本發(fā)明涉及鋁基材料化學(xué)鍍鎳處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在鋁基材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳的前處理方法。
背景技術(shù)：
鋁及鋁合金由于其密度小、比強(qiáng)度高、易于壓力加工等特點(diǎn)，在電子、航空航天、國(guó)防等諸多領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用。但其硬度低、耐磨和耐腐蝕性差，越來(lái)越不能滿足其應(yīng)用要求，常常需要采用表面處理技術(shù)來(lái)改進(jìn)其制件的表面性能。鋁及鋁合金化學(xué)鍍鎳可明顯提高表面硬度、耐磨和耐腐蝕性，而且還可賦予表面其它許多功能特性，如釬焊性、可拋光性等，可進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。
但鋁材是一種難鍍的金屬基體。因?yàn)殇X與氧有很強(qiáng)的親和力，鋁表面極易生成氧化膜，即使用化學(xué)方法去除，在鍍覆其它金屬之前又會(huì)形成新的氧化膜，這種氧化膜與鍍層的結(jié)合力很差。另外，鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很負(fù)(-1.67V)，在鍍液中容易與電位較正的金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)生成疏松層，影響鍍層結(jié)合力。因此，要在鋁基材料上獲得結(jié)合力良好的化學(xué)鍍鎳合金鍍層，必須解決上述問(wèn)題。結(jié)合力的好壞直接取決于前處理工藝的優(yōu)劣，這就對(duì)鋁基材料化學(xué)鍍的前處理工藝有了較高的要求。
國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁基材料化學(xué)鍍鎳前處理，進(jìn)行了許多研究，主要可歸納為三類途徑：
第一類：通過(guò)專門的浸鍍?nèi)芤禾幚?。利用浸鍍?cè)〉母g性，除去鋁的氧化膜，在受控置換反應(yīng)下，在鋁件表面浸鍍上一層盡可能薄的、比較不容易氧化的中間金屬層，浸鍍層是暫時(shí)性的或過(guò)渡性的，如浸鋅法、浸鎳法。然后轉(zhuǎn)入預(yù)鍍層工序，如預(yù)電鍍鎳或預(yù)化學(xué)鍍鎳。在本途徑中，目前較常見的是二次浸鋅法，這種方法是目前研究開發(fā)和經(jīng)工程上生產(chǎn)驗(yàn)證后應(yīng)用最多的方法。
第二類：陽(yáng)極氧化法。通過(guò)在材料上形成氧化膜防止鋁的氧化，提高后續(xù)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，如磷酸陽(yáng)極氧化法。
第三類：直接化學(xué)鍍鎳，一般用于某些弱堿性化學(xué)鍍?cè)》ā?/p>
但以上前處理方法在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很多不足。如二次浸鋅法不可避免地存在如下問(wèn)題：(1)在潮濕的腐蝕性環(huán)境中，鋅相對(duì)于鎳鍍層是陽(yáng)極，將受到橫向腐蝕，最終導(dǎo)致鍍層剝落；(2)過(guò)渡鋅層熔點(diǎn)低，限制了應(yīng)用范圍；(3)兩次浸鋅之間還有一次硝酸退鋅工序，污染環(huán)境；(4)浸鋅層對(duì)化學(xué)鍍鎳溶液有污染；(5)浸鋅法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。陽(yáng)極氧化法目前研究較少，而直接化學(xué)鍍鎳法一般用于某些弱堿性化學(xué)鍍?cè)》ǎ壳耙呀?jīng)有較多研究，但這兩類方法中結(jié)合力不佳的問(wèn)題仍未得到徹底解決。
目前雖然已有很多研究工作者開發(fā)出了一些工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保型、低成本金屬活化浸鍍液，能大大提高鍍層結(jié)合力的預(yù)處理工藝，但大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，離大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。
因此，開發(fā)簡(jiǎn)便實(shí)用的前處理工藝，成為在鋁基材料表面獲得結(jié)合力強(qiáng)、性能優(yōu)良的鍍鎳層的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在鋁基材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳的前處理方法。研發(fā)了稀土增強(qiáng)的化學(xué)氧化法，使化學(xué)鍍鎳工藝大大簡(jiǎn)化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種在鋁基材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳的前處理方法，該方法為：采用稀土增強(qiáng)的化學(xué)氧化法，在鋁基材料表面生成一層化學(xué)氧化膜，再經(jīng)酸活化后進(jìn)行酸性化學(xué)鍍鎳處理。
優(yōu)選地，所述稀土增強(qiáng)的化學(xué)氧化法包括如下步驟，
步驟1，配制混合溶液：碳酸鈉40-50g/L，鉻酸鈉10-20g/L，硅酸鈉0.5-1.5g/L，氯化鈰0.1-0.5g/L；
步驟2，將前述配制的混合溶液加熱到95-100℃，將鋁基材料在該混合溶液中浸漬5-10分鐘，取出用水沖洗。
優(yōu)選地，所述鋁基材料進(jìn)行稀土增強(qiáng)的化學(xué)氧化之前還包括，將鋁基材料進(jìn)行堿蝕、酸洗。
優(yōu)選地，所述鋁基材料進(jìn)行堿蝕的方法為：將鋁基材料樣品浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗。
優(yōu)選地，所述鋁基材料進(jìn)行酸洗的方法為：將堿蝕后的鋁基材料浸泡在30％的HNO3溶液中，10-20秒后取出用水沖洗。
優(yōu)選地，所述酸活化采用鹽酸進(jìn)行活化。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述鹽酸活化的方法為：將化學(xué)氧化處理后的鋁基材料放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理5-10分鐘，取出用水沖洗。
優(yōu)選地，所述酸性化學(xué)鍍鎳處理的方法為：將酸活化后的鋁基材料放入鍍鎳溶液中于溫度88℃下反應(yīng)2小時(shí)；所述鍍鎳溶液為硫酸鎳21g/L、次亞磷酸鈉24g/L、乳酸30ml/L、鉛離子2mg/L，pH4.6。
本發(fā)明方法在鋁基材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳的具體實(shí)施步驟如下：
(1)堿蝕：將鋁基材料樣品浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗；
(2)酸洗中和出光：室溫下將樣品浸泡在30％的HNO3溶液中，10-20秒后取出用水沖洗；
(3)化學(xué)氧化：配制混合溶液，其中碳酸鈉40-50g/L，鉻酸鈉10-20g/L，硅酸鈉0.5-1.5g/L，氯化鈰0.1-0.5g/L，將該混合溶液加熱到95-100℃，樣品在此溶液中浸漬5-10分鐘，取出用水沖洗；
(4)鹽酸活化：室溫下將樣品放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理5-10分鐘，取出用水沖洗；
(5)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳：所用化學(xué)鍍Ni-P配方為硫酸鎳21g/L，次亞磷酸鈉24g/L，乳酸30ml/L，鉛離子2mg/L，pH4.6，溫度88℃，反應(yīng)2小時(shí)；
(6)鍍層結(jié)合力測(cè)試：參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)中B571提供的鍍層結(jié)合力試驗(yàn)方法，進(jìn)行鍍層結(jié)合力的定性判定。網(wǎng)格試驗(yàn)：采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃兩至多條平行線或者矩形網(wǎng)格，并運(yùn)用足夠的力量使刀尖劃到基體，然后根據(jù)平行線或網(wǎng)格間是否有鍍層脫落或從基體裂開來(lái)判定鍍層結(jié)合力的好壞。熱淬試驗(yàn)：將試樣放在干燥箱中，并于(220±2)℃下加熱1小時(shí)，然后取出，立即放入自來(lái)水中冷卻，此過(guò)程重復(fù)4次，最后根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象來(lái)判定鍍層結(jié)合力。
結(jié)合力測(cè)試結(jié)果表明，采用本發(fā)明前處理方法得到的鍍層經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)后均未出現(xiàn)剝離或脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層的結(jié)合力均滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。鍍層熱淬試驗(yàn)后都未出現(xiàn)起泡或開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層均符合熱淬試驗(yàn)的結(jié)合力標(biāo)準(zhǔn)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
1，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用稀土增強(qiáng)的化學(xué)氧化法進(jìn)行鋁基材料表面化學(xué)鍍鎳的前處理，不需經(jīng)過(guò)浸鋅、預(yù)電鍍鎳或預(yù)化學(xué)鍍鎳(中性、弱堿性)等過(guò)程，可直接進(jìn)行酸性化學(xué)鍍鎳，使化學(xué)鍍鎳工藝大大簡(jiǎn)化。
2，本發(fā)明方法有效提高了鍍層的結(jié)合力，從根本上防止了鋁合金表面自然氧化膜的再次生成導(dǎo)致結(jié)合力差的情況，鹽酸活化步驟還提高了鋁基材料的表面粗糙度并由此提高了鍍層結(jié)合力。
3，中間過(guò)渡層不是鋅等金屬而是一層氧化膜，很大程度上避免了形成原電池及發(fā)生電化學(xué)腐蝕的問(wèn)題。
4，沒有其它離子引入鍍液，防止對(duì)鍍液產(chǎn)生毒化作用，保證鍍液的穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下采用的試劑如未特別說(shuō)明，均為商業(yè)化產(chǎn)品。
實(shí)施例1
取φ20×1mm的LF2鋁合金管，截成長(zhǎng)1.5cm的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
首先進(jìn)行堿蝕，將樣品料浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗。然后將樣品在室溫下浸泡在30％的HNO3溶液中，進(jìn)行酸洗中和出光，10秒后取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)氧化前處理，取碳酸鈉4.92g，鉻酸鈉1.44g，硅酸鈉0.11g，0.03g氯化鈰，并加入水配成100ml溶液，加熱到96℃，樣品在此溶液中浸漬5分鐘，取出用水沖洗。然后用鹽酸活化，室溫下將樣品放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理5分鐘，取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，所用化學(xué)鍍Ni-P配方為硫酸鎳21g/L，次亞磷酸鈉24g/L，乳酸30ml/L，鉛離子2mg/L，pH4.6，溫度88℃，反應(yīng)2小時(shí)。最后進(jìn)行鍍層結(jié)合力測(cè)試，參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)中B571提供的鍍層結(jié)合力試驗(yàn)方法，進(jìn)行鍍層結(jié)合力的定性判定。網(wǎng)格試驗(yàn)：采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃兩至多條平行線或者矩形網(wǎng)格，并運(yùn)用足夠的力量使刀尖劃到基體，然后根據(jù)平行線或網(wǎng)格間是否有鍍層脫落或從基體裂開來(lái)判定鍍層結(jié)合力的好壞。熱淬試驗(yàn)：將試樣放在干燥箱中，并于(220±2)℃下加熱1h，然后取出，立即放入自來(lái)水中冷卻，此過(guò)程重復(fù)4次，最后根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象來(lái)判定鍍層結(jié)合力。
結(jié)合力測(cè)試結(jié)果表明，鍍層經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)后未出現(xiàn)剝離或脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層的結(jié)合力均滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。鍍層熱淬試驗(yàn)后未出現(xiàn)起泡或開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層均符合熱淬試驗(yàn)的結(jié)合力標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例2
改變鋁合金種類，取φ20×1mm的6061鋁合金管，截成長(zhǎng)1.5cm的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
首先進(jìn)行堿蝕，將樣品料浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗。然后將樣品在室溫下浸泡在30％的HNO3溶液中，進(jìn)行酸洗中和出光，15秒后取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)氧化前處理，取碳酸鈉8.56g，鉻酸鈉2.84g，硅酸鈉0.24g，0.08g氯化鈰，并加入水配成200ml溶液，加熱到96℃，樣品在此溶液中浸漬5分鐘，取出用水沖洗。然后用鹽酸活化，室溫下將樣品放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理6分鐘，取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，所用化學(xué)鍍Ni-P配方為硫酸鎳21g/L，次亞磷酸鈉24g/L，乳酸30ml/L，鉛離子2mg/L，pH4.6，溫度88℃，反應(yīng)2小時(shí)。最后進(jìn)行鍍層結(jié)合力測(cè)試，參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)中B571提供的鍍層結(jié)合力試驗(yàn)方法，進(jìn)行鍍層結(jié)合力的定性判定。網(wǎng)格試驗(yàn)：采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃兩至多條平行線或者矩形網(wǎng)格，并運(yùn)用足夠的力量使刀尖劃到基體，然后根據(jù)平行線或網(wǎng)格間是否有鍍層脫落或從基體裂開來(lái)判定鍍層結(jié)合力的好壞。熱淬試驗(yàn)：將試樣放在干燥箱中，并于(220±2)℃下加熱1h，然后取出，立即放入自來(lái)水中冷卻，此過(guò)程重復(fù)4次，最后根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象來(lái)判定鍍層結(jié)合力。
結(jié)合力測(cè)試結(jié)果表明，鍍層經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)后未出現(xiàn)剝離或脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層的結(jié)合力均滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。鍍層熱淬試驗(yàn)后未出現(xiàn)起泡或開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層均符合熱淬試驗(yàn)的結(jié)合力標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例3
改變鋁合金種類，取φ20×1mm的3003鋁合金管，截成長(zhǎng)1.5cm的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
首先進(jìn)行堿蝕，將樣品料浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗。然后將樣品在室溫下浸泡在30％的HNO3溶液中，進(jìn)行酸洗中和出光，20秒后取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)氧化前處理，取碳酸鈉8.56g，鉻酸鈉2.84g，硅酸鈉0.24g，0.08g氯化鈰，并加入水配成200ml溶液，加熱到96℃，樣品在此溶液中浸漬5分鐘，取出用水沖洗。然后用鹽酸活化，室溫下將樣品放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理8分鐘，取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，所用化學(xué)鍍Ni-P配方為硫酸鎳21g/L，次亞磷酸鈉24g/L，乳酸30ml/L，鉛離子2mg/L，pH4.6，溫度88℃，反應(yīng)2小時(shí)。最后進(jìn)行鍍層結(jié)合力測(cè)試，參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)中B571提供的鍍層結(jié)合力試驗(yàn)方法，進(jìn)行鍍層結(jié)合力的定性判定。網(wǎng)格試驗(yàn)：采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃兩至多條平行線或者矩形網(wǎng)格，并運(yùn)用足夠的力量使刀尖劃到基體，然后根據(jù)平行線或網(wǎng)格間是否有鍍層脫落或從基體裂開來(lái)判定鍍層結(jié)合力的好壞。熱淬試驗(yàn)：將試樣放在干燥箱中，并于(220±2)℃下加熱1h，然后取出，立即放入自來(lái)水中冷卻，此過(guò)程重復(fù)4次，最后根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象來(lái)判定鍍層結(jié)合力。
結(jié)合力測(cè)試結(jié)果表明，鍍層經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)后未出現(xiàn)剝離或脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層的結(jié)合力均滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。鍍層熱淬試驗(yàn)后未出現(xiàn)起泡或開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層均符合熱淬試驗(yàn)的結(jié)合力標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例4
改變鋁合金種類，取φ20×1mm的6063鋁合金管，截成長(zhǎng)1.5cm的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
首先進(jìn)行堿蝕，將樣品料浸泡在5％的NaOH溶液中，50℃下處理2分鐘，取出用水沖洗。然后將樣品在室溫下浸泡在30％的HNO3溶液中，進(jìn)行酸洗中和出光，15秒后取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)氧化前處理，取碳酸鈉8.56g，鉻酸鈉2.84g，硅酸鈉0.24g，0.08g氯化鈰，并加入水配成200ml溶液，加熱到96℃，樣品在此溶液中浸漬5分鐘，取出用水沖洗。然后用鹽酸活化，室溫下將樣品放在6M鹽酸溶液中浸泡，進(jìn)行活化處理10分鐘，取出用水沖洗。接著進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，所用化學(xué)鍍Ni-P配方為硫酸鎳21g/L，次亞磷酸鈉24g/L，乳酸30ml/L，鉛離子2mg/L，pH4.6，溫度88℃，反應(yīng)2小時(shí)。最后進(jìn)行鍍層結(jié)合力測(cè)試，參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)中B571提供的鍍層結(jié)合力試驗(yàn)方法，進(jìn)行鍍層結(jié)合力的定性判定。網(wǎng)格試驗(yàn)：采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃兩至多條平行線或者矩形網(wǎng)格，并運(yùn)用足夠的力量使刀尖劃到基體，然后根據(jù)平行線或網(wǎng)格間是否有鍍層脫落或從基體裂開來(lái)判定鍍層結(jié)合力的好壞。熱淬試驗(yàn)：將試樣放在干燥箱中，并于(220±2)℃下加熱1h，然后取出，立即放入自來(lái)水中冷卻，此過(guò)程重復(fù)4次，最后根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象來(lái)判定鍍層結(jié)合力。
結(jié)合力測(cè)試結(jié)果表明，鍍層經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)后未出現(xiàn)剝離或脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層的結(jié)合力均滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；鍍層熱淬試驗(yàn)后未出現(xiàn)起泡或開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層均符合熱淬試驗(yàn)的結(jié)合力標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明具體實(shí)施例的化學(xué)氧化步驟中采用的溶液中的各組分濃度在一定范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)上述的結(jié)合力測(cè)試結(jié)果。所述溶液的各組分濃度范圍為：碳酸鈉40-50g/L，鉻酸鈉10-20g/L，硅酸鈉0.5-1.5g/L，氯化鈰0.1-0.5g/L。
上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明并不僅限于實(shí)施例的內(nèi)容。對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明的技術(shù)方案范圍內(nèi)可以有各種變化和更改，所作的任何變化和更改，均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。