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
技術領域：
本發明涉及純鋁及鋁合金表面改性技術領域，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：
近幾年來，化學鍍鎳作為一項重要的表面處理手段，已被廣泛應用到航空、航天、電子工業、石油化工、機械、紡織、汽車工業等領域。隨著納米材料科學的發展，給表面復合鍍層技術帶來了新的契機。傳統的化學鍍層存在硬度低、耐磨性差等缺點，納米化學復合鍍是在傳統的化學鍍基礎上發展起來的一種表面處理新技術；納米化學復合鍍層是一種具有特殊功能的復合鍍層，該鍍層既具有基質金屬的優良特性，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、體積效應、量子尺寸效應等作用，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合鍍層。中國專利申請《金屬表面化學鍍鎳方法》(CN102002690A)公開的技術可以在金屬工件、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雜金屬表面的氣蝕現象。但此方法需要將鍍液泵入濾孔孔徑為O. 05微米的過濾器中進行過濾，這不僅增大了設備的投資，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《一種低應力鍍鎳工藝》(ZL200910187670)公開的技術是以鎳鹽為主鹽，通過檢查鍍液、去所鍍材料應力、陽極電解除油、腐蝕、預鍍鎳、鍍鎳以及熱處理獲得內應力低、硬度高、結合力強、且具有優越的延展性的保護層。但該項工藝預處理較為繁瑣，不易于維護，影響了生產效率。目前國內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顆粒復合鍍技術。

發明內容
本發明要解決的技術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。本發明的工藝流程為I.試樣預處理試樣經酒精浸泡、化學除油、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.進行復合化學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化學除油后用冷水作第一次水洗；在溫度為2(T30°C的質量比10%Na0H溶液中浸泡20s堿侵蝕后，再在溫度為2(T30°C的質量比98%H2S0450ml/L、質量比65%HN0350ml/L、質量比48%HF100ml/L的混合酸中浸泡15s后用冷水進行第二次水洗；試樣預處理中，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,再進行第二次浸鋅。試樣預處理中，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。復合化學鍍后的試樣冷水洗3-4次。用冷水洗去試樣表面殘余鍍液的試樣，通過熱處理進一步提高鍍層的綜合性能。本發明的方法具有以下優點I、本發明的方法工藝合理，操作簡便，鍍層致密牢固，結合性好，產品綜合性能高。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顆粒復合鍍層的硬度性能、耐磨性能均高于單
一鎳磷鍍層。3、本發明采用的非離子表面活性劑作為SiO2的活性劑，無毒、環保、高效；且配方簡單，操作簡單，成本低，所獲得復合鍍層致密牢固，表面均勻，硬度高，耐磨、耐熱。4、本發明的方法采用傳統的鎳磷化學鍍技術的設備就可以生產，生產成本較低，具有較好的經濟效益和推廣前景。
具體實施例方式微納米SiO2顆粒復合鍍工藝包括前處理、化學鍍、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，獲得與復合鍍層具有良好結合力的鋁合金基體表面；化學鍍是將已處理好的鋁合金放入鍍液中，發生一系列的化學和物理反應，形成復合化學鍍層；后處理主要是通過熱處理工藝進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，同時在高溫下仍具有高強、高韌、穩定性好等特點，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。本發明采用了非離子表面活性劑與微納米顆粒進行處理，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。該復合化學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定性差等問題。實施例I :將規格為30mmX 15mmX5mm的純鋁片經過預處理后置于硫酸鎳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顆粒復合鍍層，該鍍層均勻，表面平整光滑無毛刺，致密牢固，結合性好，硬度高，耐磨性強。實施例2 將規格為15mmX IOmmX 5mm的6063招片經過預處理后置于硫酸鎳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復合鍍層，該鍍層鍍層表面平整，致密牢固，結合性好，硬度高，耐磨性強。實施例3 將規格為20mmX IOmmX 2mm的6063鋁片經過預處理后置于硫酸鎳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，結合性好，硬度更高，耐磨性更強，并具有耐熱特性。實施例4:將規格為15mmX IOmmX 2mm的2024鋁片經過預處理后置于硫酸鎳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，結合性好，硬度高，耐磨性好。
權利要求
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試樣預處理試樣經酒精浸泡、化學除油、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進行復合化學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品。
2.如權利要求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化學除油后用冷水作第一次水洗；在溫度為2(T30°C的質量比10%Na0H溶液中浸泡20s堿侵蝕后，再在溫度為2(T30°C的質量比98%H2S0450ml/L、質量比65%HN0350ml/L、質量比48%HF100ml/L的混合酸中浸泡15s后用冷水進行第二次水洗。
3.如權利要求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，再進行第二次浸鋅。
5.如權利要求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，其特征是在試樣預處理中，浸鋅后的試樣用丙酮、酒精超聲清洗各IOmin。
6.如權利要求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，其特征是復合化學鍍后的試樣冷水洗3-4次。
8.如權利要求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，試樣先經酒精浸泡、化學除油、堿、酸侵蝕、水洗、浸鋅、最后用丙酮、酒精超聲清洗的預處理，SiO2納米顆粒置于非離子表面活性劑OP-21中浸泡后對試樣進行復合化學鍍，鍍后用冷水洗和后處理即得成品。本發明的方法工藝合理，操作簡便，鍍層致密牢固，結合性好，表面均勻，硬度高，耐磨、耐熱，產品綜合性能高，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、環保、高效，配方和操作簡單，成本低，用傳統的鎳磷化學鍍技術的設備就可以生產，具有較好的經濟效益和推廣前景。
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 優先權日2012年9月14日
發明者李偉洲, 楊劍冰, 李月巧, 胡治流, 劉偉 申請人:廣西大學