一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法，包括(1)表面整理、(2)表面預熱、(3)鍍前活化和(4)涂布施鍍四個主要步驟。其中表面預熱采取以飽和蒸汽、過熱蒸汽、電磁感應、紅外線或火焰加熱的方式進行；涂布施鍍采取刷涂、輥涂、敷涂、裹涂、噴涂或澆涂的方式進行。本發(fā)明技術突破了現(xiàn)有“浸入式”化學鍍模式的束縛，具有節(jié)材節(jié)能、減排環(huán)保、應用靈活和用途廣泛的特點。利用本發(fā)明技術可對工件表面整體或特定局部進行金屬化處理，實現(xiàn)表面強化、裝飾或?qū)Ωg、磨損及超差表面修復尤其是在線修復的目的。
【專利說明】一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料腐蝕與防護工程、材料表面加工工程以及再制造（修復）工程技 術領域，尤其涉及一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍新方法。

【背景技術】
[0002] 化學鍍亦稱無電電鍍（Electroless plating)或自催化鍍（Autocatalytic Plating)，是利用自催化原理，使鍍液中的金屬離子在強還原劑的作用下被催化還原，在基 體表面原位沉積致密金屬/合金層的表面工程技術。
[0003] 作為一種以"堆積成形、分層制造"為主要特征的高新技術，化學鍍的主要優(yōu)勢在 于：其一，可顯著提高材料的耐蝕性、硬度和耐磨性、耐熱性、可焊性、可鍍性以及導電性和 裝飾性等諸多性能，且鍍層/基體結(jié)合牢固。其二，可處理的基材對象廣泛，包括金、銀、銅、 鐵、錫、鋅、鎂、鋁和鈦等絕大多數(shù)金屬材料，以及塑料、橡膠、玻璃、陶瓷、纖維和木材等非金 屬材料。其三，施鍍條件溫和，對溫度要求低，屬低溫液相成形技術，避免了高溫相變和脆 裂以及界面殘余熱應力和熱應變，對基材的組織和性能無負面影響（如熱影響）。其四，不 受工件形狀和尺寸的限制，可大面積鍍覆，均鍍、深鍍能力強，仿形效果極佳，因此特別適用 于復雜零件、深/盲孔內(nèi)壁及精度要求高的細小物件及大型設備的表面強化處理。其五，施 鍍過程無需外加電流，從根本上克服了與電流密度分布不均有關的多種弊端。其六，工藝簡 便，對特種設備無依賴性，成本低廉，易實現(xiàn)批量生產(chǎn)。此外，鍍層尤其是非晶鍍層具有表面 能低、潤濕性差等特點，因此能夠顯著改善材料的抗污阻垢性能；金屬性鍍層的傳熱系數(shù)與 基體材料相近，不但不會降低傳熱效率，而且由于能夠?qū)崿F(xiàn)滴狀冷凝（其傳熱系數(shù)比常規(guī) 膜狀冷凝高幾倍甚至十幾倍），因此有望顯著改善材料的傳熱性能。
[0004] 由于技術優(yōu)越，化學鍍技術自誕生以來一直高速發(fā)展，并在航空航天、軍事、核能、 通訊、電子、汽車、電力、石油、化工、機械、五金、食品和醫(yī)療器械等行業(yè)的腐蝕防護工程、表 面工程以及再制造工程領域一枝獨秀。在發(fā)電機凝汽器黃銅管、煉油廠等石化企業(yè)換熱器 管束、氣體包裝容器、液壓缸活塞桿、印刷機膠輥、大型反應釜、風機葉輪、高爐熱風閥閥桿、 工模具等的耐蝕、耐磨處理以及電路圖案金屬化、新型彈藥包裝材料及電磁屏蔽織物的制 備等方面發(fā)揮了重要作用。除用于常規(guī)表面強化外，化學鍍在高值儀器/設備腐蝕、磨損或 超差表面的修復等高新【技術領域】也獲得了成功應用，如坦克、汽車發(fā)動機報廢氣缸及軸、橋 和花鍵等的綠色"再制造"，航空航天用超高速試驗研究設備、飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件和印刷滾 筒和油管、液壓閥閥芯、礦山設備等的修復。
[0005] 迄今為止，現(xiàn)有化學鍍技術仍以"浸入式"（浸鍍）掛鍍或滾鍍?yōu)橹?，即將工件整體 或部分浸泡于盛裝鍍液的容器中完成施鍍過程。上述處理模式，對于體積小、幾何形狀復雜 的工件的處理尤其是批量處理而言，不僅可行，而且高效。但是，當遇到1)大型工件（如大 型換熱器、反應釜、電纜機械集合機上的牽引輪等）的化學鍍尤其是局部化學鍍，2)難以拆 卸或拆卸成本過高（如因銹蝕等原因?qū)е虏鹦峨y度大甚至根本無法拆卸，或拆卸過程嚴重 影響使役性能甚至直接導致?lián)p毀）的在役高值儀器/設備重要結(jié)構(gòu)件的化學鍍，或3)現(xiàn)場 修復尤其是在線修復（如鍋爐爐管、壓力管道、電網(wǎng)設備、飛機蒙皮、艦船殼體等）用化學鍍 時，浸入式處理模式會遭遇以下諸多困擾：1)因鍍液用量過大而造成資源嚴重浪費，環(huán)保 壓力劇增；2)配套鍍槽及相應專用設備制作/運行成本過高；3)降溫效應過強，嚴重影響 施鍍效果；或4)根本無法正常施鍍，等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法。
[0007] 具體的技術方案如下：
[0008] -種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法，包括以下主要步驟：
[0009] (1)表面整理：對工件的欲處理表面進行打磨、拋光、脫脂或酸洗處理；
[0010] (2)表面預熱：對經(jīng)步驟（1)處理過的工件表面進行表面預熱處理，所述預熱處理 后工件的表面溫度介于90-180°C之間；
[0011] (3)鍍前活化：對經(jīng)步驟（2)處理過的工件表面進行活化處理；
[0012] (4)涂布施鍍：將低溫化學鍍鍍液涂布于經(jīng)步驟（3)處理過的工件表面，通過鍍 層材料的原位合成和涂覆完成鍍層的制備；所述低溫化學鍍鍍液的溫度介于室溫與T min之 間，其中Tmin為該鍍液對相同的工件或制備該工件的材料以常規(guī)浸鍍法實施化學鍍時對應 的最低可施鍍溫度。
[0013] 其中步驟（2)所述表面預熱處理的方法為飽和蒸汽加熱、過熱蒸汽加熱、電磁感 應加熱、紅外線加熱或火焰加熱。
[0014] 其中步驟（4)所述涂布方法為刷涂、輥涂、敷涂、裹涂、噴涂或澆涂。
[0015] 本發(fā)明所述步驟（1)表面整理的目的在于去除工件在加工、儲運或服役期間表面 殘留或因腐蝕、污染等產(chǎn)生的毛刺（毛邊）、油脂、腐蝕產(chǎn)物和其它污垢等，以獲得滿足后續(xù) 處理要求的表面質(zhì)量。表面整理可以任何公知的或商業(yè)上可獲得的物理和/或化學技術進 行。例如：砂輪、砂紙打磨；拋光布、油石拋光；硫酸、鹽酸、硝酸或氫氟酸等溶液化學拋光， 電化學拋光；無水乙醇、丙酮或三氯乙烯等有機溶劑脫脂（除油），堿洗脫脂，電化學脫脂； 鹽酸、硫酸或硝酸等酸洗。對于因加工、摩擦、矯正等而存在拉應力的特殊工件，表面整理還 包括消除應力熱處理。表面整理各工序之間以及表面整理結(jié)束后宜對工件進行徹底水洗， 以防交叉污染，可采用的方式包括蒸餾水或去離子水擦洗或淋洗。
[0016] 任何化學鍍沉積反應的順利進行均以克服相關反應的活化能壘為必要條件。改變 鍍液體系活化能最經(jīng)濟、最有效的方式之一是調(diào)控鍍液溫度。本發(fā)明所述步驟（2)表面預 熱的作用在于為工件預先儲備足夠的熱能，確保經(jīng)鍍前活化后，低溫鍍液在接觸工件表面 后能被迅速加熱至化學鍍有效甚至最佳施鍍溫度窗口。換言之，工件表面預熱的目的，在 于確保隨后化學鍍沉積反應即使在低溫鍍液與工件表面接觸時間非常短暫的情況下也能 順利進行。工件表面預熱可采用公知的或商業(yè)上可獲得的任何技術，包括激光加熱以及常 規(guī)的電阻、木炭等加熱技術。其中飽和蒸汽加熱、過熱蒸汽加熱、電磁感應加熱、火焰加熱 以及紅外線加熱等技術，因可將加熱范圍控制在工件表層，且成本低、可操作性強尤其是可 實現(xiàn)局部快速加熱等優(yōu)勢而優(yōu)先選擇。表面預熱時，工件的表面溫度過低，則難以保證低 溫鍍液涂布后被加熱到化學鍍反應得以順利引發(fā)并持續(xù)進行的有效溫度范圍；表面溫度過 高，則鍍液涂布后因被加熱到過高溫度而易失穩(wěn)，因此，預熱處理后工件的表面溫度控制在 90-180°C之間。工件表面溫度的具體控制則視所用鍍液體系的最佳施鍍溫度窗口、鍍液涂 布具體方式的選擇以及對鍍速、鍍層質(zhì)量等的具體要求而定。
[0017] 活化是化學鍍鍍前處理的重要工序之一，對化學鍍施鍍效果具有重要影響。對于 自身并無催化活性的基體如陶瓷、玻璃、塑料、纖維和木材等非金屬材料以及金、銀、銅等金 屬材料而言，活化的主要目的在于形成催化活性中心，以便鍍件與鍍液接觸后能夠誘發(fā)隨 后的化學鍍沉積反應，如常見的鈀鹽（PdCl 2)活化。對于自身具有催化活性或能夠通過置換 反應形成催化活性點/面的金屬基體如鎳、鈷、鉬、鐵基材料、鎂和鋁等而言，活化的主要作 用在于破壞并清除工件表面的自氧化薄膜以及加工變形層，使新鮮的基體組織裸露出來， 為后續(xù)鍍覆反應的順利進行創(chuàng)造有利條件，同時為鍍層/基體的緊密結(jié)合奠定基礎。此外， 活化處理還可以降低基體表面的微觀不均勻度，拉平表面電勢，有利于均勻鍍層的形成。本 發(fā)明所述步驟（3)鍍前活化處理可以任何公知的或商業(yè)上可獲得的技術進行，包括以公知 的活化液如稀鹽酸、稀硫酸以及Pd 2+鹽進行擦拭或噴淋。對于部分材料及其制品，如陶瓷、 玻璃、塑料、纖維和木材等非金屬材料及其制品，為確?；罨Ч?，在活化前可根據(jù)需要進 行Sn 2+等敏化處理?；罨罂蛇x擇性進行水洗，如蒸餾水或去離子水擦洗或淋洗。值得注 意的是，本發(fā)明所述工件可由上述任何金屬材料或非金屬材料制備而成，因此具體活化工 藝可因材料而異在公知技術中擇優(yōu)選擇。
[0018] 本發(fā)明所述步驟（4)涂布施鍍的目的在于完成鍍層材料在工件表面特定部位的 原位合成和涂覆。本發(fā)明采取與浸鍍法完全不同的方式--涂布法完成鍍液向工件表面的 傳輸或補給。其中所述刷涂，是指將鍍液用刷子蘸涂于工件表面的過程。所述輥涂，是指以 轉(zhuǎn)輥作為鍍液的載體，鍍液在轉(zhuǎn)輥表面形成一定厚度的液膜，借助轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動過程中與工件 表面接觸，將鍍液涂敷于工件表面的過程。所述敷涂和裹涂，是指以吸水性能良好的材料如 海綿、脫脂棉以及其它天然的或人工合成的吸水材料為載體，將鍍液吸收后敷貼或裹貼于 工件表面的過程。所述噴涂，是指將鍍液細化/霧化后噴灑于工件表面的過程。所述澆涂， 是指將鍍液澆淋于工件表面的過程。
[0019] 涂布施鍍所用化學鍍鍍液可以任何公知的或私密的配方自配或直接購買商業(yè)化 產(chǎn)品。與常規(guī)浸鍍法化學鍍需將鍍液事先預熱到較高溫度不同的是，本發(fā)明化學鍍鍍液在 使用時無需預熱或只需預熱到較低的溫度。其中最便捷、最經(jīng)濟的方式是在室溫下直接使 用；如加熱使用，則只需加熱到該鍍液對相同的工件或制備該工件的材料以常規(guī)浸鍍法實 施化學鍍時對應的最低可施鍍溫度。其中最低可施鍍溫度是指化學鍍沉積反應順利引發(fā)并 持續(xù)進行所需要的最低鍍液溫度。涂布施鍍其它條件如鍍液涂布速度、頻率及次數(shù)等具體 工藝參數(shù)的取值水平，視工件導熱性能、鍍液配方、鍍層種類、鍍速、鍍層微觀結(jié)構(gòu)及其厚度 等具體要求而定。涂布施鍍結(jié)束后，工件整體或其鍍覆局部最好進行清洗、干燥等處理，以 除去殘留在工件表面的鍍液，包括自來水和/或蒸餾水、去離子水擦洗/淋洗，熱風或壓縮 空氣吹干，或易揮發(fā)性有機溶劑如乙醇、丙酮等擦洗后晾干等。為滿足實際應用需要，還可 進一步進行鈍化、去氫等處理。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是多方面的，突出表現(xiàn)在以下兩個方面：
[0021] (1)節(jié)材節(jié)能，減排環(huán)保
[0022] 本發(fā)明技術突破了現(xiàn)有"浸入式"化學鍍模式的束縛，具有節(jié)材節(jié)能、減排環(huán)保的 突出優(yōu)勢。利用本發(fā)明技術，不僅可以擺脫對鍍槽及其它配套專用設備的依賴，更為重要的 是，還可以顯著降低鍍液需求量，減少材料（如化學試劑、蒸餾水/去離子水）及電能（用 于加熱并保溫鍍液）消耗，大幅降低廢液排放量，減輕環(huán)保壓力，有利于清潔生產(chǎn)。
[0023] (2)應用靈活，用途廣泛
[0024] 本發(fā)明技術同時具有應用靈活、用途廣泛的特點。利用本發(fā)明技術，不僅可以以簡 單的工具實現(xiàn)對工件表面整體或特定局部的定點強化或修復，而且可以實現(xiàn)對工件的裝飾 性處理，如加工LOGO或其它圖飾。對于在線設備尤其是難拆卸的高值儀器/設備的腐蝕、 磨損或超差表面的定點修復，以及大型工件的高質(zhì)量、低成本表面強化，更具有其它技術無 可比擬的獨特優(yōu)勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實施方式中化學鍍工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0026] 以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明的實施和保護范圍不限于 此。
[0027] 如圖1所示，為本發(fā)明基于低溫鍍液的涂布式化學鍍工藝流程圖。本發(fā)明化學鍍 方法包括表面整理一表面預熱一鍍前活化一涂布施鍍四個主要步驟。其中表面預熱采取以 飽和蒸汽、過熱蒸汽、電磁感應、紅外線或火焰加熱的方式進行；涂布施鍍采取將低溫鍍液 刷涂、輥涂、敷涂、裹涂、噴涂或澆涂于工件表面的方式進行。
[0028] 下面以化學鍍鎳磷為例，對本發(fā)明的上述特征作進一步詳細說明。
[0029] 實施例1
[0030] 以尺寸250_X 300_X 2. 5mm的Q235鋼板為處理對象，首先對其中心50_X 50_ 的一個表面區(qū)域以手持砂輪進行初磨，再以400-1000#水磨砂紙由粗到細依次打磨。以脫 脂棉依次蘸取自來水和蒸餾水進行擦洗，熱風吹干后再以紗布蘸取無水乙醇進行擦洗，晾 干。以200°C飽和水蒸汽對上述打磨過的表面區(qū)域吹掃預熱至90°C后，以毛刷蘸取10%硫 酸溶液均勻刷涂于預鍍區(qū)域進行活化，3〇 sec后以紗布將活化液吸干，并迅速將攪拌均勻的 室溫（21°C )化學鍍鍍液（具體配方及工藝見表1)以毛刷均勻刷涂于預鍍區(qū)域，數(shù)秒后可 見大量氣泡產(chǎn)生，證實化學鍍過程順利進行。待析氣現(xiàn)象明顯減弱時，再次刷涂鍍液。當 重新刷涂鍍液后析氣現(xiàn)象亦無明顯增強時，以飽和蒸汽對處理區(qū)域進行再次預熱，并在預 熱結(jié)束后再次刷涂鍍液。如上循環(huán)操作30min后，以紗布吸干樣板表面的殘留溶液，并依次 以自來水和蒸餾水進行擦洗，吹干。結(jié)果肉眼可見一層完整、光亮、均勻、致密的銀白色鍍 層。以劃格法對鍍層進行結(jié)合力檢測，發(fā)現(xiàn)鍍層/基體結(jié)合緊密，無任何起皮、脫落現(xiàn)象。以 l〇g/L鐵氰化鉀、20g/L氯化鈉溶液進行孔隙率測試，發(fā)現(xiàn)鍍層致密。分別以50ml/L硫酸、 3. 5%氯化鈉和100g/L氫氧化鈉溶液進行點滴試驗，2h內(nèi)鍍層無任何變化，說明鍍層耐蝕 性優(yōu)異。
[0031] 表1 :鍍液配方及其它工藝條件
[0032]

【權利要求】
1. 一種基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法，其特征在于包括以下主要步驟： (1) 表面整理：對工件的欲處理表面進行打磨、拋光、脫脂或酸洗處理； (2) 表面預熱：對經(jīng)步驟（1)處理過的工件表面進行表面預熱處理，所述預熱處理后工 件的表面溫度介于90-180°C之間； (3) 鍍前活化：對經(jīng)步驟（2)處理過的工件表面進行活化處理； (4) 涂布施鍍：將低溫化學鍍鍍液涂布于經(jīng)步驟（3)處理過的工件表面，通過鍍層材料 的原位合成和涂覆完成鍍層的制備；所述低溫化學鍍鍍液的溫度介于室溫與Tmin之間，其 中Tmin為該鍍液對相同的工件或制備該工件的材料以常規(guī)浸鍍法實施化學鍍時對應的最低 可施鍍溫度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法，其特征在于：步驟（2) 所述表面預熱處理的方法為飽和蒸汽加熱、過熱蒸汽加熱、電磁感應加熱、紅外線加熱或火 焰加熱。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于低溫鍍液的涂布式化學鍍方法，其特征在于：步驟（4) 所述涂布方法為刷涂、輥涂、敷涂、裹涂、噴涂或澆涂。
【文檔編號】C23C18/16GK104328392SQ201410604352
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】呂旺燕, 張永君, 劉世念, 蘇偉, 錢藝華, 陶勝, 趙翠玲 申請人:廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院, 華南理工大學