CN109371433A - 一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法 - Google Patents

一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法，镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～38g/L；复合添加剂：15～45g/L；缓冲剂：80～240g/L；催化剂：10～40g/L；所述的复合添加剂为SiO2，SiO2颗粒的直径为10～30nm。本发明主要是通过在三价铬镀液中添加优化配比的纳米SiO2颗粒的方式，使用喷射电沉积的方式来改变三价铬电沉积的结晶过程，从而实现三价铬纳米晶复合镀铬层的制备，不需要后期的热处理工序，提高镀铬层的塑性，可以克服由于镀铬层内应力产生的裂纹。

Description

一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法
技术领域
本发明属于电化学沉积技术领域，具体是涉及一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法。
背景技术
铬是一种过渡金属，极易钝化，化学稳定性高、耐磨损性和抗烧蚀性能好，铬层主要采用电沉积的方式制备，通过特定的化学镀液在外接电源的作用下，以被镀基体金属为阴极，以铬或其它惰性导体为阳极，在电化学作用下在基体表面上获得结合牢固的铬镀层。铬镀层的结晶组织致密，镀层表面光滑，其硬度随工艺条件的不同可在500～1000HV范围内变化。镀铬根据其使用目的可以分为装饰性镀铬和功能性镀铬；根据镀液类型可以分为六价铬和三价铬，六价铬工艺成熟简单，但存在严重的环境污染问题且六价铬离子是一种致癌物质，因此很多国家都出台相关规定，限制和禁止六价铬电镀的使用，三价铬电镀相对于六价铬电镀具有环境污染小、能耗低的优点，是目前被认为替代六价铬电镀的最优前途的发展方向。
例如，中国专利CN200610042898.4公开了一种在三价铬电镀液中制备厚度达到30～50μm的硬铬镀层的方法。主要是针对目前三价铬电沉积工艺存在的镀层厚度不能超过10μm、不能用于抗磨减摩方面等致命缺点而发明的。该发明在含氯化铬的基础电解液中，通过选择适当的添加剂和控制工艺条件，制备出表面平整，与底材结合牢固，硬度达到800Hv，热处理后硬度达到1400Hv以上的镀层。其优点在于制备出的铬镀层表面无裂纹，厚度最大能达到50μm的镀层。经过适当温度下的热处理后，其耐磨性能优于传统的六价铬电镀镀层。此发明的工艺有望部分取代严重污染环境且危害人体健康的传统六价铬电沉积工艺，制备的镀层可用于工件的抗磨减摩涂层。但是，该工艺制备得到的电镀镀层为非晶态，塑性较差，后期需要进行热处理提高性能。
目前通过电沉积制备的三价铬镀层常温下其晶体结构通常为非晶态，电沉积制备的三价铬镀层XRD图谱衍射峰为典型的馒头峰，表明其镀铬层结构为非晶态。非晶态镀层经过热处理其结构会发生变化，会由非晶态变为晶态，经过200°、400°和600°热处理后的三价铬镀层已经由非晶态变化为晶态。非晶态镀层的塑性往往较差，对于镀铬层使用方面具有定的影响。但是目前尚未有成熟工艺可以使用三价铬镀液制备出相对较为稳定的晶态镀铬层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法，主要是通过在三价铬镀液中添加优化配比的纳米SiO2颗粒的方式，采用喷射电沉积的方法在铜基体表面制备纳米晶三价铬复合镀层，不需要后期的热处理工序，提高镀铬层的塑性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一方面提供了一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～38g/L；复合添加剂：15～45g/L；缓冲剂：80～240g/L；催化剂：10～40g/L；所述的复合添加剂为SiO2，SiO2颗粒的直径为10～30nm。
在一个优选的技术方案中，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～28g/L；复合添加剂：15～25g/L；缓冲剂：80～120g/L；催化剂：10～20g/L。
在一个优选的技术方案中，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：28～38g/L；复合添加剂：25～45g/L；缓冲剂：120～240g/L；催化剂：20～40g/L。
在一个优选的技术方案中，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：28g/L；复合添加剂：35g/L；缓冲剂：120g/L；催化剂：20g/L。
所述的三价铬优选为硫酸铬；缓冲剂优选为硫酸钾；催化剂优选为尿酸和氟化钕的混合物，尿酸和氟化钕质量比优选为5～10:1。
本发明另一方面还提供了一种使用上述纳米晶三价铬复合镀层用镀液的复合镀层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、镀前预处理；
步骤2、三价铬喷射电沉积复合工艺，具体工艺参数如下：
①对镀液进行预热，温度为35～45℃；
②调整喷枪距离阳极距离为5-8mm；
③镀液流动速度为2.7-3.5L/min；
④电流密度为40-65A/dm2；
⑤喷枪的移动速度为1.2-1.8mm/s；
⑥喷镀时间为25min～75min。
在一个优选的技术方案中，所述镀前预处理采用刷镀的方式进行，具体流程为：砂纸打磨→电净→2号活化液活化→3号活化液活化，在每道工序结束后用去离子水冲洗工件表面；砂纸打磨选用2000#砂纸，去除基体表面的毛刺和锈蚀层。
在一个优选的技术方案中，所述电净的工艺参数为：电压：+8～14V；时间：30s；速度：9～18m/min。
在一个优选的技术方案中，所述2号活化液活化的工艺参数为：电压：-8～14V；时间：30～60s；速度：6～10m/min。
在一个优选的技术方案中，所述3号活化液活化的工艺参数为：电压：-18～25V；时间：30～60s；速度：4～8m/min。
在一个优选的技术方案中，所述喷射电沉积复合工艺中喷射阴极基体材料为直径25mm，厚10mm的圆柱形黄铜；阳极为石墨。
本发明采用喷射电沉积制备纳米晶三价铬复合镀层，其原理如下：
喷射电沉积与普通槽镀的基本相同，不同点在于其液体传质的过程，其基本原理是：在工件(阴极)和喷嘴(阳极)之间施加一定电压，同时将电解液高速喷射到工件上，在喷射镀液覆盖区阴极和阳极通过电解液构成回路，此时在工件表面被镀液覆盖区域发生还原反应，产生电沉积，工件其他部位由于没有电流通过不产生电沉积。喷射电沉积与普通槽镀相比具有以下优点：(1)沉积效率高，极限电流密度高沉积速度快；(2)具有选择性、快速、低成本；(3)适用于盲孔和深孔零件；(4)适用于磨损或损伤部件的修复。图1给出的是喷射电沉积装置的结构示意图。
本发明的技术效果如下：
1、本发明通过在镀液中添加SiO2纳米颗粒并且优化镀液的质量配比，使用喷射电沉积的方式来改变三价铬电沉积的结晶过程，从而实现三价铬纳米晶复合镀铬层的制备。
2、本发明通过喷射电沉积制备的三价铬复合镀层，其结构为晶体，具有良好的塑性，不需要后期热处理工序，可以克服由于镀铬层内应力产生的裂纹。
附图说明：
图1为喷射电沉积装置的结构示意图。
图2为不同工艺条件下下三价铬镀铬层的XRD图谱。
图中：1-镀层、2-阳极、3-阴极、4-镀液、5-绝缘套、6-分流器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式详细说明本发明的一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液及复合镀层的制备方法。
在一个具体实施方式中，本发明一方面提供了一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～38g/L；复合添加剂：15～45g/L；缓冲剂：80～240g/L；催化剂：10～40g/L；所述的复合添加剂为SiO2，SiO2颗粒的直径为10～30nm。
在另一个具体实施方式中，本发明另一方面还提供了一种使用上述纳米晶三价铬复合镀层用镀液的复合镀层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、镀前预处理；
步骤2、三价铬喷射电沉积复合工艺，具体工艺参数如下：
①对镀液进行预热，温度为35～45℃；
②调整喷枪距离阳极距离为5-8mm；
③镀液流动速度为2.7-3.5L/min；
④电流密度为40-65A/dm2；
⑤喷枪的移动速度为1.2-1.8mm/s；
⑥喷镀时间为25min～75min。
所述镀前预处理采用刷镀的方式进行，具体流程为：砂纸打磨→电净→2号活化液活化→3号活化液活化，在每道工序结束后用去离子水冲洗工件表面；砂纸打磨选用2000#砂纸，去除基体表面的毛刺和锈蚀层。
所述电净的工艺参数为：电压：+8～14V；时间：30s；速度：9～18m/min。所述2号活化液活化的工艺参数为：电压：-8～14V；时间：30～60s；速度：6～10m/min。所述3号活化液活化的工艺参数为：电压：-18～25V；时间：30～60s；速度：4～8m/min。
所述喷射电沉积复合工艺中喷射阴极基体材料为直径25mm，厚10mm的圆柱形黄铜；阳极为石墨。
实施例1
一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18g/L；复合添加剂：15g/L；缓冲剂：80g/L；催化剂：10g/L。
实施例2
一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：38g/L；复合添加剂：45g/L；缓冲剂：240g/L；催化剂：40g/L。
实施例3
一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：28g/L；复合添加剂：35g/L；缓冲剂：120g/L；催化剂：20g/L。
实施例1-3中使用的三价铬为硫酸铬；复合添加剂为纳米二氧化硅；缓冲剂为硫酸钾；催化剂为尿酸和氟化钕的混合物，尿酸和氟化钕质量比为10:1。
本发明采用喷射电沉积制备纳米晶三价铬复合镀层，如图所示，在工件(阴极)和喷嘴(阳极)之间施加一定电压，同时将电解液高速喷射到工件上，在喷射镀液覆盖区阴极和阳极通过电解液构成回路，此时在工件表面被镀液覆盖区域发生还原反应，产生电沉积，工件其他部位由于没有电流通过不产生电沉积。制备的复合镀铬层厚度在25μm左右。
图2为不同工艺条件下下三价铬镀铬层的XRD图谱，从图中可以看出随着纳米颗粒添加量的变化，镀铬层的晶体结构在发生变化，当纳米颗粒含量在15g/L以上时，镀铬层的晶体结构由非晶态转变为晶态。

Claims (10)

1.一种纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述的镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～38g/L；复合添加剂：15～45g/L；缓冲剂：80～240g/L；催化剂：10～40g/L；所述的复合添加剂为SiO2，SiO2颗粒的直径为10～30nm。
2.根据权利要求1所述的纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：18～28g/L；复合添加剂：15～25g/L；缓冲剂：80～120g/L；催化剂：10～20g/L。
3.根据权利要求1所述的纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：28～38g/L；复合添加剂：25～45g/L；缓冲剂：120～240g/L；催化剂：20～40g/L。
4.权利要求1～3任一项权利要求所述的纳米晶三价铬复合镀层用镀液，其特征在于：所述镀液的质量份数组成如下：三价铬溶液：28g/L；复合添加剂：35g/L；缓冲剂：120g/L；催化剂：20g/L。
5.一种使用权利要求1～4任一项权利要求所述的纳米晶三价铬复合镀层用镀液的复合镀层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、镀前预处理；
步骤2、三价铬喷射电沉积复合工艺，具体工艺参数如下：
①对镀液进行预热，温度为35～45℃；
②调整喷枪距离阳极距离为5-8mm；
③镀液流动速度为2.7-3.5L/min；
④电流密度为40-65A/dm2；
⑤喷枪的移动速度为1.2-1.8mm/s；
⑥喷镀时间为25min～75min。
6.根据权利要求5所述的复合镀层的制备方法，其特征在于：所述镀前预处理采用刷镀的方式进行，具体流程为：砂纸打磨→电净→2号活化液活化→3号活化液活化，在每道工序结束后用去离子水冲洗工件表面；砂纸打磨选用2000#砂纸，去除基体表面的毛刺和锈蚀层。
7.根据权利要求6所述的复合镀层的制备方法，其特征在于：所述电净的工艺参数为：电压：+8～14V；时间：30s；速度：9～18m/min。
8.根据权利要求6所述的复合镀层的制备方法，其特征在于：所述2号活化液活化的工艺参数为：电压：-8～14V；时间：30～60s；速度：6～10m/min。
9.根据权利要求6所述的复合镀层的制备方法，其特征在于：所述3号活化液活化的工艺参数为：电压：-18～25V；时间：30～60s；速度：4～8m/min。
10.根据权利要求5所述的复合镀层的制备方法，其特征在于：所述喷射电沉积复合工艺中喷射阴极基体材料为直径25mm，厚10mm的圆柱形黄铜；阳极为石墨。
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