本發(fā)明涉及一種超耐磨電鍍鉻的方法，尤其涉及一種離子液體-高壓co2無水電鍍液體系下在金屬基材表面電鍍鉻的方法。

背景技術(shù)：

6系、7系鋁合金基材具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和成型性好、成本低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備、通信設(shè)備加工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是其耐劃傷性、耐磨損性和硬度仍存在缺陷，有待解決。

鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面電鍍技術(shù)，鍍鉻層硬度高、耐磨、耐蝕并能長(zhǎng)期保持表面光亮，且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，廣泛用于機(jī)械零部件的耐磨耐腐蝕層和裝飾涂層，其硬度一般為600-900hv，且硬度隨著溫度的升高而降低，鍍鉻層表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)微裂紋，甚至穿透性裂紋，損害部件。隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，眾多金屬零部件在使用過程中會(huì)遇到腐蝕、摩擦、高溫等苛刻的環(huán)境，這對(duì)零部件表面的功能性要求也更為嚴(yán)格，如需要承受摩擦的工具和機(jī)器零件，都采用硬鉻來延長(zhǎng)其使用壽命。

目前電鍍所需的電解液主要有：（1）水溶液電鍍液，其電流效率極低，電耗高，沉積金屬時(shí)，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的析氫，對(duì)鍍層產(chǎn)生影響，如鍍鉻電解液中的主要成分不是鉻鹽，而是鉻酸（六價(jià)鉻溶液對(duì)環(huán)境和人類健康危害嚴(yán)重，國內(nèi)外都已經(jīng)限制其使用），這就造就了鍍鉻的陰極電流效率極低ηk≈10~15%。也就是說，絕大部分電能都消耗在氫氣的析出上了。同時(shí)陰極過程為極為復(fù)雜，在鉻電鍍液中必須含有so4^2-、f^-以及電解液中應(yīng)當(dāng)有一定量的cr³⁺，鍍鉻過程才能實(shí)現(xiàn)，此外，鍍鉻所采用的電流密度很高，鍍鉻過程的槽電壓也很高，一般12v以上。（2）高溫熔鹽，這類電解液需要能耗較高，并且具有較強(qiáng)的耐蝕性，對(duì)選取材料和工藝操作要求較高。（3）有機(jī)溶劑體系，有機(jī)溶劑體系沉積金屬時(shí)不會(huì)產(chǎn)生析氫反應(yīng)，但是有機(jī)溶劑易揮發(fā)、易燃、電化學(xué)窗口較窄，電流效率很低。

離子液體是一種新興的綠色溶劑，完全由離子組成，具有良好的導(dǎo)電性和較寬的電化學(xué)窗口，可以沉積出大多數(shù)水溶液中可以得到的金屬，另外又具有水溶液不具備的優(yōu)點(diǎn)，沒有析氫反應(yīng)，因此可以得到質(zhì)量較好的金屬及合金。但是在離子液體的使用過程中，發(fā)現(xiàn)離子液體的粘度非常大，不利于電鍍反應(yīng)的進(jìn)行。此外，高壓co2與有機(jī)試劑相比，具有阻燃性，并且無溶劑殘余，更重要的是二氧化碳廉價(jià)易得，使用安全，不會(huì)污染環(huán)境。另外，co2分子很穩(wěn)定，不像其他有機(jī)溶劑可能會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生。高壓co2某些性能例如:密度、介電常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和溶解度等參數(shù)都可通過壓力和溫度控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免水溶液體系鉻電鍍液毒性大、不穩(wěn)定、電流效率低、電耗高，沉積金屬時(shí)容易出現(xiàn)嚴(yán)重的析氫以及高壓反應(yīng)安全性較低等問題，以及考慮到金屬鉻的硬度、耐腐蝕、抗磨損性能有待提高的現(xiàn)狀，本發(fā)明充分利用離子液體鍍液、高壓co2綠色電鍍液體系的特點(diǎn)，提出了一種離子液體-高壓co2無水電鍍液體系下在金屬基材表面電鍍鉻的方法。本發(fā)明具有安全，經(jīng)濟(jì)，實(shí)用性高和低毒性的特點(diǎn)。

該離子液體-高壓co2無水電鍍液體系下在金屬基材表面電鍍鉻的方法，其特征在于包括如下步驟:

（1）提供一種鋁或6系、7系鋁合金基材，鈦或鈦合金基材，304、316l不銹鋼基材，對(duì)基材進(jìn)行預(yù)處理：依次機(jī)械拋光、噴砂、化學(xué)拋光；

（2）然后將經(jīng)過表面處理的基材作為陽極，惰性金屬材料為陰極，完全浸沒于硫酸電解液中，通電，實(shí)施陽極氧化，獲得一層微觀粗糙的氧化膜，然后依次使用去離子水和丙酮清洗；

（3）更換電解槽，將洗滌后的金屬材料作為陰極，懸掛于電解槽中，陽極材料為鉛-銻合金板，也懸掛于電解槽中；

（4）向電解槽中加入鉻鹽、離子液體、無機(jī)添加劑、表面活性劑、光亮劑形成無水電鍍液體系，電鍍液與陰極和陽極不接觸；

（5）使用向電解槽中通入高壓co2，氣壓范圍11-15mpa，溫度范圍50~80^oc，處于高壓狀態(tài)，攪拌速率500r/min，持續(xù)30~40min；

（6）停止攪拌，完全封閉電解槽，此時(shí)整個(gè)電鍍液處于飽和高壓狀態(tài)，整個(gè)電鍍槽被均勻分散的電鍍液所充滿，與陰極和陽極接觸，處于導(dǎo)電狀態(tài)；

（7）通電，電沉積金屬；

（8）解壓降溫；

（9）取出鍍件，清洗，干燥。

其中，無機(jī)添加劑的平均長(zhǎng)度在1~4μm范圍內(nèi)，無機(jī)添加劑選自sic、bn、mos2、sio2顆粒的一種或多種，添加量為5~15g/l；鉻鹽為硫酸鉻0.2~0.3mol/l，表面活性劑為氟烷基磷酸鹽、氟烷基磺酸鹽或十二烷基硫酸鈉的一種，表面活性劑的添加量為0.4~0.8wt.%，光亮劑為糖精3g/l，剩余為離子液體；離子液體為氯化膽堿或氯乙酰膽堿、尿素或乙酰胺、乙二醇或丙三醇的混合物，其中摩爾比為1：（2~3）：（2~4）。使用260~350目的金剛砂、石英砂、銅礦砂，或者其混合物進(jìn)行噴砂，噴砂處理厚度為200~300nm，壓力低于2個(gè)大氣壓，濕度低于1.5%，溫度低于15^oc；化學(xué)拋光為有機(jī)溶劑除油，有機(jī)溶劑為三氯乙烯、四氯化碳、丙酮或甲苯中的一種。其中，陽極氧化工藝為：電解液為5~10wt.%的硫酸溶液，溶液溫度為26~29^oc，電壓19~23v，電流密度0.7~1a/dm²，氧化時(shí)間10~15min；電沉積金屬參數(shù)為：電流密度為3-5a/dm²，電鍍時(shí)間為15~20min，溫度50~80^oc，氣壓范圍11-15mpa。

該方法還可以用于制備銅、鎳、鈷、鎂層或其合金層。

其中，所述電解槽為無內(nèi)襯的耐高壓密封不銹鋼反應(yīng)釜，配有壓力表和熱電偶監(jiān)測(cè)裝置，在co2通入電解槽前，使用co2預(yù)先多次排空空氣，然后將氣罐中的co2經(jīng)過高壓泵后被打入電解槽中，氣壓范圍11-15mpa，使電解槽中的co2處于高壓狀態(tài)，進(jìn)行電鍍反應(yīng)，當(dāng)儀器發(fā)生故障，反應(yīng)釜?dú)饷苄圆钤斐陕饣蚱扑?，由于不能形成超飽和高壓狀態(tài)，電鍍液不能與電極接觸，電沉積過程會(huì)自動(dòng)停止。

本發(fā)明還提供了一種由上述方法制備的電鍍金屬件，所述金屬件硬度范圍為2000~3000hv。

本發(fā)明提出的一種離子液體-高壓co2無水三價(jià)鉻電鍍液體系下在金屬基材表面電鍍鉻的方法，具有以下的有益效果：

（1）使用高壓co2、離子液體、三價(jià)硫酸鉻無水體系電鍍金屬，不必處理廢水，綠色環(huán)保，且在電鍍過程中采取安全措施，當(dāng)高壓裝置漏氣時(shí)，能夠自動(dòng)斷電保護(hù)設(shè)備和電鍍液；

（2）電沉積過程中電流效率高，能耗低；

（3）通過預(yù)處理步驟，鍍層與基材的結(jié)合緊密，性能優(yōu)良；

（4）鍍鉻層的晶粒細(xì)小，鍍層表面晶粒尺寸均勻，結(jié)構(gòu)致密，表面平整；

（5）由于加入sic耐磨損性硬質(zhì)粒子、mos2自潤(rùn)滑性粒子，bn、sio2顆粒，鍍層的耐磨性和硬度顯著提升。

說明書附圖

圖1為離子液體-高壓co2無水電鍍液體系下在金屬基材表面電鍍超耐磨鉻層示意圖。

圖2為實(shí)施例2中鉻層裂縫部分的掃描電子顯微鏡圖像。

測(cè)試方法：

硬度測(cè)試：采用型號(hào)為hxd-1000tm型顯微硬度計(jì)對(duì)鍍硬鉻層進(jìn)行表面硬度測(cè)試，每個(gè)樣品在不同部位測(cè)量三次，最后求出平均值。

抗腐蝕性測(cè)試：360h中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，結(jié)束后用清水將樣品表面沖洗干凈，觀察樣品的腐蝕情況。

耐磨性能測(cè)試：采用振動(dòng)研磨試驗(yàn)法測(cè)試鍍層的耐磨性，預(yù)先測(cè)定研磨機(jī)中的研磨顆粒與鍍覆有cr層的基材的總質(zhì)量，震動(dòng)頻率80hz，結(jié)束后用清水將樣品表面沖洗干凈、干燥后繼續(xù)測(cè)量研磨顆粒與鍍覆有cr層的基材的總質(zhì)量，計(jì)算差值，即損失量。

樣品的微觀形貌采用hitachis4800和philipsxl-30esem掃描電子顯微鏡測(cè)試，樣品固定在基底上，使用導(dǎo)電膠粘合。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

（1）對(duì)鋁基材進(jìn)行表面處理：依次機(jī)械拋光除去表面毛刺、噴砂，使用300目的金剛砂，壓力為1.2個(gè)大氣壓，噴砂處理厚度為200~300nm、化學(xué)拋光使用三氯乙烯表面除油；

（2）以表面處理后的基材為陽極，惰性金屬材料為陰極，完全浸沒于5wt.%硫酸電解液中，溫度為28^oc，電壓21v，電流密度1a/dm²，實(shí)施陽極氧化，氧化時(shí)間12min，獲得一層微觀粗糙的氧化膜，然后依次使用去離子水和丙酮清洗；

（3）更換電解槽，將經(jīng)過陽極氧化的金屬材料作為陰極，懸掛于電解槽中，陽極材料為鉛-銻合金板，也懸掛于電解槽中；

（4）向電解槽中加入硫酸鉻cr2(so4)30.2~0.3mol/l，平均長(zhǎng)度在1~4μm范圍內(nèi)的sic顆粒5g/l、氟烷基磷酸鹽0.4wt.%，糖精3g/l，剩余為摩爾比為1:2:2的氯化膽堿、尿素、乙二醇離子液體，形成無水電鍍液體系，電鍍液與陰極和陽極不接觸；

（5）在co2通入電解槽前，使用co2預(yù)先多次排空空氣，然后將氣罐中的co2經(jīng)過高壓泵后被打入電解槽中，氣壓范圍11mpa，溫度范圍60^oc，處于高壓狀態(tài)，攪拌速率500r/min，持續(xù)30min；

（6）停止攪拌，完全封閉電解槽，此時(shí)整個(gè)電鍍液處于飽和高壓狀態(tài)，整個(gè)電鍍槽被均勻分散的電鍍液所充滿，與陰極和陽極接觸，處于導(dǎo)電狀態(tài)；

（7）通電，電沉積金屬，電流密度為4a/dm²，電鍍時(shí)間為15~20min；

（8）解壓降溫，取出鍍件，清洗，干燥。

實(shí)施例2

（1）對(duì)鋁基材進(jìn)行表面處理：依次機(jī)械拋光除去表秒毛刺、噴砂，使用300目的金剛砂，壓力為1.2個(gè)大氣壓，噴砂處理厚度為200~300nm、化學(xué)拋光使用三氯乙烯表面除油；

（2）以表面處理后的基材為陽極，惰性金屬材料為陰極，完全浸沒于5%硫酸電解液中，溫度為28^oc，電壓21v，電流密度1a/dm²，實(shí)施陽極氧化，氧化時(shí)間12min，獲得一層微觀粗糙的氧化膜，然后依次使用去離子水和丙酮清洗；

（3）更換電解槽，將經(jīng)過陽極氧化的金屬材料作為陰極，懸掛于電解槽中，陽極材料為鉛-銻合金板，也懸掛于電解槽中；

（4）向電解槽中加入硫酸鉻cr2(so4)30.2~0.3mol/l，平均長(zhǎng)度在1~4μm范圍內(nèi)的sic顆粒10g/l、氟烷基磷酸鹽0.4wt.%，糖精3g/l，剩余為摩爾比為1:2:2的氯化膽堿、尿素、乙二醇離子液體，形成無水電鍍液體系，電鍍液與陰極和陽極不接觸；

（5）在co2通入電解槽前，使用co2預(yù)先多次排空空氣，然后將氣罐中的co2經(jīng)過高壓泵后被打入電解槽中，氣壓范圍15mpa，溫度范圍60^oc，處于高壓狀態(tài)，攪拌速率500r/min，持續(xù)30min；

（6）停止攪拌，完全封閉電解槽，此時(shí)整個(gè)電鍍液處于飽和高壓狀態(tài)，整個(gè)電鍍槽被均勻分散的電鍍液所充滿，與陰極和陽極接觸，處于導(dǎo)電狀態(tài)；

（7）通電，電沉積金屬，電流密度為4a/dm²，電鍍時(shí)間為20min；

（8）解壓降溫，取出鍍件，清洗，干燥。

實(shí)施例3

（1）對(duì)鋁基材進(jìn)行表面處理：依次機(jī)械拋光除去表秒毛刺、噴砂，使用300目的金剛砂，壓力為1.2個(gè)大氣壓，噴砂處理厚度為200~300nm、化學(xué)拋光使用三氯乙烯表面除油；

（2）以表面處理后的基材為陽極，惰性金屬材料為陰極，完全浸沒于5wt.%硫酸電解液中，溫度為28^oc，電壓21v，電流密度1a/dm²，實(shí)施陽極氧化，氧化時(shí)間12min，獲得一層微觀粗糙的氧化膜，然后依次使用去離子水和丙酮清洗；

（3）更換電解槽，將經(jīng)過陽極氧化的金屬材料作為陰極，懸掛于電解槽中，陽極材料為鉛-銻合金板，也懸掛于電解槽中；

（4）向電解槽中加入硫酸鉻cr2(so4)30.2~0.3mol/l，平均長(zhǎng)度在1~4μm范圍內(nèi)的sic顆粒15g/l、氟烷基磷酸鹽0.4wt.%，糖精3g/l，剩余為摩爾比為1:2:2的氯化膽堿、尿素、乙二醇離子液體，形成無水電鍍液體系，電鍍液與陰極和陽極不接觸；

（5）在co2通入電解槽前，使用co2預(yù)先多次排空空氣，然后將氣罐中的co2經(jīng)過高壓泵后被打入電解槽中，氣壓范圍12mpa，溫度范圍60^oc，處于高壓狀態(tài)，攪拌速率500r/min，持續(xù)30min；

（6）停止攪拌，完全封閉電解槽，此時(shí)整個(gè)電鍍液處于飽和高壓狀態(tài)，整個(gè)電鍍槽被均勻分散的電鍍液所充滿，與陰極和陽極接觸，處于導(dǎo)電狀態(tài)；

（7）通電，電沉積金屬，電流密度為4a/dm²，電鍍時(shí)間為15min；

（8）解壓降溫，取出鍍件，清洗，干燥。

對(duì)比例1

對(duì)鋁基材表面進(jìn)行與實(shí)施例1-3相同的表面預(yù)處理，然后進(jìn)行電鍍，電鍍液為鉻酐cro3250g/l，硫酸2.5g/l，cr³⁺5g/l，氟烷基磷酸鹽0.4wt.%，糖精3g/l，電流密度3-5a/dm²，電鍍時(shí)間為15~20min。

以上實(shí)施例對(duì)于6系、7系鋁合金基材，鈦或鈦合金基材，304、316l不銹鋼基材同樣適用。在本發(fā)明范圍之內(nèi)將實(shí)施例中的無機(jī)添加劑、表面活性劑、離子液體的種類進(jìn)行變化或是變化工藝參數(shù)也會(huì)獲得性能類似的鍍層。

表1為樣品與對(duì)比例的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

本發(fā)明制備的基材表面電鍍鉻的產(chǎn)品硬度，耐腐蝕，耐磨損的突出性能主要有以下幾點(diǎn)原因：

（1）鍍層中添加的無機(jī)顆粒能夠限制裂紋擴(kuò)散，如sem圖示，裂縫被無機(jī)顆粒縫紉，顯著產(chǎn)品硬度和耐磨損性；

（2）陽極化層為微觀粗糙的氧化膜，在電鍍鉻后，形成過渡層，顯著提高結(jié)合力；

（3）預(yù)處理手段符合鋁材本身特點(diǎn)，因地制宜，顯著提高結(jié)合力；

（4）高壓體系中，電鍍液分散均勻，鍍層均一，無機(jī)添加顆粒分散液均一；

此外，離子液體-高壓co2無水電鍍液本身的電流效率高和電耗較低，且無污染，綠色環(huán)保，在電鍍過程中具有安全保障措施，為整個(gè)工藝在實(shí)際應(yīng)用中指明了方向。