CN104988547A - 一种离子液体电镀光亮铝后的去应力退火工艺 - Google Patents

Abstract

针对离子液体中电镀光亮铝镀层中存在残余应力，本发明提供了一种降低该镀层应力的退火工艺。在真空或惰性气体中，按照一定控温程序进行退火，可以有效地降低光亮铝镀层的残余应力，提高其机械性能，从而避免光亮铝镀层在使用过程中或后续加工过程中的脆性损伤，同时可以保持光亮铝镀层的光亮度。具体实施步骤：光亮铝镀层在真空条件或惰性气体保护下，经1～3小时缓慢升温到退火温度，退温火度为200℃～350℃，达到退火温度后恒温2～4小时，恒温结束后缓慢降温2～8小时至室温。经过本发明处理后的光亮铝镀层的残余应力明显降低，有效的降低了光亮铝镀层产品的后加工的脆性损伤率。

Description

一种离子液体电镀光亮铝后的去应力退火工艺

技术领域

本发明涉及一种离子液体电镀光亮镀层的后处理方法，特别是涉及一种降低光亮铝镀层应力的退火工艺方法。

背景技术

光亮铝镀层质轻、无毒、导热导电良好，且耐腐蚀、抗氧化，具有明显的降低发射率等优点，而被用做太阳能选择性吸收涂层中的底层薄膜。目前，铝膜常由真空蒸镀、热喷涂、磁控溅射等工艺获得，然而这些工艺中所涉及的较高的工作温度，在很大程度上影响着基体材料的力学性能，而且需要价格高昂的仪器设备，因而在工业大规模应用中受到极大限制。

离子液体电沉积铝反应条件温和，所需仪器设备简单便宜，而且获得的镀层纯度高、质量好，因而电镀工艺用于大规模制备铝镀层具有很大发展潜力。但是铝是很活泼的金属，其标准电位为-1.66V，无法从水溶液中沉积得到。因此，迄今为止开发的电镀铝镀液都是非水溶液，主要包括三大体系：有机溶剂体系，无机熔融盐体系和离子液体体系。相比之下，离子液体具有较高的电导率和较宽电化学窗口，在室温下即可获得在高温熔盐中才能得到的金属或是合金，没有高温熔盐的强腐蚀性，也没有有机溶剂体系的强挥发性和易燃易爆等缺点，是电镀铝的优选电解质体系。

任何材料中都有应力，电镀层也不例外，该应力是在电沉积过程中形成的，而非施加外力所致，所以电镀层的应力集中在镀层之中，称为“内应力”。电沉积时要获得没有杂质的纯镀层是非常困难的，杂质或添加剂与镀层金属一起沉积或夹杂在晶界上,这使得杂质周围的金属晶格发生扭曲,从而产生内应力。若镀后不作降低应力的处理，则电沉积中产生的内应力始终存在，故又称为“剩余应力”或“残余应力”。

X射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。

其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin²ψ的斜率M，便可算出应力σ_ψ。

X射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力为此需利用弹性力学理论求出的表达式。由于X射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ₃≈0(该方向的主应变ε₃≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变ε_Ψ的表达式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{1+\mathrm{\υ}}{E}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ψ}}{\sin }^2\mathrm{\ψ}-\frac{\mathrm{\υ}}{E}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2)$

式中σ₁、σ₂为沿试样表面的主应力，E，υ是试样的弹性模量和泊松比。

ε_ψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{\mathrm{\Δ}d}{d}=-{\mathrm{cot\θ}}_0({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\ψ}}-{\mathrm{\θ}}_0)$

式中θ₀为无应力试样衍射峰的布拉格角，θ_ψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。

于是将上式代入并求偏导，可得：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Φ}}=-\frac{E}{2(1+\mathrm{\υ})}{\mathrm{cot\θ}}_0\frac{\mathrm{\π}}{180}\frac{{\∂}^2\left(2\mathrm{\θ}\right)}{\∂\left({\sin }^2\mathrm{\ψ}\right)}$

令 $K=-\frac{E}{2(1+\mathrm{\υ})}{\mathrm{cot\θ}}_0\frac{\mathrm{\π}}{180},M=\frac{{\∂}^2\left(2\mathrm{\θ}\right)}{\∂\left({\mathrm{sim}}^2\mathrm{\ψ}\right)},$ 则

其中K是只与材料本质、选定衍射面HKL有关的常数，当测量的样品是同一种材料，而且选定的衍射面指数相同时，K为定值，称为应力系数。M是(2θ)-sin²ψ直线的斜率，对同一衍射面HKL，选择一组ψ值(0°、15°、30°、45°)，测量相应的(2θ)_ψ以(2θ)-sin²ψ作图，并以最小二乘法求得斜率M，就可计算出应力(是试样平面内选定主应力方向后，测得的应力与主应力方向的夹角)。由于K<0，所以，M<0时，为拉应力，M>0时为压应力，而M＝0时无应力存在。

真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，是热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的，其可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。与常规热处理相比，真空热处理可实现无氧化、无渗碳，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。

传统的热处理工艺中，光亮退火主要是在密闭空间加热退火后让温度在密闭空间缓慢降温至少500℃以下再自然冷却便会有光亮度；去应力退火是将工件加热到再结晶温度(Ac₁)以下的适当温度，保温一定时间后逐渐缓慢冷却的工艺方法。其目的是为了去除由于机械加工、变形加工、铸造、锻造、热处理以及焊接后等产生的残余应力。据调研，现如今能够保持镀层光亮的去应力退火工艺还鲜有报道。本发明所述的光亮退火并非传统光亮退火工艺，而是在热处理过程中保持镀层光亮度的工艺，其旨在真空热处理离子液体中电沉积所制备的光亮铝镀层(CN 10384991A)，使镀层在不失光亮的前提下去除掉其残余应力，从而得到性能优异的光亮铝镀层。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种降低电镀光亮铝镀层残余应力的退火方法，它可以在低温退火条件下降低光亮铝镀层的应力，避免造成光亮镀层使用过程中或后续加工过程中的脆性损伤，同时可以保持光亮铝镀层的光亮度。

本发明的技术方案如下：

1.光亮铝镀层的制备

按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在离子液体中电沉积得到光亮铝镀层。

2.去应力退火工艺

纯铝去应力退火过程就是一个恢复再结晶的过程，由无序的晶格向有序的晶格转变，晶体内部缺陷会移动回复到正常晶格位置，同时内部应力场也会跟着消失。温度越高恢复的就越多越好，应力消除的就越彻底，但不能超过500℃。因为500℃下晶界处容易出现过热或过烧，这将影响铝的机械性能和其他性能；为了较好控制晶粒大小，保持镀层的光亮性，我们将温度控制在200℃～350℃。

具体实施步骤：光亮铝镀层在真空条件或惰性气体保护下，经1～3小时缓慢升温到退火温度，退火温度为200℃～350℃，达到退火温后恒温2～4小时，恒温结束后缓慢降温2～8小时至室温，以达到降低光亮铝镀层残余应力的目的，进而避免光亮铝镀层使用过程中或后续加工过程中的脆性损伤，提高光亮铝镀层的机械性能，同时可拓宽其应用范围。

本发明的技术特点是能够得到表面平整光亮、与基体结合力良好且残余应力低的铝镀层。该铝镀层既能保持镜面光亮的效果，又能很好的满足产品的性能要求，避免造成光亮镀层使用过程中或后续加工过程中的脆性损伤，提高了产品的生产效率和应用范围。

附图说明

图1为本发明去应力退火工艺曲线

图2为XRD应力测试原理图

具体实施方式

本发明用以下实施例进行说明，但本发明并不仅局限于下述实施例，所有符合前后所述宗旨的实施都在本发明的技术范围内。

以下结合具体实施实例对本发明进行进一步说明。

实施例1

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铜基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为843MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至200℃，恒温2小时后，再用2小时由200℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为329MPa。

实施例2

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铜基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为887MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至300℃，恒温2小时后，再用4小时由300℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为272MPa。

实施例3

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铜基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为913MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至300℃，恒温3小时后，再用6小时由300℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为265MPa。

实施例4

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铜基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为829MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至350℃，恒温4小时后，再用8小时由350℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为194MPa。

实施例5

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在低碳钢基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为793MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用1小时由室温升至250℃，恒温2小时后，再用4小时由250℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为317MPa。

实施例6

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在不锈钢基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为868MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用3小时由室温升至250℃，恒温4小时后，再用4小时由250℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为254MPa。

实施例7

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铁基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为906MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至300℃，恒温6小时后，再用6小时由300℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为251MPa。

实施例8

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铝基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为891MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用2小时由室温升至300℃，恒温4小时后，再用6小时由300℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为217MPa。

实施例9

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在铝合金基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为779MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用3小时由室温升至350℃，恒温4小时后，再用8小时由350℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为193MPa。

实施例10

1)按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在镁合金基底上，从离子液体中电沉积得到光亮铝镀层，测得镀层残余应力为1001MPa；

2)将待退火的镀件置于密封性良好的真空退火炉中，装完炉后，抽气到真空度高于10^-5Pa后，开启加热电源，用4小时由室温升至350℃，恒温4小时后，再用8小时由350℃降温到室温后直接关掉电源。去应力退火后的镀层光亮平整，与基体结合力良好，且残余应力降低为294MPa。

应该指出，以上实施例只是对本发明的效果进行具体说明，本发明还可以有其他实施方式，它不应是本发明的限制。对于本领域的的工艺技术人员而言，在不偏离权利要求的的主旨和范围内，都可以根据需要进行细节变化。

Claims (6)

1.一种离子液体电镀光亮铝后的去应力退火工艺，其技术方案如下：①按照专利(CN 103849911A)的技术方法，在离子液体中电沉积得到光亮铝镀层。②去应力退火工艺：光亮铝镀层在真空条件或惰性气体保护下，将光亮铝镀层经过一段时间加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却到室温，以达到降低光亮铝镀层残余应力的目的，进而避免光亮铝镀层使用过程中或后续加工过程中的脆性损伤，提高光亮铝镀层的机械性能，同时可拓宽其应用范围。

2.如权利要求1所述的去应力退火工艺，升温到退火温度时间1～3小时。

3.如权利要求1所述的去应力退火工艺，退火温度200℃～350℃，达到退火温后恒温2～4小时。

4.如权利要求1所述的退火工艺，从退火温度降温至室温时间2～8小时。

5.如权利要求1所述的去应力退火工艺，真空条件下去应力退火时，炉体真空度高于10^-5Pa。

6.如权利要求1所述的去应力退火工艺，基体材料可为钢材(如低碳钢、不锈钢)、金属(如铁、铝、铜)、合金(如铝合金、镁合金)。