專利名稱：鋁制材料涂層的預(yù)處理過(guò)程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鋁或者鋁合金部件上涂覆經(jīng)電鍍離析的金屬鍍層的方法，其中，部件的表面在適當(dāng)?shù)娜芤褐袃艋貏e是去除油，油脂，乳劑，涂料等，然后將這些表面在適當(dāng)?shù)娜芤褐懈g，從而一定量的材料或靠近表面的合金成分溶解，在凈化后和溶解后用水進(jìn)行沖洗。
背景技術(shù)：
為了部件承受較高的應(yīng)力和/或防止出現(xiàn)較高的磨損，對(duì)這些部件可以采取不同的措施。提高耐磨性的措施包括合金，調(diào)質(zhì)和涂層。特別是涂層，在鋁制材料及其合金方面具有重要意義，因?yàn)橛纱丝梢詫⒉牧系挠幸嫘阅芘c涂層的有益性能相結(jié)合。
在發(fā)動(dòng)機(jī)和摩擦系統(tǒng)中專用的活塞和氣缸套中，這兩種部件用鋁制造早已成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家也在致力于減輕部件的重量。在活塞和氣缸套采用鋁或者鋁合金制造的情況下，摩擦系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)故障，接觸面上還會(huì)產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象。為避免這種擠壓現(xiàn)象和提高摩擦副(Reibpartner)的耐磨性，多年來(lái)現(xiàn)有技術(shù)是對(duì)鋁制活塞進(jìn)行涂層。
問(wèn)題是在鋁涂層時(shí)，鋁表面上形成化學(xué)上非常穩(wěn)定的和自然形成的氧化層。為提高涂層在鋁上的附著性或者首先是必須能夠破壞和去除氧化層，由此在去除后和涂層前不再形成新的氧化層，一般是在鋁表面涂覆中間層，然后再與所謂的工作層離析。工作層例如由鐵構(gòu)成，也起到耐磨損的作用。
DE 19 15 762公開了一種方法，用于在鋁和鋁合金上涂覆經(jīng)電鍍離析的金屬鍍層。在此方面，將材料表面凈化，此后活化和涂覆附著性的中間層，接著電鍍鍍層材料，在這種情況下鍍層就是工作層。在這種情況下使用的工作層可以由鋅，鎳，錫或者銅構(gòu)成。在此方面，將所要電鍍金屬的部件在凈化-和活化過(guò)程后，浸入由鹽酸，銅-II-氯化物和金屬銅粉組成的溶液中，直至在該浸滲池中鋁表面形成單價(jià)銅的中間層。
這種方法的缺陷是氯化物電解液具有很強(qiáng)的腐蝕性，從而使用這種方法成本高且很麻煩，例如在操作安全性方面。
有文章提到在鋅基上進(jìn)一步開發(fā)中間層，例如JOT雜志2001年4月刊上刊登的Peter Volk和Karl Brunn博士撰寫的“Fortschritte in derZinkatbehandlung von Aluminium(對(duì)鋁進(jìn)行鋅酸鹽處理的進(jìn)展)”一文。該文稱對(duì)鋁進(jìn)行鋅酸鹽處理是采用金屬或者金屬合金對(duì)鋁涂層進(jìn)行預(yù)處理方面的重大進(jìn)步。
該文指出，直接鍍銅，直接鍍鎳和直接鍍鉻法具有非常窄的過(guò)程窗口，不能作為穩(wěn)定的方法在工業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)中使用。確切地說(shuō)是建議一般對(duì)鋁表面進(jìn)行預(yù)處理，其中，將表面活化并去除鋁的氧化層。接著將浸入涂層池期間防止表面再氧化的薄導(dǎo)電中間層離析，并對(duì)涂層(工作層)產(chǎn)生良好的附著性。進(jìn)一步開發(fā)這種方法的目的是將氯化的鋅酸鹽酸蝕由無(wú)氯的鋅酸鹽酸蝕取代。
這一點(diǎn)可以通過(guò)使用替代氯化物和鐵的有機(jī)絡(luò)合物來(lái)替代鎳和銅。為進(jìn)行無(wú)氯鋅酸鹽酸蝕，在此方面開發(fā)出一種專門的絡(luò)合物系統(tǒng)。金屬離子精確地絡(luò)合，從而產(chǎn)生具有極佳附著性的均勻和得到控制的離析。同時(shí)絡(luò)合物可以快速進(jìn)行離子交換，并由此保證迅速形成涂層。需要指出的是，為進(jìn)行工作層的離析，這里還以鎳層為例，可以完全取消中間層，從該文中無(wú)法得知。同樣，該文也沒(méi)有說(shuō)明可以在鋁表面上直接離析鐵層。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法，用于鋁基材料，鋁合金或者鋁基復(fù)合材料的涂層，在使用硫酸鹽基溶液的情況下，取消作為對(duì)工作層進(jìn)行離析的基礎(chǔ)的鋁表面上的金屬或者氧化中間層，因此大大加快了涂層過(guò)程，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。
依據(jù)本發(fā)明該目的由此得以實(shí)現(xiàn)，即在靠近表面的區(qū)域在含有鐵離子的硫酸鹽基溶液中溶解之后，通過(guò)接通部件的陽(yáng)極而直接對(duì)部件的表面進(jìn)行活化，無(wú)需中間沖洗，在同一，相同的或者等值的電解液中，通過(guò)接通部件的陰極涂覆工作層，而且工作層由鐵組成。
通過(guò)依據(jù)本發(fā)明的方法和在此方面采用的程序，可以大大減少現(xiàn)有技術(shù)中公知的，迄今為止所需的程序步驟。
如果至今普遍采用的方法需要去除鋁上的自然氧化層和離析鋁上的再氧化層，那么現(xiàn)在可以完全取消這種中間步驟或在此方面產(chǎn)生的中間層。
在此方面將部件凈化，并去除產(chǎn)生干擾的油脂，油，乳劑，涂料和生產(chǎn)過(guò)程的類似污染。在凈化后，用水徹底沖洗。接著在適當(dāng)?shù)娜芤褐袑?duì)部件表面進(jìn)行腐蝕，也就是說(shuō)，將一定量的鋁或靠近表面的合金成分溶解。此后用水重新對(duì)部件進(jìn)行徹底沖洗。
依據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在不是進(jìn)行中間層的離析，而是將部件直接放入硫酸鹽基的電解液內(nèi)。通常使用的電解液在氯化物，硼氟化物或者硫酸銨基上工作。氯化物電解液如上所述具有很強(qiáng)的腐蝕性，硼氟化物具有很強(qiáng)的腐蝕性和毒性，硫酸銨電解液的廢水相容性較差。
本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn)地從硫酸鹽基電解液出發(fā)，它既不腐蝕也無(wú)毒，還沒(méi)有污染性廢水。依據(jù)本發(fā)明，在電解液中首先通過(guò)接通部件陽(yáng)極對(duì)表面進(jìn)行活化?；罨缭谌芤褐胁捎孟铝羞^(guò)程參數(shù)進(jìn)行300g/l硫酸亞鐵(II)-七水合物(FeSO4*7H2O)，溫度70℃，pH值2，活化電流密度2A/dm2，處理時(shí)間20秒。
依據(jù)本發(fā)明，隨后無(wú)需對(duì)部件進(jìn)行中間沖洗，而是通過(guò)接通部件陰極，采用硫酸鹽基鐵電解液涂覆工作層。它可以在同一，相同的或者等值的電解液中進(jìn)行。
下面借助其他實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
在實(shí)施例1中，電解液添加粒度為0.5-2.0μm的硬質(zhì)材料。在此方面，作為硬質(zhì)材料可以使用例如氧化鋁，氮化硅，氮化鉻，碳化鈦，立方氮化硼以及金剛石顆粒。但本發(fā)明不僅涉及所述的這些硬質(zhì)材料，而且同時(shí)也包括由氧化物，氧化物陶瓷，碳化物和氮化物構(gòu)成的所有固體材料。這些硬質(zhì)材料主要單獨(dú)使用，但也可以作為混合物或者混合料使用。
在依據(jù)本發(fā)明的前提條件下，形成鐵層，其中含有被精細(xì)分配且占約15％的重量百分比的硬質(zhì)材料。離析的工作層具有突出的耐磨特性，硬度約為400HV 0.05。
在另一實(shí)施例2中，電解液添加粒度約為0.2-2.0μm的固體潤(rùn)滑材料。作為固體潤(rùn)滑材料在這種情況下可以考慮使用六方氮化硼，氟化碳，石墨，二硫化鉬，特氟龍，鋼?；蛘咦⒂偷奈⑿湍z囊。這些固體潤(rùn)滑材料可以單獨(dú)但也可以作為混合物或者混合料使用。
試驗(yàn)表明，固體潤(rùn)滑材料對(duì)摩擦系統(tǒng)具有非常積極的影響并為摩擦系數(shù)產(chǎn)生極為有利的數(shù)值。形成工作層，其中固體潤(rùn)滑材料被精細(xì)分配并占約20％的體積百分比。
在本發(fā)明這里作為第3實(shí)施例的另一構(gòu)成中，當(dāng)然電解液中也可以共同含有固體潤(rùn)滑材料和硬質(zhì)材料，從而將這兩種材料的積極特性相結(jié)合。
在這些條件下，離析出里面精細(xì)分配和彌散存在這兩種材料的鐵層或工作層。該層的硬度為350HV 0.05。
在實(shí)施例4的系列試驗(yàn)中，依據(jù)本發(fā)明的硫酸鹽基電解液中添加300g/l硫酸亞鐵(II)-七水合物，次磷酸占5ml/l，例如H3PO2。按依據(jù)本發(fā)明的方法構(gòu)成的工作層具有700HV 0.05的硬度。借助電解液中的成分磷，因此可以有目的地影響涂層的硬度。
在實(shí)施例5中，在實(shí)施例4的含磷電解液中添加依據(jù)實(shí)施例1的硬質(zhì)材料。所產(chǎn)生的涂層的硬度為750HV 0.05，也就是說(shuō)，可以進(jìn)一步提高硬度。磨損試驗(yàn)得出的數(shù)值與實(shí)施例1相似。
在依據(jù)本發(fā)明設(shè)想的另一實(shí)施例6中，在實(shí)施例4的含磷電解液中添加依據(jù)實(shí)施例2的固體潤(rùn)滑材料。在這些條件下，離析出作為鐵層的工作層，其中含有被精細(xì)分配且約占20％體積百分比的固體潤(rùn)滑材料。
該層的硬度為650HV 0.05。摩擦系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果要好于無(wú)磷成分的涂層。而磨損試驗(yàn)的結(jié)果基本相同。
在實(shí)施例7的系列試驗(yàn)中，含磷電解液中添加固體潤(rùn)滑材料和硬質(zhì)材料的混合料。然后構(gòu)成精細(xì)分配含有這種材料混合料的工作層。該層的硬度為700HV 0.05。摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)與實(shí)施例4基本相同。
涂覆工作層的特征是與部件基本材料的出色結(jié)合。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例涂覆的作為鐵層的工作層，例如在溫度突變?cè)囼?yàn)，玻璃透鏡輻射試驗(yàn)和刮刻試驗(yàn)等極端條件下的硬度試驗(yàn)中，表現(xiàn)出與基本材料的出色結(jié)合，與那些采用鋅基和銅基附著中間層涂覆的工作層基本相同，局部區(qū)域甚至超出。
工作層具有與基本材料的出色結(jié)合，同時(shí)作為其他或者多個(gè)涂層的基礎(chǔ)使用。從屬權(quán)利要求中的涂層材料也僅應(yīng)視為舉例。因?yàn)楣ぷ鲗又饕设F構(gòu)成，所以在部件上或工作層上可以涂覆與鐵具有親合性的涂層材料。特別是所有金屬材料，但也可以是塑料和陶瓷。
在選擇涂層方法方面，從屬權(quán)利要求中也僅舉例列出。原則上每種方法也適合采用鐵材料涂層。例如，這里列舉了可以采用錫，銅等的電化學(xué)法，采用鉬等的熱法以及反應(yīng)法等進(jìn)行離析。值得一提的還有高速金屬噴涂，等離子噴涂，PVD法和CVD法以及絲網(wǎng)印刷法或者噴涂的有機(jī)涂層。
通過(guò)依據(jù)本發(fā)明的方法和由此產(chǎn)生的過(guò)程順序，現(xiàn)在可以大大減少傳統(tǒng)所需的過(guò)程步驟的數(shù)量，提高涂層產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和保護(hù)環(huán)境資源。
這些優(yōu)點(diǎn)可以使過(guò)去出于成本原因一直不能推廣的產(chǎn)品涂層在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用。


下面借助附圖的實(shí)施例對(duì)依據(jù)本發(fā)明的方法作詳細(xì)說(shuō)明。其中圖1示出依據(jù)實(shí)施例3介紹的涂層部件表面的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出依據(jù)本發(fā)明涂層部件1的剖面。該圖示出基本材料2和其上面涂覆的工作層3。在活化階段，去除基本材料2上的自然氧化層，并溶解靠近表面的成分，從而純凈的表面4可供涂層使用。在該純凈表面4上，借助于電解液直接離析工作層3而無(wú)中間層。依據(jù)實(shí)施例3，工作層3主要由鐵5構(gòu)成，里面精細(xì)分配填充硬質(zhì)材料6和固體潤(rùn)滑材料7。
權(quán)利要求
1.一方法，用于在鋁或者鋁合金部件(1)上涂覆經(jīng)電鍍離析的金屬鍍層(3)，其中，部件的表面(4)采用適當(dāng)?shù)娜芤簝艋?，特別是去除油，油脂，乳劑，涂料等，然后將這些表面(4)在適當(dāng)?shù)娜芤褐懈g，從而一定量的材料或靠近表面的合金成分溶解，在凈化后和溶解后用水進(jìn)行沖洗，其特征在于，在靠近表面的區(qū)域在含有鐵離子的硫酸鹽基溶液中溶解之后，通過(guò)接通部件(1)的陽(yáng)極直接對(duì)部件(1)的表面(4)進(jìn)行活化，無(wú)需中間沖洗，在同一，相同的或者等值的電解液中，通過(guò)接通部件(1)的陰極涂覆工作層(3)，而且工作層(3)由鐵(5)組成。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，活化在含有50-500g/l硫酸亞鐵(II)-七水合物的硫酸鹽基溶液中進(jìn)行。
3.按權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其中，部件(1)的活化在溶液中以5秒和5分鐘之間的曝光時(shí)間進(jìn)行。
4.按權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其中，表面(4)的活化和涂覆工作層以2-20A/dm2的直流電流密度進(jìn)行。
5.按權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其中，活化在溶液中以0.5和2.5之間的pH-值進(jìn)行。
6.按權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其中，活化在溶液中在20和95℃之間的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
7.按權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種硬質(zhì)材料(6)，硬質(zhì)材料顆粒具有0.2-5μm之間的粒度，其中，作為硬質(zhì)材料(6)可以使用氧化鋁，氮化硅，氮化鉻，碳化鈦，立方氮化硼以及金剛石顆粒。
8.按權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種固體潤(rùn)滑材料(7)，其中，作為固體潤(rùn)滑材料(7)可以使用六方氮化硼，氟化碳，石墨，二硫化鉬，特氟龍或者注油的微型膠囊，固體潤(rùn)滑材料顆粒具有0.2-5μm之間的粒度。
9.按權(quán)利要求1-8之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種硬質(zhì)材料(6)和至少一種固體潤(rùn)滑材料(7)。
10.按權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其中，電解液中添加0.25-5ml/l的次磷酸，例如作為H3PO2，最好作為50％的H3PO2酸。
11.按權(quán)利要求1-6和10之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種硬質(zhì)材料(6)，硬質(zhì)材料顆粒具有0.2-5.0μm之間的粒度，其中，作為硬質(zhì)材料(6)可以使用氧化鋁，氮化硅，氮化鉻，碳化鈦，立方氮化硼以及金剛石顆粒。
12.按權(quán)利要求1-6和10之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種固體潤(rùn)滑材料(7)，其中，作為固體潤(rùn)滑材料(7)可以使用六方氮化硼，氟化碳，石墨，二硫化鉬，特氟龍或者注油的微型膠囊，固體潤(rùn)滑材料顆粒具有0.2-5.0μm之間的粒度。
13.按權(quán)利要求1-6和10，11和12之一所述的方法，其中，電解液添加至少一種硬質(zhì)材料(6)和至少一種固體潤(rùn)滑材料(7)。
14.按權(quán)利要求1-13之一所述的方法，其中，工作層(3)上至少涂覆另一涂層。
15.按權(quán)利要求1-14之一所述的方法，其中，工作層(3)上至少涂覆另一涂層，由材料鋅，銅，鎳，鉻至少之一構(gòu)成的該涂層由陶瓷或者金屬陶瓷材料構(gòu)成，以及所有材料均具有與鐵(5)的親合性并構(gòu)成涂層。
16.按權(quán)利要求1-15之一所述的方法，其中，工作層(3)上至少涂覆另一涂層，由材料鋅，銅，鎳，鉻至少之一構(gòu)成的該涂層由陶瓷或者金屬陶瓷材料構(gòu)成，以及所有材料均具有與鐵(5)的親合性并構(gòu)成涂層，該涂層采用電化學(xué)，熱或者借助于一種反應(yīng)法，特別是PVD或者CVD涂覆。
17.按權(quán)利要求1-16之一所述的方法，其中，部件(1)內(nèi)含有至少一種重量百分比為3和22％之間的硅合金成分。
18.內(nèi)燃機(jī)活塞，按權(quán)利要求1-17之一所述的方法制造，其特征在于，工作層(3)直接涂覆在部件(1)的表面(4)。
19.內(nèi)燃機(jī)氣缸套，按權(quán)利要求1-17之一所述的方法制造，其特征在于，工作層(3)直接涂覆在部件(1)的表面(4)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一方法，用于在鋁或者鋁合金部件(1)上涂覆經(jīng)電鍍離析的金屬鍍層(3)，其中，部件的表面(4)在適當(dāng)?shù)娜芤褐袃艋貏e是去除油，油脂，乳劑，涂料等，然后將這些表面(4)在適當(dāng)?shù)娜芤褐懈g，從而一定量的材料或靠近表面的合金成分溶解，在凈化后和溶解后用水進(jìn)行沖洗，其中，在靠近表面的區(qū)域在含有鐵離子的硫酸鹽基溶液中溶解之后，通過(guò)接通部件(1)的陽(yáng)極直接對(duì)部件(1)的表面(4)進(jìn)行活化，無(wú)需中間沖洗，在同一，相同的或者等值的電解液中，通過(guò)接通部件(1)的陰極涂覆工作層(3)，而且工作層(3)由鐵(5)組成。
文檔編號(hào)F02F3/10GK1599809SQ02823948
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月6日
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