CN110129779B - 一种铝合金表面化学浸镀铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金表面化学浸镀铁的方法，包括以下步骤：铝合金材料表面打磨预处理；将预处理后的铝合金材料浸入碱溶液中以去除氧化膜及夹杂物，将碱蚀后的铝合金材料浸入酸溶液中以去除碱蚀过程中产生的黑色腐蚀物，将铝合金浸入化学镀铁溶液中进行铁层的沉积，化学浸铁溶液包括铁盐、去膜剂和促进剂。本发明通过化学浸镀方法，能够在铝合金表面较短时间内沉积出一层厚度为2‑15μm的铁层，且镀层致密、平整，同时处理后铝合金表面的氧化膜得到有效去除，而且表面的电极电位得到大幅度提高，能够有效改善后续电镀过程中镀层的质量。同时，该工艺过程简单，可处理复杂形状的铝合金零件，且成本较低，生产效率高，适合大规模生产。

Description

一种铝合金表面化学浸镀铁的方法

技术领域

本发明属于铝合金表面处理领域，具体涉及一种可在铝合金表面制备出镀铁层的溶液配方及方法。

背景技术

铝及铝合金由于其比强度高、延展性优良、导电性好，被广泛应用于电力电子、航空、化工、建筑和交通等许多工业部门及日常生活中，成为目前使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料。然而，铝及铝合金的表面硬度低、耐磨性差，限制了其进一步应用。目前，已经发展多种表面处理技术来改善铝合金的表面耐磨性，如离子渗氮、离子注入、物理气相沉积、微弧氧化和激光表面处理等。这些方法均能有效改善铝及铝合金的表面性能，但也存在一些弊端，如离子渗氮处理一般在500℃进行，如此高温将损害铝基体的力学性能；物理气相沉积、微弧氧化和激光表面处理等都需要昂贵的设备和复杂的工艺，这将增加表面处理的成本。因此，发展一种低温、工艺简单以及成本较低的表面处理技术是铝合金表面工程领域的重要研究方向。

电镀是铝合金表面改性的重要手段。通过电镀技术，可以在铝表面沉积出Fe、Ni、Cr等耐磨镀层，大大提高了铝材料的表面耐磨性，同时电镀对设备要求低，且对基体的组织与性能无影响，因而获得了大规模应用。然而，铝合金表面存在一层自然形成的致密氧化膜，这层氧化膜严重降低铝合金表面电镀层与基体的结合力，导致镀层的剥落或失效。为此，在铝合金电镀前需进行化学浸锌等预处理，通过化学浸锌预处理，借助浸镀锌溶液中强碱的作用去除氧化膜，并同时通过铝基体与Zn离子的置换反应在表面形成锌保护层，锌保护层的作用是避免重新氧化和提高表面的电极电位，随后对这样预处理的铝合金进行电镀，能够获得结合力非常好的电镀层。但在这种方法的处理过程中，由于沉积出来的Zn层的电位也表较低，在后续的电镀Ni、Cu等过程中容易与镀液发生置换反应，进而影响电镀层的沉积。因此，需要开发一种合适的浸镀预处理工艺来提高铝合金电镀层质量。根据各种金属的电极电位表可知，Fe的电极电位较高，可作为合适的预镀层，但目前还没有成熟的铝合金浸镀铁工艺。

发明内容

针对目前铝合金电镀前预浸镀工艺的不足之处，本发明提供了一种工艺简单、成本低廉，且能够制备出与基体结合良好的铁镀层的化学浸镀方法，具体涉及其溶液配方及浸镀方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铝合金表面化学浸镀铁的方法，包括以下步骤：

(1)铝合金材料表面预处理：用砂纸对铝合金材料表面打磨，然后将铝合金材料依次置于丙酮和无水乙醇中超声清洗5-10min，吹干，得到预处理后的铝合金材料；

(2)铝合金表面碱蚀和活化：将预处理后的铝合金材料浸入碱溶液中以去除氧化膜及夹杂物，碱蚀工艺为：溶液温度为40-60℃，碱蚀时间为20-50s；

将碱蚀后的铝合金材料浸入酸溶液中以去除碱蚀过程中产生的黑色腐蚀物，酸洗工艺为：酸溶液温度为室温，酸洗时间为30-60s；

(3)铝合金表面浸镀铁：将步骤(2)处理后的铝合金浸入化学镀铁溶液中进行铁层的沉积；浸镀工艺为：化学镀铁溶液温度为25-100℃，沉积时间为1-20min；

化学浸铁溶液包括铁盐、去膜剂和促进剂。

步骤(2)中，所述碱溶液由50g/L氢氧化钠和2g/L十二烷基苯磺酸钠混合而成。

步骤(2)中，碱蚀工艺为：溶液温度为50℃，碱蚀时间为30s。

步骤(2)中，所述酸溶液为浓硝酸用同体积的水稀释而成，酸洗工艺为：酸溶液温度为室温，酸洗时间为50s

步骤(3)中，所述化学浸铁溶液中的铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁以及硝酸铁中的一种或几种混合物，所述铁盐的质量浓度为20-100g/L。

步骤(3)中，所述化学浸铁溶液中的促进剂由硫脲和氟化物组成，所述硫脲质量浓度为5-20g/L，所述氟化物的质量浓度为0.01-1g/L。

步骤(3)中，所述化学浸铁溶液中的去膜剂为氢氟酸、硼酸、柠檬酸以及酒石酸中的一种或两种混合物，所述去膜剂质量浓度为5-30g/L。

步骤(3)中，所述化学浸镀铁溶液的制备方法，包括以下步骤：

将去膜剂用去离子水溶解，随后加入促进剂并搅拌溶解，最后加入铁盐并搅拌溶解，再定容至所需体积，即得所述化学浸镀铁溶液。

本发明的有益效果在于：

本发明通过化学浸镀方法，研发出合适的化学浸镀铁溶液配方和浸镀方法，能够在铝合金表面较短时间内沉积出一层厚度为2-15μm的铁层，且镀层致密、平整，同时处理后铝合金表面的氧化膜得到有效去除，而且表面的电极电位得到大幅度提高，能够有效改善后续电镀过程中镀层的质量。同时，该工艺过程简单，可处理复杂形状的铝合金零件，且成本较低，生产效率高，适合大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例3所制备样品的表面宏观形貌。

图2为本发明实施例3所制备样品的横截面SEM照片。

图3为本发明实施例3所制备样品的表面微观形貌及EDS能谱。

具体实施方式

实施例1

一种铝合金表面化学浸镀铁的方法，包括以下步骤：

(1)铝合金材料表面预处理：用砂纸对铝合金材料表面打磨，然后将铝合金材料依次置于丙酮和无水乙醇中超声清洗5-10min，吹干，得到预处理后的铝合金材料；

(2)铝合金表面碱蚀和活化：将预处理后的铝合金材料浸入碱溶液中以去除氧化膜及夹杂物，所述碱溶液由50g/L氢氧化钠和2g/L十二烷基苯磺酸钠混合而成，碱蚀工艺为：溶液温度为50℃，碱蚀时间为30s；

将碱蚀后的铝合金材料浸入酸溶液中以去除碱蚀过程中产生的黑色腐蚀物，所述酸溶液为浓硝酸用同体积的水稀释而成，酸洗工艺为：酸溶液温度为室温，酸洗时间为50s；

(3)铝合金表面浸镀铁：将步骤(2)处理后的铝合金浸入化学镀铁溶液中进行铁层的沉积；浸镀工艺为：化学镀铁溶液温度为25℃，沉积时间为1min；

化学浸铁溶液包括20g/L铁盐、5g/L去膜剂和5.1g/L促进剂，其中铁盐为氯化亚铁，去膜剂为氢氟酸，促进剂由5g/L硫脲和0.1g/L氟化铵组成。

化学浸铁溶液配制步骤为：

(1)用500mL的去离子水溶解上述浓度的硫脲和氟化铵，并充分搅拌至完全溶解；

(2)向上述溶液中加入规定浓度的氢氟酸，并充分搅拌；

(3)使用200ml去离子水溶解20g氯化亚铁，搅拌至澄清后，向其中加入(1)(2)步骤制得的混合液，搅拌均匀，然后使用去离子水定容到1L，即得所述化学浸镀铁溶液。

XRD衍射分析表面镀层主要由α-Fe相组成，扫描电镜观察样品的横截面表明镀层的厚度为0.9-1.1μm，扫描电镜观察样品的表面表明镀层的晶粒尺寸为490-510nm。

以下实施例与实施例1的区别仅在于，

实施例2

本实施案例中的化学浸铁溶液包括45g/L铁盐、10g/L去膜剂和8.5g/L促进剂，其中铁盐为氯化亚铁，去膜剂为氢氟酸，促进剂由8g/L硫脲和0.5g/L氟化铵组成。

化学浸铁溶液配制步骤为：

(1)用500mL的去离子水溶解上述浓度的硫脲和氟化铵，并充分搅拌至完全溶解；

(2)向上述溶液中加入规定浓度的氢氟酸，并充分搅拌；

(3)使用200ml去离子水溶解45g硫化亚铁，搅拌至澄清后，向其中加入(1)(2)步骤制得的混合液，搅拌均匀，然后使用去离子水定容到1L即得所述化学浸镀铁溶液。

浸镀时工作温度为50℃，时间为5min。

镀后观察样品表面为黑色，镀层致密，无起泡、脱落等问题出现。

XRD衍射分析表面镀层主要由α-Fe相组成。

扫描电镜观察样品的横截面表明镀层的厚度为3.9-4.1μm，扫描电镜观察样品的表面表明镀层的晶粒尺寸为280-310nm。

实施例3

本实施案例中的化学浸铁溶液包括50g/L铁盐、15g/L去膜剂和6g/L促进剂，其中铁盐为氯化亚铁，去膜剂由14g/L氢氟酸和1g/L硼酸组成，促进剂由5g/L硫脲和1g/L氟化铵组成。

化学浸铁溶液配制步骤为：

(1)用500mL的去离子水溶解上述浓度的硫脲和氟化铵，并充分搅拌至完全溶解；

(2)向上述溶液中加入规定浓度的氢氟酸和硼酸，并充分搅拌；

(3)使用200ml去离子水溶解50g氯化亚铁，搅拌至澄清后，向其中加入(1)(2)步骤制得的混合液，搅拌均匀，然后使用去离子水定容到1L即得所述化学浸镀铁溶液。

浸镀时工作温度为65℃，时间为10min。

镀后观察样品表面为黑色，镀层致密，无起泡、脱落等问题出现。

XRD衍射分析表面镀层主要由α-Fe相组成，扫描电镜观察样品的横截面表明镀层的厚度为4.8-5.1μm，扫描电镜观察样品的表面表明镀层的晶粒尺寸为76-83nm。

实施例4

本实施案例中的化学浸铁溶液包括60g/L铁盐、15g/L去膜剂和6g/L促进剂，其中铁盐为硫化亚铁，去膜剂由14g/L氢氟酸和1g/L硼酸组成，促进剂由5g/L硫脲和1g/L氟化铵组成。

化学浸铁溶液配制步骤为：

(1)用500mL的去离子水溶解上述浓度的硫脲和氟化铵，并充分搅拌至完全溶解；

(2)向上述溶液中加入规定浓度的氢氟酸和硼酸，并充分搅拌；

(3)使用200ml去离子水溶解60g硫化亚铁，搅拌至澄清后，向其中加入(1)(2)步骤制得的混合液，搅拌均匀，然后使用去离子水定容到1L即得所述化学浸镀铁溶液。

浸镀时工作温度为65℃，时间为10min。

镀后观察样品表面为黑色，镀层致密，无起泡、脱落等问题出现。

XRD衍射分析表面镀层主要由α-Fe相组成。

扫描电镜观察样品的横截面表明镀层的厚度为2.9-3.1μm，扫描电镜观察样品的表面表明镀层的晶粒尺寸为180-210nm。

实施例5

本实施案例中的化学浸铁溶液包括80g/L铁盐、15g/L去膜剂和6g/L促进剂，其中铁盐为氯化亚铁，去膜剂由10g/L氢氟酸和5g/L硼酸组成，促进剂由5g/L硫脲和1g/L氟化铵组成。

化学浸铁溶液配制步骤为：

(1)用500mL的去离子水溶解上述浓度的硫脲和氟化铵，并充分搅拌至完全溶解；

(2)向上述溶液中加入规定浓度的氢氟酸和硼酸，并充分搅拌；

(3)使用200ml去离子水溶解80g氯化亚铁，搅拌至澄清后，向其中加入(1)(2)步骤制得的混合液，搅拌均匀，然后使用去离子水定容到1L即得所述化学浸镀铁溶液。

浸镀时工作温度为80℃，时间为10min。

镀后观察样品表面为黑色，镀层致密，无起泡、脱落等问题出现。

XRD衍射分析表面镀层主要由α-Fe相组成。

扫描电镜观察样品的横截面表明镀层的厚度为7.8-8.2μm，扫描电镜观察样品的表面表明镀层的晶粒尺寸为77-83nm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种铝合金表面化学浸镀铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）铝合金材料表面预处理：用砂纸对铝合金材料表面打磨，然后将铝合金材料依次置于丙酮和无水乙醇中超声清洗5-10min，吹干，得到预处理后的铝合金材料；

（2）铝合金表面碱蚀和活化：将预处理后的铝合金材料浸入碱溶液中以去除氧化膜及夹杂物，碱蚀工艺为：溶液温度为40-60°C，碱蚀时间为20-50s；

将碱蚀后的铝合金材料浸入酸溶液中以去除碱蚀过程中产生的黑色腐蚀物，酸洗工艺为：酸溶液温度为室温，酸洗时间为30-60s；

（3）铝合金表面浸镀铁：将步骤（2）处理后的铝合金浸入化学镀铁溶液中进行铁层的沉积；浸镀工艺为：化学镀铁溶液温度为25-100°C，沉积时间为1-20min；

化学浸铁溶液由铁盐、去膜剂和促进剂组成；

所述化学浸铁溶液中的铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁以及硝酸铁中的一种或几种混合物，所述铁盐的质量浓度为20-100g/L；

所述化学浸铁溶液中的促进剂由硫脲和氟化物组成，所述硫脲质量浓度为5-20g/L，所述氟化物的质量浓度为0.01-1g/L；

所述化学浸铁溶液中的去膜剂为氢氟酸、硼酸、柠檬酸以及酒石酸中的一种或两种混合物，所述去膜剂质量浓度为5-30g/L。

2.根据权利要求1所述的铝合金表面化学浸镀铁的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述碱溶液由50g/L氢氧化钠和2g/L十二烷基苯磺酸钠混合而成。

3.根据权利要求1所述的铝合金表面化学浸镀铁的方法，其特征在于，步骤（2）中，碱蚀工艺为：溶液温度为50°C，碱蚀时间为30s。

4.根据权利要求1所述的铝合金表面化学浸镀铁的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述酸溶液为浓硝酸用同体积的水稀释而成，酸洗工艺为：酸溶液温度为室温，酸洗时间为50s。

5.根据权利要求1所述的铝合金表面化学浸镀铁的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述化学浸镀铁溶液采用如下方法制备：

将去膜剂用去离子水溶解，随后加入促进剂并搅拌溶解，最后加入铁盐并搅拌溶解，再定容至所需体积，即得所述化学浸镀铁溶液。

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