CN102127793A - 钢材的铬-纳米二氧化硅复合电镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢材的铬-纳米二氧化硅复合电镀方法，主要是将纳米二氧化硅制备成纳米粉体加入到镀铬液中，本发明的镀铬液稳定、且分散能力强；阴极电流效率提高；电镀后的镀铬层显微硬度增加；镀铬层经Tafel曲线测试和Mott-Schottky分析其腐蚀电流密度及表面载流子密度远远低于没有加入纳米二氧化硅的镀铬层，说明复合电镀后的镀覆层具有更好的耐蚀性。

Description

钢材的铬-纳米二氧化硅复合电镀方法

技术领域

本发明涉及一种金属或钢材的铬-二氧化硅复合电镀的方法，属金属表面电镀工艺技术领域。

背景技术

电镀已被广泛地用于防腐、防蚀、耐磨、表面装饰等工件上，而且已发展到普通电镀、合金电镀、复合电镀、塑料电镀、贵金属电镀、电刷镀等多个种类。镀铬是电镀工艺中应用最广泛的镀种之一，铬层性能优良，具有强烈的钝化能力、良好的化学稳定性、高硬度和反射能力以及低的摩擦系数，被广泛应用于防护装饰性和耐磨镀层中，而且铬比较容易自水溶液中沉积出来，工艺比较简单，易于控制。

在实际大工业生产中电镀铬尚存在许多问题，主要是：（1）铬酸有较高的毒性，对人的身体健康危害甚大，废气和废酸必须经过处理，因而耗资较多；（2）由于电流效率很低，而槽电压又高，因此电能消耗较大；（3）由于使用高电流密度，所以电源设备投资增加；（4）由于采用不溶性阳极，消耗的金属铬要经常补充铬酸，才能保持电镀液中各成分的相对稳定；（5）由于阴极大量析氢，致使镀铬层和基体金属产生氢脆。

虽然有些电镀厂在以上存在的大问题中，某一项已经克服，例如镀层的光亮性问题解决了，但耐腐蚀性要求未达到，有些使用三价镀铬代替六价镀铬减少了对环境的污染，但结合强度或镀层厚度没有彻底解决。目前人们在寻找一种铬代替品或研究新的镀铬工艺。纳米科技的发展为提升传统产业技术含量提供了新的机遇。

纳米粒子由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊效应。可用在改善材料的光、磁、电、力学等性能得到提高或赋予其新的功能，可以大大提高其在应用领域中的产品质量，具有很好的理论研究价值和应用前景。此外，随着技术进步，纳米粉体及膜层的制备成本也大幅度下降，为纳米技术大规模应用奠定了扎实的物质基础。

纳米表面技术迅速发展，其中研究和应用比较多的是纳米复合电镀技术。复合镀层是通过金属电沉积或共沉积的方法，将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层。以超硬材料作为分散颗粒，与金属形成的复合镀层称为超硬材料复合镀层。纳米复合镀层已成为纳米表面工程研究领域的热点之一。前苏联科学家在镀铬液中加入纳米金刚石，使得镀铬层的硬度和耐磨性显著提高，这项技术已取得专利，并且在独联体国家广泛应用，我国也开展了相关的工作，如专利号200610117075.3纳米陶瓷材料与金属合金在金属表面复合化学沉积方法，专利号200310107939.X纳米多层锌薄膜的电镀制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属或钢材表面电镀铬-二氧化硅复合镀层的方法。

本发明为一种钢材的铬-二氧化硅复合电镀方法，其特征在于具有有以下的过程和步骤：

a. 配制复合电镀液，即含有镉和纳米二氧化硅的复合电镀液；

首先制备纳米二氧化硅水分散系：将高纯度的二氧化硅粉末经研磨—溶解—研磨—烘干，且重复前面步骤三次；然后将风干的粉末放入球磨机中球磨成纳米粉体，最后再经超声波活化处理，得到纳米二氧化硅水分散系；水溶过程中，粉末溶解用去离子水；烘干温度为80~95℃；球磨机转速100~350r/min；球磨时间为8-15小时；原料与锆珠之比为1:(10~18)；超声波活化在2A级超声强度；

配制铬-二氧化硅复合电镀液，其成分及其用量为：

铬酐                       240~260g/L

硫酸                       2.4~2.6g/L

纳米二氧化硅               1~5g/L

b. 将欲镀覆处理的金属或钢材放置于盛有上述复合电镀液的电镀槽中，且以金属或钢材电镀工件作为阴极，以铅锑合金为阳极，同时分别于直流电源的负极和正极通过导线相连接；电镀采用的工艺参数如下：

温度                    45~55℃

电流密度                45~60A/dm²

搅拌溶液循环            80~120r/min

阴极阳极面积比          1.0~2.5

最终在钢材表面得到铬-纳米二氧化硅复合镀层。

本发明方法的优点

本发明与现有技术的高浓度镀铬工艺相比，具有以下优点：

1) 纳米二氧化硅粉体制备简单，性能稳定，能耐强酸；

2) 本发明的纳米二氧化硅加入操作简单，电镀以后的镀层合格率在95%以上；且阴极电流效率高，节约能源。

3) 镀液分散能力较好，能电镀复杂零件，镀层硬度高、耐磨性、耐蚀性能优越。

本发明方法的镀液中不能含有氟化物及其他具有腐蚀性成分的添加剂，否则阳极会产生大量的铬酸铅微粒，影响镀层的力学性能。溶液采用磁力泵进行循环搅拌。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例

1、在本实施例中，首先制备纳米二氧化硅粉体，其过程如下所述：

研磨—溶解—研磨—烘箱干燥成粉末—重复前面步骤3遍—将粉末放入球磨机中球磨成纳米粉体—超声波活化处理。

其中粉末溶解用去离子水；烘箱温度为80℃；球磨机转速300r/min、球磨时间为12小时、大锆珠：小锆珠：球磨原料=120g：240g：20g，超声波活化处理在2A级超声强度下，对纳米二氧化硅水分散系做超声波活化处理。

2、配置镀铬液及镀铬工艺参数的设定

铬酐                    250g

硫酸                    2.5g

去离子水配置镀液，去离子水体积为1L；镀液均分为3分，第一份镀铬液不加入纳米二氧化硅、第二份镀铬液加入纳米二氧化硅2g、第三份镀铬液加入纳米二氧化硅4g。

温度                    50℃

电流密度                50A/dm²

搅拌溶液循环            100r/min

阴极阳极面积比          2

电镀基材为H13钢，电镀后试样进行显微硬度、阴极电流效率、腐蚀电流密度和载流子密度测试，得出的性能测试值见下表：

性能指标

由上表可以看出，随着二氧化硅的加入量的增加，镀铬层的显微硬度，阴极电流效率逐渐增加；腐蚀电流密度和载流子密度下降，耐蚀性能增加。

对电镀镀层进行电化学测试的方法如下所述：

对镀铬层进行电化学测试，电化学实验采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片。试验用药品采用分析纯试剂，用去离子水配制溶液。烘干后，电极在室温的5%Na₂SO₄溶液中浸泡（电极工作面不与辅助电极或参比电极接触）；然后进行电位~时间、阻抗~电位和极化曲线的测量。电极体系的测量采用PC计算机控制的CHI660型电化学工作站（上海辰华仪器公司）。测量频率为1000Hz，然后对阻抗~电位数据进行Mott-Schotty分析算出电极的表面载流子密度、对极化曲线进行分析算出腐蚀电流密度。

Claims (1)

1. 一种钢材的铬-二氧化硅复合电镀方法，其特征在于具有以下的过程和步骤:

a. 配制复合电镀液，即含有镉和纳米二氧化硅的复合电镀液；

  首先制备纳米二氧化硅水分散系：将高纯度的二氧化硅粉末经研磨—溶解—研磨—烘干，且重复前面步骤三次；然后将风干的粉末放入球磨机中球磨成纳米粉体，最后再经超声波活化处理，得到纳米二氧化硅水分散系；水溶过程中，粉末溶解用去离子水；烘干温度为80~95℃；球磨机转速100~350r/min；球磨时间为8-15小时；原料与锆珠之比为1:(10~18)；超声波活化在2A级超声强度；

配制铬-二氧化硅复合电镀液，其成分及其用量为：

铬酐                       240~260g/L

    硫酸                       2.4~2.6g/L

    纳米二氧化硅               1~5g/L

b. 将欲镀覆处理的金属或钢材放置于盛有上述复合电镀液的电镀槽中，且以金属或钢材电镀工件作为阴极，以铅锑合金为阳极，同时分别于直流电源的负极和正极通过导线相连接；电镀采用的工艺参数如下：

    温度                    45~55℃

    电流密度                45~60A/dm²

    搅拌溶液循环            80~120r/min

阴极阳极面积比          1.0~2.5

最终在钢材表面得到铬-纳米二氧化硅复合镀层。