng)，并具有耐熱特性。實施例4:將規(guī)格為15mmX IOmmX 2mm的2024鋁片經(jīng)過預(yù)處理后置于硫酸鎳35g/L、次亞磷酸鈉40g/L、乙酸鈉28g/L、檸檬酸三鈉28g/L、氯化銨20g/L，、乳酸6g/L、SiO2納米顆粒15g/L的鍍液中，鍍液pH為4. 5，攪拌速度100r/min，控制溫度為70°C，施鍍時間為30分鐘。將試樣取出用冷水沖洗吹干即得到Ni-P-SiO2復(fù)合鍍層，再將試樣置入400°C的真空熱處理爐中處理2小時后緩慢取出自然冷卻至常溫，所得鍍層表面平整，致密牢固，結(jié)合性好，硬度高，耐磨性好。
權(quán)利要求
1.一種在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是工藝流程為 ⑴試樣預(yù)處理試樣經(jīng)酒精浸泡、化學(xué)除油、堿侵蝕、水洗、酸侵蝕、水洗、兩次浸鋅、最后分別用丙酮、酒精超聲清洗； ⑵SiO2納米顆粒處理將SiO2納米顆粒置于非離子表面活性劑0P-21中浸泡，SiO2納米顆粒粒徑范圍為50ηπΓ 00 μ m ； ⑶進(jìn)行復(fù)合化學(xué)鍍鍍液配方為硫酸鎳25 35g/L、次亞磷酸鈉30 40g/L、乙酸鈉18 28g/L、檸檬酸三鈉18 28g/L、氯化銨10 20g/L、乳酸O 6g/L、SiO2納米顆粒10 20g/L ;鍍液pH為4 11，攪拌速度100 120r/min，控制溫度為50 80°C，試樣懸掛于鍍液中施鍍30分鐘； ⑷用冷水洗去試樣表面殘余鍍液得產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是在試樣預(yù)處理中，先后將試樣在酒精中浸泡5min ;在溫度為4(T50°C的20g/L洗衣粉溶液中浸泡4 5min化學(xué)除油后用冷水作第一次水洗；在溫度為2(T30°C的質(zhì)量比10%Na0H溶液中浸泡20s堿侵蝕后，再在溫度為2(T30°C的質(zhì)量比98%H2S0450ml/L、質(zhì)量比65%HN0350ml/L、質(zhì)量比48%HF100ml/L的混合酸中浸泡15s后用冷水進(jìn)行第二次水洗。
3.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是在試樣預(yù)處理中，第一次浸鋅的配方為NaOH 45 55g/L、Zn0 3 8g/L、酒石酸鉀鈉I 5g/L、FeCl3 · 6H20 I 5g / L、NaNO3O. 5 3g / L，溫度 15 27°C，時間 30 60s ；第二次浸鋅的配方為NaOH 110 130g / L、ZnO 15 25g / L、酒石酸鉀鈉45 55g /UFeCl3 · 6H20 I 5g / UNaNO3O. 5 3g / L，溫度 20 25°C，時間 10 30s。
4.如權(quán)利要求3所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是在試樣預(yù)處理中，第一次浸鋅后用體積比為I: I的65%HN03浸泡30 90s后退除浸鋅層，再進(jìn)行第二次浸鋅。
5.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是在試樣預(yù)處理中，浸鋅后的試樣用丙酮、酒精超聲清洗各IOmin。
6.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是將SiO2納米顆粒置于添加了非離子表面活性劑0P-21 蒸餾水=0. I Ig : IOOml的溶液中浸泡lOmin。
7.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是復(fù)合化學(xué)鍍后的試樣冷水洗3-4次。
8.如權(quán)利要求I所述的在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，其特征是用冷水洗去試樣表面殘余鍍液后，通過熱處理進(jìn)一步提高鍍層的綜合性能。
全文摘要
一種在鋁及鋁合金表面獲得含微納米SiO2顆粒鍍層的方法，試樣先經(jīng)酒精浸泡、化學(xué)除油、堿、酸侵蝕、水洗、浸鋅、最后用丙酮、酒精超聲清洗的預(yù)處理，SiO2納米顆粒置于非離子表面活性劑OP-21中浸泡后對試樣進(jìn)行復(fù)合化學(xué)鍍，鍍后用冷水洗和后處理即得成品。本發(fā)明的方法工藝合理，操作簡便，鍍層致密牢固，結(jié)合性好，表面均勻，硬度高，耐磨、耐熱，產(chǎn)品綜合性能高，獲得的鍍層硬度性能、耐磨性能均高于單一鎳磷鍍層。且活性劑無毒、環(huán)保、高效，配方和操作簡單，成本低，用傳統(tǒng)的鎳磷化學(xué)鍍技術(shù)的設(shè)備就可以生產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。
文檔編號C23C18/18GK102899644SQ201210341238
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者李偉洲, 楊劍冰, 李月巧, 胡治流, 劉偉 申請人:廣西大學(xué)