CN102218393A - 一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，涉及在金属表面获得金属复合层的表面处理方法。将金属坯件进行干法清洁与活化；在活化后的金属坯件上喷涂有机涂层；将金属坯件放入物理气相沉积炉内镀金属陶瓷复合膜，得最终产品。经测试，不仅具有防腐、耐磨、耐候、耐温和多彩性等优点，而且表面坚硬平滑，可与传统水(湿法)电镀金属产品品质相媲美，祛除传统水(湿法)电镀中的粗化、活化水洗过程，不使用任何有害电镀药液，尤其是不采用有毒的六价铬。同时，过程中金属耗用量小，废气极少，又完全无废水排放。可提升金属表面处理产品的功能和品质，可降低生产成本，可提高效率，整个工艺流程无需使用任何水液，节水环保。

Description

一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法

技术领域

本发明涉及在金属表面获得金属复合层的表面处理方法，特别是涉及一种采用全干法在金属表面获得仿水电镀外观的表面处理方法。

背景技术

在金属表面进行传统水(湿法)电镀可获得高防腐、高耐磨、镜面高光且装饰极强之产品，此种金属金属化(镀Cu/Ni/Cr金属膜)应用广泛，且盛行已久。但水电镀工艺存在以下缺点：(1)耗水耗能大，且产出大量废水。(2)使用有害化学镀液与添加剂。(3)排放有毒废气。(4)耗用金属量大。(5)使用对人体有害的六价铬。显然，这一传统工艺对环境污染及危害颇大，亟需改进。多年来，众多科研者致力于传统水电镀工艺改进，并取得一定的初步成果：干法镀膜工艺已经被开发，其应用已可取代部分金属电镀产品。如中国专利CN101338409公开一种汽车轮毂盖镀膜方法，依次包括预处理、光固化底涂、离子轰击镀铬、光固化面涂等步骤。该干法镀法不含有毒物质，没有三废问题，无需三废处理，工艺过程简单，对环境无污染。工人劳动条件好，对工人身体健康影响小。不需要使用铜、镍、铬等贵重金属，只使用少量铝，成本大大降低。工艺简单，工序少，生产成本低。用电量约为电镀的1/5～1/7，用水量约为电镀的1/10～1/20。整体生产成本约为电镀的1/2，具有较高的经济效益。并在光固化面涂原料中加入纳米陶瓷粒子，改进了分散和混合工艺，显著提高了表面耐磨性。

中国专利CN1468976公开一种适用金属及非金属的表面处理方法，主要是有鉴于现有的表面处理方法对环境污染严重，且处理后其防腐蚀效果及表面光泽度差，乃研发一种具导电性可供物品定位的固定架，物品定位于固定支架上，先于物品表面上一底膜，再以真空电镀形成金属电镀层，之后，将固定架连同物品直接进行电着披覆，使电镀层表面形成抗腐蚀性高、耐磨、具光泽性的压克力层，藉此可有效改善普通表面处理方法存在的问题。上述干法镀膜也有采用电泳涂装做面漆。然而该干法镀膜技术仍存在以下问题与缺点：

1)所用清洗及除油步骤仍大都使用化学药剂，并排出废水。

2)表面有色有机涂层直接暴露于外，耐候及耐水性较为差。

3)最外层为有机物，而非金属膜，故硬度较差，缺乏金属质感。

4)需要喷涂底漆与面漆，良品率不高，且VOC排放量高，不环保。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的干法镀膜所存在缺点，提供一种可提升金属表面处理产品的功能和品质，可降低生产成本，可提高效率，整个工艺流程无需使用任何水液，节水环保的采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法。

本发明包括以下步骤：

1)将金属坯件进行干法清洁与活化；

在步骤1)中，所述金属坯件可选自铁、铝、镁、锌、铜、锡和镍等中的一种或合金；所述干法清洁的具体方法如下：先用干布擦拭金属坯件表面，去除油脂及灰尘，然后利用高温火焰处理金属坯件表面的油脂，达到除油除脂的目的，再通过静电除尘，去除吸附在金属坯件表面的灰尘及燃烧产生的颗粒；

所述活化的具体方法如下：通过高温火焰处理的外延接触金属坯件表面，使其瞬间达到1000℃的高温，使金属坯件外表面具有大量极性键，易于漆膜形成良好结合力。

所述高温火焰处理，可采用瓦斯作为燃烧气体，所述处理的时间可为0～5min。

2)在活化后的金属坯件上喷涂有机涂层；

在步骤2)中，所述有机涂层的厚度可为5～60μm；所述有机涂层可为有色有机涂层，所述有色可选自金色、银色、铜色、镍色、黑色、红色、黄色等中的一种颜色；所述喷涂有机涂层的方法可为电泳、粉末喷涂、液体喷涂、浸涂、淋涂等中的一种方法；所述热固化交联温度70～180℃，时间为10～60min。

3)将步骤2)得到的金属坯件放入物理气相沉积(PVD)炉内镀金属陶瓷复合膜，得最终产品。

在步骤3)中，所述金属陶瓷复合膜的厚度可为0.05～5μm；所述金属可采用铜、镍、铬、铝、不锈钢、锆或钛等单一金属或多种金属合金，或铜、镍、铬、铝、不锈钢、锆或钛等金属的化合物；所述镀金属陶瓷复合膜的方法可为：

将金属坯件转挂至PVD(物理气相沉积)炉内，接通离子源，通保护气体，在固化后喷漆膜层进行离子辉光活化；关闭离子源，打开电弧靶、溅射靶或蒸发电源，进行镀金属陶瓷复合膜；

所述保护气体可采用氮气、氩气或氧气等；所述离子辉光活化的时间可为1～10min；所述真空镀金属膜的时间可为1～30min。

由于本发明的膜层结构采用一层有机涂层，一层金属层，称之为双层复合镀膜；通过有机涂层起到流平、遮盖坯件表面缺陷、提高光泽度等作用，再通过PVD(物理气相沉积)镀高硬耐磨金属陶瓷复合膜，起到耐磨增硬的作用，达到与现有的传统水(湿法)电镀相同外观效果的产品。

经测试，由本发明制得的金属化金属制品不仅具有防腐、耐磨、耐候、耐温和多彩性等优点，而且表面坚硬平滑，可与传统水(湿法)电镀金属产品品质相媲美，祛除传统水(湿法)电镀中的粗化、活化水洗过程，不使用任何有害电镀药液，尤其是不采用有毒的六价铬。同时，过程中金属耗用量小，废气极少，又完全无废水排放，故是一种经济且绿色环保的新型镀膜技术。本发明开拓了广谱金属表面金属化领域，镀出产品功能优异且外观优良，非常适用于卫浴、电子、家电与汽车等行业。

附图说明

图1为本发明实施例的40倍双层镀膜剖面图。在图1中，各标记为：1为金属陶瓷复合膜，2为有机涂层，3为金属基材。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1一种铁件风口镀铬

1)将铁件冲压的风口先用干布擦拭后进行火焰处理再进行静电除尘，其中火焰处理时间2min。

2)喷一层50μm厚热固化交联粉末涂料。用预热温度(120℃×5min)，再经流平(150℃×5min)，再经固化(180℃×15min)。

3)将喷涂粉末涂料的坯件转挂入PVD(物理气相沉积)炉内实施等离子气体活化(条件：离子源电流0.3A，偏压100V，炉内真空压力0.2Pa，工作气流为Ar₂及O₂混合气流，混合比率50SCCM∶50SCCM，活化时间5min)；接着在漆面上镀一层厚度为0.1μm金属膜Cr(电弧镀膜条件：铬靶电流80A，偏压70V，通入30SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间1min)，接着镀一层厚度为0.5um氮化铬陶瓷膜(电弧镀膜条件：铬靶电流80A，偏压70V，通入100SCCM Ar₂ 100SCCM N₂，真空压力0.4Pa，镀膜时间10min)，接着再镀一层金属膜Cr(电弧镀膜条件：铬靶电流80A，偏压70V，通入30SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间2min)。

由此工艺所得制品，表面高光如镜，且可通过下列功能测试：

(A)CASS防腐蚀：  8h；

(B)冷热冲击循环  8个循环；

(C)落砂冲击：    18L落砂；

(D)结合力(百割)：5A；

(E)水浸38℃：    24h；

(F)铅笔硬度(三菱)：3H；

(G)RCA耐磨测试：   2500回。

图1给出本发明实施例的40倍双层镀膜剖面图。在图1中，各标记为：1为金属陶瓷复合膜，2为有机涂层，3为金属基材。

实施例2一种不锈钢锁盖镀仿金

1)将不锈钢冲压的锁盖先用干布擦拭后进行火焰处理再进行静电除尘，其中火焰处理时间3min。

2)喷一层40μm厚热固化交联黄色粉末涂料。用预热温度(120℃×5min)，再经流平(150℃×5min)，再经固化(180℃×15min)。

3)将喷涂粉末涂料的坯件转挂入PVD(物理气相沉积)炉内实施等离子气体活化(条件：离子源电流0.3A，偏压100V，炉内真空压力0.2Pa，工作气流为Ar₂及O₂混合气流，混合比率50SCCM∶50SCCM，活化时间5min)；接着在漆面上镀一层厚度为0.1μm金属膜Zr(电弧镀膜条件：锆靶电流120A，偏压70V，通入50SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间1min)，接着再镀一层0.3um氮化锆膜(电弧镀膜条件：锆靶电流120A，偏压70V，通入200SCCM N₂，真空压力0.4Pa，镀膜时间3min)。

由此工艺所得制品，表面高光如镜，且可通过下列功能测试：

(A)CASS防腐蚀：     24h；

(B)冷热冲击循环     8个循环；

(C)落砂冲击：       18L落砂；

(D)结合力(百割)：   5A；

(E)水浸38℃：       24h；

(F)铅笔硬度(三菱)： 2H；

(G)RCA耐磨测试：    2500回。

实施例3一种铝合金仿镍色把手

1)将铝合金把手先用干布擦拭后进行火焰处理再进行静电除尘，其中火焰处理时间2min。

2)电泳一层30μm厚白色涂料。用预热温度(110℃×5min)，再经流平(130℃×5min)，再经固化(140℃×20min)。

3)将电泳涂料的坯件转挂入PVD(物理气相沉积)炉内实施等离子气体活化(条件：离子源电流0.3A，偏压100V，炉内真空压力0.2Pa，工作气流为Ar₂及O₂混合气流，混合比率50SCCM∶50SCCM，活化时间5min)；接着在漆面上镀一层厚度为0.1μm金属膜Zr(电弧镀膜条件：锆靶电流120A，偏压70V，通入50SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间1min)，接着再镀一层0.6um氮化锆膜(电弧镀膜条件：锆靶电流120A，偏压70V，通入Ar100SCCM80SCCM N₂，真空压力0.3Pa，镀膜时间6min)。

由此工艺所得制品，表面高光如镜，且可通过下列功能测试：

(A)CASS防腐蚀：  16h；

(B)冷热冲击循环  8个循环；

(C)落砂冲击：    18L落砂；

(D)结合力(百割)：5A；

(E)水浸38℃：    24h；

(F)铅笔硬度(三菱)：3H；

(G)RCA耐磨测试：   2500回。

实施例4一种铝合金光亮铬轮毂

1)将铝合金轮毂先用干布擦拭后进行火焰处理再进行静电除尘，其中火焰处理时间4min。

2)电泳一层40μm厚白色涂料。用预热温度(110℃×5min)，再经流平(140℃×5min)，再经固化(180℃×20min)。

3)将电泳涂料的坯件转挂入PVD(物理气相沉积)炉内实施等离子气体活化(条件：离子源电流0.3A，偏压100V，炉内真空压力0.2Pa，工作气流为Ar₂及O₂混合气流，混合比率50SCCM∶50SCCM，活化时间5min)；接着在漆面上镀一层厚度为0.1μm金属膜Cr(电弧镀膜条件：铬靶电流100A，偏压70V，通入50SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间1min)，接着再镀一层1um氮化铬和氮化铬复合膜(电弧镀膜条件：铬靶电流100A，锆靶电流100A，偏压70V，通入Ar100SCCM 40SCCM N₂，真空压力0.3Pa，镀膜时间5min)，接着再镀一层0.5um铬(电弧镀膜条件：铬靶电流100A，偏压70V，通入50SCCM Ar₂，真空压力0.2Pa，镀膜时间5min)。

由此工艺所得制品，表面高光如镜，且可通过下列功能测试：

(A)CASS防腐蚀：    48h；

(B)冷热冲击循环    8个循环；

(C)落砂冲击：      18L落砂；

(D)结合力(百割)：  5A；

(E)水浸38℃：      24h；

(F)铅笔硬度(三菱)：3H；

(G)RCA耐磨测试：   3000回。

以上功能测试包括：

1、抗腐蚀功能测试：

CASS试验(ASTM B368-09)；

2、抗磨耗功能测试：

落砂试验(ASTM D968-05)。

3、结合力测试：

1)百割测试(ASTM D3359-02)；

2)冷热循环试验(ASMEA112.18.1-2005/CSAB125.1-05)。

4、耐水测试

水浸测试(ASTM D870-02)。

5、耐划伤性测试

1)铅笔硬度测试(ASTM D3363-05)；

2)耐划伤性测试(ASTM D5178-9)。

Claims (10)

1.一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将金属坯件进行干法清洁与活化；

2)在活化后的金属坯件上喷涂有机涂层；

3)将步骤2)得到的金属坯件放入物理气相沉积炉内镀金属陶瓷复合膜，得最终产品。

2.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属坯件选自铁、铝、镁、锌、铜、锡和镍中的一种或合金。

3.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤1)中，所述干法清洁的具体方法如下：先用干布擦拭金属坯件表面，去除油脂及灰尘，然后利用高温火焰处理金属坯件表面的油脂，达到除油除脂的目的，再通过静电除尘，去除吸附在金属坯件表面的灰尘及燃烧产生的颗粒。

4.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤1)中，所述活化的具体方法如下：通过高温火焰处理的外延接触金属坯件表面，使其瞬间达到1000℃的高温，使金属坯件外表面具有大量极性键。

5.如权利要求3或4所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤1)中，所述高温火焰处理，是采用瓦斯作为燃烧气体，所述处理的时间为0～5min。

6.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤2)中，所述有机涂层的厚度为5～60μm。

7.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤2)中，所述有机涂层为有色有机涂层，所述有色选自金色、银色、铜色、镍色、黑色、红色、黄色中的一种颜色。

8.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤2)中，所述喷涂有机涂层的方法为电泳、粉末喷涂、液体喷涂、浸涂、淋涂中的一种方法。

9.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤2)中，所述热固化交联温度70～180℃，时间为10～60min。

10.如权利要求1所述的一种采用全干法在金属表面双层复合镀膜的方法，其特征在于在步骤3)中，所述金属陶瓷复合膜的厚度为0.05～5μm；所述金属采用铜、镍、铬、铝、不锈钢、锆或钛单一金属或多种金属合金，或铜、镍、铬、铝、不锈钢、锆或钛的化合物；所述镀金属陶瓷复合膜的方法为：

将金属坯件转挂至物理气相沉积炉内，接通离子源，通保护气体，在固化后喷漆膜层进行离子辉光活化；关闭离子源，打开电弧靶、溅射靶或蒸发电源，进行镀金属陶瓷复合膜；

所述保护气体采用氮气、氩气或氧气；所述离子辉光活化的时间为1～10min；所述真空镀金属膜的时间为1～30min。

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