CN103255450B - 一种离子液体电刷镀铝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子液体电刷镀铝的方法，目的在于解决采用现有铝电镀方法对精密设备零件及大型设备的表面进行装饰或修复时，需要依次进行拆解、电镀、组装，费时费力，维护成本高，占用时间长，且精密设备零件在拆解、组装的过程中，性能或精确度会受到影响，严重制约精密设备零件的后期使用的问题，该方法包括基体预处理、配制离子液体电刷镀液、镀铝、后处理四个步骤。采用本发明能够实现对精密设备零件及大型设备的不解体、现场的表面装饰及保护涂层的复修，有效避免对精密设备零件及大型设备的拆解、组装，有效降低维护成本，缩短维护时间，减少工人劳动强度，保证精密设备零件的性能及精确度，对于工业化大规模生产具有重要意义。

Description

一种离子液体电刷镀铝的方法
技术领域
本发明涉及金属表面防护领域，尤其是一种离子液体电刷镀铝的方法，本发明尤其适用于精密设备零件及大型设备表面的不解体现场修复与装饰。
背景技术
铝具有优异的装饰性、抗氧化性、耐蚀性、可加工性，且无毒无污染。将铝镀覆到钢铁等基体上，形成金属构件防护层，可以将铝优良的表面性能与基体的性能结合起来，所形成的防护层是一种理想的金属构件防护层。目前，该方法已广泛应用于电子、航空和汽车行业，该方法制备的产品经抛光还常用作天文或宇航上用的反射镜或用于太阳能电池。
目前，铝保护涂层的制备方法主要有热浸铝、热喷涂、溅射沉积、气相沉积和电镀。其中，电镀制备铝保护涂层具有自身优势，通过调整电镀工艺参数，可在各种形状结构件内外表面形成致密和厚度可达数百微米且可控的镀层。铝标准电极电位为-1.66V，其标准电极电位比氢负，因此，电镀铝只能采用无机熔融盐、有机溶剂和离子液体等非水溶液体系。
目前，电镀制备铝保护涂层时，通常需要先将各零件电镀完成后，再进行组装。而对于精密设备零件及大型设备而言，当需要进行铝电镀，以实现精密设备零件及大型设备的表面装饰或修复时，首先需要进行拆解，拆解后对相应的零件进行铝电镀，铝电镀完成后，再将各部分零件进行组装。对于精密设备零件及大型设备，拆解、组装费时费力，维护成本高，占用时间长，且精密设备零件在拆解、组装的过程中，性能或精确度会受到影响，严重制约精密设备零件的后期使用。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对采用现有铝电镀方法对精密设备零件及大型设备的表面进行装饰或修复时，需要依次进行拆解、电镀、组装，拆解、组装费时费力，维护成本高，占用时间长，且精密设备零件在拆解、组装的过程中，性能或精确度会受到影响，严重制约精密设备零件的后期使用的问题，提供一种离子液体电刷镀铝的方法。采用本发明能够实现对精密设备零件及大型设备的不解体、现场的表面装饰及保护涂层的复修，有效避免对精密设备零件及大型设备的拆解、组装，有效降低维护成本，缩短维护时间，减少工人劳动强度，保证精密设备零件的性能及精确度，对于工业化大规模生产具有重要意义。同时，采用本发明电刷镀制备的产品，使用寿命得到有效延长，使用成本降低，对于企业降低生产成本具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种离子液体电刷镀铝的方法，包括如下步骤：
（1）基体预处理：对基体表面进行预处理；
（2）配制离子液体电刷镀液：将AlCl3和有机盐搅拌均匀，即得离子液体电刷镀液；
（3）镀铝：以镀笔为阳极，步骤（1）处理后的基体为阴极，采用步骤（2）制备的离子液体电刷镀液不断淋洗镀笔和处理后的基体，进行电刷镀，得初坯，其中，电刷镀的电流密度为30~50mA/cm2，镀笔运动速率为1~6m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为30~2000ml/min；
（4）后处理：将步骤（3）得到的初坯清洗干净后，干燥，即得产品；
所述步骤（2）中，AlCl3和有机盐的摩尔比为2:1，所述有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑、氯化烷芳基铵盐中的一种或多种；
所述步骤（3）中，镀笔为可溶性阳极，镀笔的材料为纯铝。
作为优选，所述卤化烷基吡啶为氯化正丁基吡啶，所述卤化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，所述氯化烷芳基铵盐为氯化三乙基苯胺。
作为优选，所述步骤（2）中，有机盐为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，AlCl3和有机盐的摩尔比为2:1。
作为优选，所述步骤（2）中，还包括添加剂，所述添加剂为苯，所述添加剂占AlCl3、有机盐和添加剂三者总体积的40~50%。
所述步骤（1）中，基体的材料为金属。
所述步骤（1）中，基体材料为铁、钢、钛、钛合金、镁、镁合金中的一种。
所述步骤（1）中，对基体表面进行预处理，去除基体表面的油污及氧化膜。
所述步骤（3）中，离子液体电刷镀液的循环速率为30~1000ml/min。
所述步骤（3）中，镀笔的笔头形状为月牙状、条状、半圆状、棒状、板状。
所述步骤（3）中，镀笔的包套为3~5mm厚的纱布。
所述步骤（4）中，将步骤（3）得到的初坯分别采用有机溶剂、水清洗后，干燥，即得产品。
所述步骤（4）中，将步骤（3）得到的初坯分别采用苯、水清洗后，干燥，即得产品。
本发明针对前述存在的问题，提供一种离子液体电刷镀铝的方法，包括基体预处理、配制离子液体电刷镀液、镀铝、后处理四个步骤。
步骤（1）中，以需要施镀的工件作为基体，对基体表面进行预处理，去除基体表面的油污及氧化膜。基体的材料可以为金属，优选为铁、钢、钛、钛合金、镁、镁合金中的一种。
步骤（2）中，将AlCl3和有机盐按摩尔比2:1混合，搅拌均匀，即得离子液体电刷镀液，其中有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑、氯化烷芳基铵盐中的一种或多种。所得的离子液体电刷镀液中，能够形成AlCl3-卤化烷基吡啶体系、AlCl3-卤化烷基咪唑体系、AlCl3-氯化烷芳基铵盐体系。作为优选，卤化烷基吡啶为氯化正丁基吡啶，卤化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，氯化烷芳基铵盐为氯化三乙基苯胺。氯化正丁基吡啶的CAS号为：1124-64-7，英文简称为：BPC；氯化1-甲基-3-乙基咪唑的CAS号为：65039-09-0，英文简称为：EMIC；氯化三乙基苯胺的CAS号为：3426-74-2，英文简称为：TMPAC。作为优选，还包括添加剂，所述添加剂为苯，所述添加剂占AlCl3、有机盐和添加剂三者总体积的40~50%。离子液体，又称室温熔盐，是一类只含阴离子和阳离子，不含任何中性分子熔点在25℃附近的物质，其具有熔点低、无可测蒸气压、无味、导电率高、电化学窗口宽及环境友好等特点。本发明中采用卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑、氯化烷芳基铵盐制备的离子液体电刷镀液，具有优异的电化学性能。作为优选，有机盐为氯化1-甲基-3-乙基咪唑（EMIC），AlCl3和有机盐的摩尔比为2:1，形成酸性离子液体电刷镀液。
步骤（3）中，以镀笔为阳极，以预处理后的基体为阴极，采用步骤（2）制备的离子液体电刷镀液不断淋洗镀笔和处理后的基体，进行电刷镀，得初坯。其中，电刷镀的电流密度为30~50mA/cm2，镀笔运动速率为1~6m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为30~2000ml/min，作为优选，离子液体电刷镀液的循环速率为30~1000ml/min。本发明中的镀笔为可溶性阳极，镀笔的材料为纯铝。铝的纯度可以为99.999%。镀笔的笔头形状可以根据需要制成各种样式，作为优选，镀笔的笔头形状为月牙状、条状、半圆状、棒状、板状，从而满足施镀工件表面形状的要求。同时，镀笔的包套可以采用3~5mm厚的纱布，镀笔的手柄采用大直径与螺纹形式设计，以便散热。离子液体电刷镀液的循环采用与其相容的液体循环泵输运，从而不断淋洗镀笔，并根据镀笔的形状和镀笔运动速率，在30~2000ml/min范围内调节离子液体电刷镀液的循环速率。同时，镀笔运动采用阴极、阳极相对运动的方式，即可以采用阴极固定而阳极运动或者阳极固定而阴极运动两种方式，镀笔运动速率为1~6m/min。
步骤（4）中，将步骤（3）得到的初坯清洗干净后，干燥，即得产品。清洗时，分别采用有机溶剂、水清洗，作为优选，有机溶剂为苯。
本发明提供的一种离子液体电刷镀铝的方法，目前未见相关报道与专利，采用该方法能够在工件表面形成光亮铝镀层。与传统的槽镀相比，采用本发明无需庞大的镀槽，也无需将挂具与工件全部浸入电镀液中，大为减少电镀液用量，且不需专门挂具，因而能够有效实现精密设备零件及大型设备的不解体、现场的表面装饰及保护涂层的复修。本发明只需将需要电镀的工件与直流电源的负极相接，镀笔与正极相接即可，特别适用于大型部件的表面处理。由于镀笔与工件之间相对运动，金属离子的还原与沉积是在不断更新地点的条件下进行，即镀层形成是断续结晶过程，会导致镀层组织致密、结晶细致、高位错密度，因此，可形成光亮、细晶强化的镀层。
采用本发明对工件进行电刷镀时，可获得光亮致密、色泽均匀、防腐性能好的光亮铝防护镀层，且铝镀层组织致密、结晶细致，光亮度达到2级以上；同时，铝镀层与基体之间的结合力大于20N，在3.5%NaCl溶液中的极化阻力达到104Ω.cm2。本发明可在室温操作，工艺简单，施工方便，成本低廉，对环境友好，可现场施工，尤其适用于精密设备零件及大型设备表面的不解体现场修复与装饰。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实施例1的电刷镀光亮铝镀层表面的低倍放大微观形貌图。
图2是实施例1的电刷镀光亮铝镀层表面的高倍放大微观形貌图。
图3是实施例1的电刷镀光亮铝镀层的截面金相图。
图4是实施例1的电刷镀光亮铝镀层的EDS检测结果图。
图5是实施例1的电刷镀光亮铝镀层的XRD检测结果图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
在1Cr18Ni9Ti不锈钢球壳内表面电刷镀光亮铝，具体操作过程如下。
首先选直径为50mm，厚度为3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球壳作为施镀的基体，以其内表面作为施镀对象。去除不锈钢球壳内表面的氧化膜，将不锈钢球壳放入氩气保护手套箱中，并固定在旋转装置上。
将AlCl3与氯化1-甲基-3-乙基咪唑(EMIC)按2:1的摩尔比搅拌均匀，得离子液体电刷镀液。以镀笔为阳极，镀笔的材料为铝，铝的纯度为99.999%，以3~5mm厚的纱布为包套，将包套包裹在镀笔表面，镀笔的笔头为半圆形。以基体为阴极，镀笔在离子液体电刷镀液中充分浸湿后，在室温下通电，进行电刷镀。其中，电刷镀的电流密度为50mA/cm2，基体的旋转速度为1m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为50ml/min。
电刷镀100min后断电，得初坯，将初坯依次用苯、清水依次清洗后，干燥，得产品。
本实施例所得到的不锈钢球壳的内表面具有一层光亮的铝镀层，铝镀层表面光亮，能看出人的五官和眉毛，到达了2级光亮度。从图1、图2中可以看出，铝镀层组织致密、结晶细致、无明显凹凸起伏，只出现了些平坦的小平台形貌。从图3中可以看出，中间狭长部分为铝镀层，其厚度均匀，基体与铝镀层之间没有出现分层现象，从图4、图5中可以看出，铝镀层中无夹杂。本实施例中的铝镀层与基体之间的结合力大于20N，结合良好，在质量百分比为3.5%NaCl溶液中的极化阻力达到1.5×104Ω.cm2。
实施例2
在1Cr18Ni9Ti不锈钢球壳内表面电刷镀白色铝，具体操作过程如下。
首先选直径为50mm，厚度为3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球壳作为施镀的基体，以其内表面作为施镀对象。去除不锈钢球壳内表面的氧化膜，将不锈钢球壳放入氩气保护手套箱中，并固定在旋转装置上。
将AlCl3与氯化正丁基吡啶(BPC)按2:1的摩尔比混合后，向其中加入占AlCl3、氯化正丁基吡啶、苯三者总体积50%的苯，搅拌均匀，得离子液体电刷镀液。以镀笔为阳极，镀笔的材料为铝，铝的纯度为99.999%，以5mm厚的纱布为包套，将包套包裹在镀笔表面，镀笔的笔头为半圆形。以基体为阴极，镀笔在离子液体电刷镀液中充分浸湿后，在室温下通电，进行电刷镀。其中，电刷镀的电流密度为30mA/cm2，基体的旋转速度为3m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为100ml/min。
电刷镀60min后断电，得初坯，将初坯依次用苯、清水依次清洗后，干燥，得产品。
经测定，所得到的不锈钢球壳的内表面具有一层铝镀层，该铝镀层组织致密、结晶细致、无明显凹凸起伏，且厚度均匀，基体与铝镀层之间没有出现分层现象，也无夹杂。铝镀层与基体之间的结合力大于18N，结合良好，在质量百分比为3.5%NaCl溶液中的极化阻力达到1.45×104Ω.cm2。
实施例3
在铁片表面电刷镀白色铝，具体操作过程如下。
首先选直径为100mm，厚度为3mm的铁片作为施镀的基体，以其表面作为施镀对象。去除铁片表面的氧化膜，将铁片放入氩气保护手套箱中，并固定在旋转装置上。
将AlCl3与氯化三乙基苯胺(TMPAC)按2:1的摩尔比混合后，向其中加入占AlCl3、氯化三乙基苯胺、苯三者总体积40%的苯，搅拌均匀，得离子液体电刷镀液。以镀笔为阳极，镀笔的材料为铝，铝的纯度为99.999%，以3mm厚的纱布为包套，将包套包裹在镀笔表面，镀笔的笔头为板状。以基体为阴极，镀笔在离子液体电刷镀液中充分浸湿后，在室温下通电，进行电刷镀。其中，电刷镀的电流密度为30mA/cm2，基体的旋转速度为3m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为50ml/min。
电刷镀60min后断电，得初坯，将初坯依次用苯、清水依次清洗后，干燥，得产品。
经测定，所得到的铁片表面具有一层铝镀层，该铝镀层组织致密、结晶细致、无明显凹凸起伏，且厚度均匀，基体与铝镀层之间没有出现分层现象，也无夹杂。结合力与抗腐蚀性能检测结果与实施例1相似。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）基体预处理：对基体表面进行预处理；
（2）配制离子液体电刷镀液：将AlCl3和有机盐搅拌均匀，即得离子液体电刷镀液；
（3）镀铝：以镀笔为阳极，步骤（1）处理后的基体为阴极，采用步骤（2）制备的离子液体电刷镀液不断淋洗镀笔和处理后的基体，进行电刷镀，得初坯，其中，电刷镀的电流密度为30~50mA/cm2，镀笔运动速率为1~6m/min，离子液体电刷镀液的循环速率为30~2000ml/min；
（4）后处理：将步骤（3）得到的初坯清洗干净后，干燥，即得产品；
所述步骤（2）中，AlCl3和有机盐的摩尔比为2:1，所述有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑、氯化烷芳基铵盐中的一种或多种；
所述步骤（3）中，镀笔为可溶性阳极，镀笔的材料为纯铝；
所述步骤（2）中，还包括添加剂，所述添加剂为苯，所述添加剂占AlCl3、有机盐和添加剂总体积的40~50%；
所述步骤（3）中，镀笔的包套为3~5mm厚的纱布。
2.根据权利要求1所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述卤化烷基吡啶为氯化正丁基吡啶，所述卤化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，所述氯化烷芳基铵盐为氯化三乙基苯胺。
3.根据权利要求2所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，有机盐为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，AlCl3和有机盐的摩尔比为2:1。
4.根据权利要求1-3任一项所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，基体材料为铁、钢、钛、钛合金、镁、镁合金中的一种。
5.根据权利要求1所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，对基体表面进行预处理，去除基体表面的油污及氧化膜。
6.根据权利要求1所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，离子液体电刷镀液的循环速率为30~1000ml/min。
7.根据权利要求1所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，镀笔的笔头形状为月牙状、半圆状、棒状、板状。
8.根据权利要求1所述离子液体电刷镀铝的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，将步骤（3）得到的初坯分别采用有机溶剂、水清洗后，干燥，即得产品。
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