用于替代硬铬镀层的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液及电镀层生产工艺
技术领域
本发明涉及用于替代硬铬镀层的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液及电镀层生产工艺,属于电镀液及电镀层生产工艺技术领域。
背景技术
目前,硬铬镀层(厚度30um~50um) 因为其内在的高硬度(600~1,000 VHN之间)和低的摩擦系数(低于0.2)而广泛应用于传动耐磨、耐冲刷组件、工业以及军事领域。目前最常用的镀硬铬手段是在含铬酸的电镀液中电镀生成,其中产生的六价铬对人体健康和环境所造成的危害从30年代初就已经被确认并限制使用。同时, 电镀硬铬涂层工艺和性能还存在如电流效率低、深镀能力差等固有缺点。
发明内容
本发明的目的在于解决上述已有技术存在的不足之处,提供一种完全能够超过现有硬铬镀层整体性能和生命周期,既环保又节能的用于替代硬铬镀层的,在电沉积过程中生成10nm以下单晶纳米晶钴磷合金镀层,同时还提供了实现上述电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的:
电沉积纳米晶钴磷合金电镀液,其特殊之处在于:溶剂为去离子水,溶质的各组分及含量如下:
钴离子 20~30g/l;
硼酸 30~40g/l;
磷酸 10~50g/l,
十二烷基硫酸钠 0.1~0.3g/l。
所述钴离子来源于硫酸钴、氯化钴等可溶性钴盐中的至少一种。
电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺,包括镀件的预处理和脉冲电沉积处理过程,其特殊之处在于所述电沉积处理过程是将经过预处理的镀件作为阴极,将钛金属作为阳极,直接置入pH值为2~3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液中进行单脉冲电沉积处理;电沉积工艺参数包括电沉积时间30~60min,电沉积温度30~60℃,单脉冲电流密度为3~5A/dm2,单脉冲频率50~210Hz,占空比为30~60%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层。
具体工艺过程如下:
步骤1:配制电沉积纳米晶钴磷合金电镀液
所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
钴离子 20~30g/l;
硼酸 30~40g/l;
磷酸 10~50g/l,
十二烷基硫酸钠 0.1~0.3g/l。
所述钴离子来源于硫酸钴、氯化钴等可溶性钴盐中的至少一种。
步骤2:镀件的预处理
将被镀件表面经除油、活化等预处理去除被镀件表面的油、污垢层和氧化层;
上述除油过程包括除油、水洗两个工序,所述除油是指将通用的金属清洗剂加热,然后电化学阴极除油3分钟,电化学阳极除油2分钟;除油后经过两次水洗,一次水洗是采用20~80℃热水进行水洗,二次水洗采用常温水喷淋水洗即可;
上述活化过程包括活化、水洗两个工序,所述活化是指将被镀件浸入含有质量浓度为5~10%的硝酸钠水溶液的阳极活化槽内,进行电化学阳极活化2~6分钟;活化后经两次水洗,一次水洗是采用20~80℃热水进行水洗,二次水洗则采用溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤3:电沉积过程
将作为阴极的镀件和作为阳极的钛金属直接置入装有pH值为2~3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的电镀槽中,通入单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积,设定电流密度为3~5A/dm2,单脉冲频率50~210Hz,保持电沉积温度30~60℃,电沉积时间30~60min,占空比为30~60%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层;
所述单脉冲方波大功率电镀电源是指电压为12V、电流500~10000A、波形为标准方波的单脉冲电源。
步骤4:电沉积后处理
将电沉积后的镀件进行水洗,以清除镀件表面杂质;
所述水洗是先采用20~80℃热水进行,再使用常温的溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤5:干燥去氢
将水洗后的镀件置入温度条件为160~240℃的烘箱内加热保温1~3小时。
本发明通过使用钴及钴化合物电镀液,通过单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积作业,其中频率和占空比连续可调,生成高性能的电沉积纳米晶钴磷合金镀层。
本发明用于替代铬镀层的电沉积纳米晶钴磷合金镀层生产工艺,既可以使用目前硬铬电镀所有的基础设施,同时还有着卓越的完全可取代硬铬涂层的性能。尤其重要的是,这是一项完全环保型和低能耗新技术,不会对环境造成任何危害,节约大量的能源。本发明的目标就是用先进的纳米镀层技术来代替传统的镀硬铬技术,超过现有硬铬的整体性能和生命周期,并达到环保,节能的目的。
附图说明
图1a:纳米晶体结构显微镜示意图;
图1b:纳米晶体结构晶料尺寸示意图;
图2:本发明电沉积纳米晶钴磷合金镀层与硬铬镀层盐雾试验性能对比示意图;
图3:本发明电沉积纳米晶钴磷合金镀层与硬铬镀层耐磨损性能对比示意图。
具体实施方式
以下参照附图,给出本发明的具体实施方式,用来对本发明的构成进行进一步说明。
电沉积纳米晶钴磷合金电镀液,溶剂为去离子水,溶质的各组分及含量如下:
钴离子 20~30g/l;
硼酸 30~40g/l;
磷酸 10~50g/l,
十二烷基硫酸钠 0.1~0.3g/l。
所述钴离子来源于硫酸钴、氯化钴等可溶性钴盐中的至少一种。
电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺,包括镀件的预处理和脉冲电沉积处理过程,所述电沉积处理过程是将经过预处理的镀件作为阴极,将钛金属作为阳极,直接置入pH值为2~3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液中进行单脉冲电沉积处理;电沉积工艺参数包括电沉积时间30~60min,电沉积温度30~60℃,单脉冲电流密度为3~5A/dm2,单脉冲频率50~210Hz,占空比为30~60%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层。
具体工艺过程如下:
步骤1:配制电沉积纳米晶钴磷合金电镀液
所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
硫酸钴 100~150g/l
或氯化钴 80~120g/l
硼酸 30~40g/l;
磷酸 10~50g/l,
十二烷基硫酸钠 0.1~0.3g/l。
步骤2:镀件的预处理
将被镀件表面经除油、活化等预处理去除被镀件表面的油、污垢层和氧化层;
上述除油过程包括除油、水洗两个工序,所述除油是指将通用的金属清洗剂加热,然后电化学阴极除油3分钟,电化学阳极除油2分钟;除油后经过两次水洗,一次水洗是采用20~80℃热水进行水洗,二次水洗采用常温水进行喷淋水洗即可;
上述活化过程包括活化、水洗两个工序,所述活化是指将被镀件浸入含有质量浓度为5~10%的硝酸钠水溶液的阳极活化槽内,进行电化学阳极活化2~6分钟;活化后经两次水洗,一次水洗是采用20~80℃热水进行水洗,二次水洗则采用溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤3:电沉积过程
将作为阴极的镀件和作为阳极的钛金属直接置入装有pH值为2~3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的电镀槽中,通入单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积,设定电流密度为3~5A/dm2,单脉冲频率50~210Hz,保持电沉积温度30~60℃,电沉积时间30~60min,占空比为30~60%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层;
所述单脉冲方波大功率电镀电源是指电压为12V、电流500~10000A、波形为标准方波的单脉冲电源。
步骤4:电沉积后处理
将电沉积后的镀件进行水洗,以清除镀件表面杂质;
所述水洗是先采用20~80℃热水进行,再使用常温的溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤5:干燥去氢
将水洗后的镀件置入温度条件为160~240℃的烘箱内加热保温1~3小时。
对电沉积后的电镀槽内继续添加消耗的溶质,从而实现循环利用,达到节能减排的目的。
实施例1
电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺,包括镀件的预处理和脉冲电沉积处理过程,所述电沉积处理过程是将经过预处理的镀件作为阴极,将钛金属作为阳极,直接置入pH值为2的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液中进行单脉冲电沉积处理;电沉积工艺参数包括电沉积时间30min,电沉积温度30℃,单脉冲电流密度为3A/dm2,单脉冲频率50Hz,占空比为30%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层。
具体工艺过程如下:
步骤1:配制电沉积纳米晶钴磷合金电镀液
所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
硫酸钴 100g/l
硼酸 30g/l;
磷酸 10g/l,
十二烷基硫酸钠 0.1g/l。
步骤2:镀件的预处理
将被镀件表面经除油、活化等预处理去除被镀件表面的油、污垢层和氧化层;
上述除油过程包括除油、水洗两个工序,所述除油是指将市售通用的金属清洗剂加热,然后电化学阴极除油3分钟,电化学阳极除油2分钟;除油后经过两次水洗,一次水洗是采用20℃热水进行水洗,二次水洗采用常温水进行水洗即可;
上述活化过程包括活化、水洗两个工序,所述活化是指将被镀件浸入含有质量浓度为5%的硝酸钠水溶液的阳极活化槽内,进行电化学阳极活化2分钟;活化后经两次水洗,一次水洗是采用20℃热水进行水洗,二次水洗则采用溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤3:电沉积过程
将作为阴极的镀件和作为阳极的钛金属直接置入装有pH值为2的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的电镀槽中,通入单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积,设定电流密度为3A/dm2,单脉冲频率50Hz,保持电沉积温度30℃,电沉积时间30min,占空比为30%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层;
所述单脉冲方波大功率电镀电源是指电压为12V、电流500~10000A、波形为标准方波的单脉冲电源。
步骤4:电沉积后处理
将电沉积后的镀件进行水洗,以清除镀件表面杂质;
所述水洗是先采用20℃热水进行,再使用常温的溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤5:干燥去氢
将水洗后的镀件置入温度条件为160℃的烘箱内加热保温1小时。
实施例2
电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺,具体工艺过程如下:
步骤1:配制电沉积纳米晶钴磷合金电镀液
所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
硫酸钴 150g/l;
硼酸 40g/l;
磷酸 50g/l,
十二烷基硫酸钠 0.3g/l。
步骤2:镀件的预处理
将被镀件表面经除油、活化等预处理去除被镀件表面的油、污垢层和氧化层;
上述除油过程包括除油、水洗两个工序,所述除油是指将通用的金属清洗剂加热,然后电化学阴极除油3分钟,电化学阳极除油2分钟;除油后经过两次水洗,一次水洗是采用80℃热水进行水洗,二次水洗采用常温水进行喷淋水洗即可;
上述活化过程包括活化、水洗两个工序,所述活化是指将被镀件浸入含有质量浓度为10%的硝酸钠水溶液的阳极活化槽内,进行电化学阳极活化6分钟;活化后经两次水洗,一次水洗是采用80℃热水进行水洗,二次水洗则采用溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤3:电沉积过程
将作为阴极的镀件和作为阳极的钛金属直接置入装有pH值为3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的电镀槽中,通入单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积,设定电流密度为5A/dm2,单脉冲频率210Hz,保持电沉积温度60℃,电沉积时间60min,占空比为60%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层;
所述单脉冲方波大功率电镀电源是指电压为12V、电流500~10000A、波形为标准方波的单脉冲电源。
步骤4:电沉积后处理
将电沉积后的镀件进行水洗,以清除镀件表面杂质;
所述水洗是先采用80℃热水进行,再使用常温的溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤5:干燥去氢
将水洗后的镀件置入温度条件为240℃的烘箱内加热保温3小时。
实施例3
电沉积纳米晶钴磷合金镀层的生产工艺,具体工艺过程如下:
步骤1:配制电沉积纳米晶钴磷合金电镀液
所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
氯化钴 80g/l;
硼酸 35g/l;
磷酸 30g/l,
十二烷基硫酸钠 0.2g/l。
步骤2:镀件的预处理
将被镀件表面经除油、活化等预处理去除被镀件表面的油、污垢层和氧化层;
上述除油过程包括除油、水洗两个工序,所述除油是指将市售通用的金属清洗剂加热,然后电化学阴极除油3分钟,电化学阳极除油2分钟;除油后经过两次水洗,一次水洗是采用50℃热水进行水洗,二次水洗采用常温水进行喷淋水洗即可;
上述活化过程包括活化、水洗两个工序,所述活化是指将被镀件浸入含有质量浓度为8%的硝酸钠水溶液的阳极活化槽内,进行电化学阳极活化4分钟;活化后经两次水洗,一次水洗是采用50℃热水进行水洗,二次水洗则采用溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤3:电沉积过程
将作为阴极的镀件和作为阳极的钛金属直接置入装有pH值为3的电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的电镀槽中,通入单脉冲方波大功率电镀电源进行电沉积,设定电流密度为4A/dm2,单脉冲频率130Hz,保持电沉积温度45℃,电沉积时间45min,占空比为50%;最终获得粒径小于10nm的纳米晶钴磷合金镀层;
所述单脉冲方波大功率电镀电源是指电压为12V、电流500~10000A、波形为标准方波的单脉冲电源。
步骤4:电沉积后处理
将电沉积后的镀件进行水洗,以清除镀件表面杂质;
所述水洗采用50℃热水进行,再使用常温的溶解性固体总含量少于50ppm的纯水进行喷淋水洗;
步骤5:干燥去氢
将水洗后的镀件置入温度条件为200℃的烘箱内加热保温2小时。
实施例4
本实施例与实施例3的不同之处在于,所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
氯化钴 120g/l;
硼酸 35g/l;
磷酸 30g/l,
十二烷基硫酸钠 0.2g/l。
实施例5
本实施例与实施例3的不同之处在于,所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
氯化钴 100g/l;
硼酸 35g/l;
磷酸 30g/l,
十二烷基硫酸钠 0.2g/l。
实施例6
本实施例与实施例2的不同之处在于,所述电沉积纳米晶钴磷合金电镀液的组分及含量如下:
硫酸钴 125g/l;
硼酸 35g/l;
磷酸 30g/l,
十二烷基硫酸钠 0.2g/l。
本发明技术方案与现有同类产品或方法比较具有的优点或能够达到的有益技术效果:
1、电流效率高,沉积速度快,最高可达60um/h,镀同等厚度能耗只有镀硬铬的1/3。
2、深镀能力好,一次镀厚可达2000um以后,深镀能力是镀硬铬的10~18倍。
3、环保效果好,废液中不含六价铬,金属离子全部可以回收,而且回收简单容易,排放完全达标。
4、耐腐蚀效果好,中性盐雾试验最高可以达到1000小时,远远超过镀硬铬的最高200小时。
5、摩擦系数比镀硬铬的低,从而使得同等条件下磨损量也只有镀硬铬的1/2。