CN105112988A - 一种机械镀铜及铜合金工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械镀铜及铜合金工艺，属于钢铁制件表面镀覆技术领域。本发明的机械镀铜及铜合金工艺借助于通用的机械镀设备，通过调整镀液的pH值，然后向镀液中添加铜粉或铜合金粉和沉积促进剂，随着机械镀设备的镀筒转动最终在钢铁制件表面制备铜层或铜合金层。本发明工艺镀铜所采用的沉积促进剂由硅藻土、葡萄糖酸钠、三乙醇胺、亚锡盐、磷酸二氢铵、聚乙二醇、OP-10、磷酸、和适量水组成。采用本发明机械镀铜及铜合金工艺可实现铜或铜合金粉在钢铁制件表面的快速沉积，工艺简单，操作方便，可达到钢铁制件的防腐和装饰双重效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械镀铜及铜合金工艺，属于钢铁材料的表面镀覆技术领域，用于钢铁制件表面制备铜及铜合金镀层。
背景技术
近几年来，传统电镀铜工艺随着环保压力的不断增大，一度出现关、停、整等；而电子、电器、装饰-防护五金领域对镀铜工艺的需求有增无减，这给机械镀铜的发展提供了良好契机。但机械镀领域到目前并没有成熟的机械镀铜工艺用于生产实践，文献检索表明，表面防护领域对机械镀铜工艺的研究甚少。于萍曾在“机械镀铜及铜合金工艺及其耐蚀性研究”（电镀与精饰，2005，第6期，7～9页）一文中通过在机械镀过程中添加铜粉、硫酸铜、硫酸氢钠、聚乙二醇在钢铁制件表面制备了纯铜层，其镀层的形成依靠硫酸铜的置换还原建立铜基层，然后在铜基层上再进行闪锡建立锌-锡层，再在锌-锡层的基础上镀铜，工艺流程繁杂，镀层的厚度控制困难。刘丽在“机械镀铜的工艺研究”（材料保护，2000，第12期，29～30页）中采用铜粉和铜合金粉，以硫酸铜、氯化铜、聚乙二醇、EDTA组合配制沉积剂，在钢铁制备表面制备了铜层和铜合金层，但存在沉积速度慢、镀层表面易变色的问题；同时，刘丽在添加铜粉或铜合金粉的情况下，仅靠添加二价铜盐在钢铁制件表面制备了铜层，但镀层的增厚困难，镀层表面变色问题严重。机械镀技术领域的工程师们采用常规的机械镀锌工艺，将锌粉更换为铜粉或铜合金粉，进行了大量的实验研究和生产尝试，最终均以失败而告终，这说明借鉴或嫁接机械镀锌的工艺方法进行机械镀铜是行不通的。
机械镀铜及铜合金所采用的主要成层材料为铜粉或铜合金粉，与锌及锌合金粉相比，金属铜易氧化，金属铜的标准电极电位比金属锌要正的多，铜粉和锌粉在酸性溶液中的颗粒表面状态也不相同，所以从机理上分析常规的机械镀锌工艺是不适合于机械镀铜及铜合金的。为此，从工艺原理和工艺操作流程出发，研究一种借助于通用机械镀设备，工艺简单、操作方便的机械镀铜及铜合金工艺，在钢铁制件表面获得表面平滑、镀层完整、色泽均匀的铜或铜合金层成为该领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种机械镀铜及铜合金工艺，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢铁制件依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢铁制件；
（2）将钢铁制件、介质、水（介质和水的加入量与钢铁制件的形状和单件重量有关，以保证镀筒转动过程镀筒内的物料呈泻落状态）装入通用机械镀设备的镀筒内，添加磷酸或柠檬酸调整镀液的pH值为1～5，然后添加铜粉或铜合金粉，随后添加促进剂，转动镀筒5～8分钟；
（3）根据所要求的镀层厚度多次循环添加铜粉或铜合金粉和沉积促进剂，循环加料的时间间隔为5～8分钟，循环次数越多，镀层厚度越厚，因此对于循环次数的确定是本领域的公知常识；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转1～2分钟，随着镀筒的旋转将工件镀层表面清洗干净，然后卸料、工件分离，钢铁制件表面获得一层铜或铜合金层。
优选的，本发明所述沉积促水溶液进剂的成分及其质量百分比为硅藻土0.5%～1%，葡萄糖酸钠1%～2%，三乙醇胺0.5%～1%，亚锡盐35%～45%，磷酸二氢铵1%～3%，聚乙二醇1%～3%和余量水。
本发明所述沉积促进剂中不含有硫酸铜、氯化铜或其它铜盐，沉积促进剂可以控制铁、铜、锡之间的电位稳定，且促使所添加的铜粉或铜合金在镀液环境中以尺寸适合的团簇状沉积在钢铁基体表面。
优选的，本发明所述方法施镀时铜粉或铜合金粉的总添加量M=8.5×d×S，其中，M单位为克；d为镀层欲镀厚度，单位：微米；S为待镀工件表面积，单位：平方米；铜粉或铜合金粉每次添加量m=M／（d／10）。
优选的，本发明所述方法施镀时沉积促进剂的加入量为铜或铜合金粉加入量的1/3～1/2。
本发明所述介质常用玻璃珠介质，其他符合要求的材质也可以使用。
本发明所述前处理主要是采用常用的化学法、电化学法、超声波法、氧化法等除去钢铁制件表面的各类油、脂、蜡等污物，以及采用常用的化学酸洗法、机械法等去除钢铁制件表面的锈垢、氧化皮等污物，经前处理后钢铁制件表面裸露出洁净的表面。
向镀液中添加铜粉或铜合金粉+沉积促进剂镀铜可以在钢铁制件表面获得铜层或铜合金层，向镀液中循环多次添加铜粉或铜合金粉和沉积促进剂可以实现钢铁制件表面的铜层或铜合金层厚度增加；添加铜粉或铜合金粉+沉积促进剂时需要先添加铜粉或铜合金粉，再添加沉积促进剂，循环加料的时间间隔为5～8分钟。
本发明的有益效果：
（1）本发明的机械镀铜及铜合金工艺稳定，工艺流程中不添加硫酸铜、氯化铜或其它铜盐，在镀液环境中沉积促进剂可以控制铁、铜、锡之间的电位稳定，控制铜粉或铜合金粉以尺寸适合的团簇状沉积在钢铁基体表面，铜粉或铜合金粉的沉积速度稳定。
（2）本发明的机械镀铜及铜合金工艺流程操作简单，镀层的形成不需要建立锌-锡基层或硫酸铜置换铜底层，可在前处理后的钢铁制件表面直接沉积铜层或铜合金层，工艺流程简单，操作方便。
（3）本发明的机械镀铜及铜合金工艺流程中铜及铜合金粉、沉积促进剂的添加量由待镀件的表面积、所要求的镀层厚度、铜及铜合金粉的密度定量决定，工艺操作时它们的总添加量和分次添加量均定量化，施镀时操作简单，易实现镀层厚度的准确控制。
（4）本发明的机械镀铜及铜合金工艺流程中施镀时不添加硫酸铜、氯化铜或其它铜盐，最终在钢铁制件表面所获得的镀层主要由铜粉或合金粉组成，不存在铜盐的还原沉积层，镀层表面色泽稳定，不变色。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述机械镀铜及铜合金工艺，待镀工件为Ф20厚度3mm的钢铁平垫片100kg，被镀表面积9.5㎡，欲镀镀层厚度10微米，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢铁垫片依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢铁制件；本实施例采用热碱法去除钢铁垫片表面的各类油脂类污物，采用盐酸酸洗法去除垫片表面的锈蚀产物，采用流动水进行漂洗；
（2）将钢铁垫片、介质（Ф2～3）、水、装入通用机械镀设备的镀筒内，向镀筒内添加400ml磷酸调整镀液的pH值为3，然后添加807.5g紫铜粉，随后向镀筒内添加465ml沉积促进剂水溶液，转动镀筒8分钟；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转1～2分钟，随着镀筒的旋转将工件镀层表面清洗干净，然后卸料、工件分离，钢铁制件表面获得一层铜或铜合金层。
本实施例所述沉积促进剂水溶液的成分及其质量百分比为硅藻土0.5%，葡萄糖酸钠2%，三乙醇胺0.8%，亚锡盐35%，磷酸二氢铵3%，聚乙二醇2%和余量水。
垫片表面获得色泽均匀的紫铜层，横断面金相法发现镀层厚度9.2微米，且镀层厚度均匀。
实施例2
本实施例所述机械镀铜及铜合金工艺，待镀工件为Ф16厚度2mm的钢铁平垫片100kg，被镀表面积14㎡，欲镀镀层厚度10微米，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢铁平垫片依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢铁制件；本实施例采用采用氧化法去除钢铁平垫片表面的各类油脂类污物，采用盐酸酸洗法去除垫片表面的锈蚀产物，采用流动水进行漂洗；
（2）将钢铁制件、介质（Ф2～3）、水、装入通用机械镀设备的镀筒内，添加450ml柠檬酸调整镀液的pH值为5，然后添加1190g黄铜粉，随后向镀筒内添加300ml沉积促进剂水溶液，转动镀筒5分钟；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转2～3分钟，随着镀筒的旋转将工件镀层表面清洗干净，然后卸料、工件分离，钢铁平垫片表面获得一层铜或铜合金层。
本实施例所述沉积促进剂水溶液的成分及其质量百分比为硅藻土0.8%，葡萄糖酸钠1%，三乙醇胺1%，亚锡盐38%，磷酸二氢铵2%，聚乙二醇1.4%和余量水。
垫片表面获得色泽均匀的黄铜层，横断面金相法发现镀层厚度9.5微米，且镀层厚度均匀。
实施例3
本实施例所述机械镀铜及铜合金工艺，待镀工件为Ф2.5mm长度为50mm的钢钉100kg，被镀表面积22.5㎡，欲镀镀层厚度20微米，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢钉依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢钉；本实施例采用采用超声波清洗去除钢钉表面的各类油脂类污物，采用盐酸酸洗法去除垫片表面的锈蚀产物，采用流动水进行漂洗；
（2）将钢钉、介质（Ф0.5～1）、水、装入通用机械镀设备的镀筒内，添加600ml磷酸调整镀液的pH值为1，然后添加1912.5g紫铜粉，随后添加400ml沉积促进剂水溶液，转动镀筒6分钟，再次添加紫铜粉+沉积促进剂转动镀筒6分钟；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转2～3分钟，随着镀筒的旋转将工件镀层表面清洗干净，然后卸料、钢钉分离，钢钉表面获得一层铜或铜合金层。
本实施例所述沉积促进剂水溶液的成分及其质量百分比为硅藻土0.9%，葡萄糖酸钠1.2%，三乙醇胺0.5%，亚锡盐42%，磷酸二氢铵1%，聚乙二醇2.4%和余量水。
钢钉表面获得色泽均匀的紫铜层，横断面金相法发现镀层厚度19微米，且镀层厚度均匀。
实施例4
本实施例所述机械镀铜及铜合金工艺，Ф16厚度2mm的钢铁平垫片100kg，被镀表面积14㎡，欲镀镀层厚度30微米，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢铁平垫片依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢铁平垫片；本实施例采用采用氧化法去除垫片表面的各类油脂类污物，采用盐酸酸洗法去除垫片表面的锈蚀产物，采用流动水进行漂洗；
（2）将钢铁平垫片、介质（Ф3～4）、水、装入通用机械镀设备的镀筒内，添加700g柠檬酸调整镀液的pH值为1，然后添加1190g黄铜粉，随后添加350ml沉积促进剂水溶液，转动镀筒6分钟；
（3）根据所要求的镀层厚度3次循环添加铜粉或铜合金粉和沉积促进剂，循环加料的时间间隔为6分钟；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转1～2分钟，随着镀筒的旋转将工件镀层表面清洗干净，然后卸料、工件分离，钢铁平垫片表面获得一层铜或铜合金层。
本实施例所述沉积促进剂水溶液的成分及其质量百分比为硅藻土1%，葡萄糖酸钠1.6%，三乙醇胺0.6%，亚锡盐45%，磷酸二氢铵1.5%，聚乙二醇3%和余量水。
垫片表面获得色泽均匀的黄铜层，横断面金相法发现镀层厚度28微米，且镀层厚度均匀。
Claims (4)
1.一种机械镀铜及铜合金工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）前处理：钢铁制件依次经过除油、漂洗、除锈、漂洗后得到表面洁净的钢铁制件；
（2）将钢铁制件、介质、水装入通用机械镀设备的镀筒内，添加磷酸或柠檬酸调整镀液的pH值为1～5，然后添加铜粉或铜合金粉，随后添加促进剂，转动镀筒5～8分钟；
（3）根据所要求的镀层厚度多次循环添加铜粉或铜合金粉和沉积促进剂，循环加料的时间间隔为5～8分钟；
（4）向机械镀设备的镀筒中添加水，镀筒继续旋转1～2分钟，然后卸料、工件分离，钢铁制件表面获得一层铜或铜合金层。
2.根据权利要求1所述的机械镀铜及铜合金工艺，其特征在于：所述沉积促进剂水溶液的成分及其质量百分比为硅藻土0.5%～1%、葡萄糖酸钠1%～2%、三乙醇胺0.5%～1%、亚锡盐35%～45%、磷酸二氢铵1%～3%、聚乙二醇1%～3%和余量水。
3.根据权利要求1所述的机械镀铜及铜合金工艺，其特征在于：施镀时铜粉或铜合金粉的总添加量M=8.5×d×S，其中，M单位为克；d为镀层欲镀厚度，单位：微米；S为待镀工件表面积，单位：平方米；铜粉或铜合金粉每次添加量m=M／（d／10）。
4.根据权利要求1所述的机械镀铜及铜合金工艺，其特征在于：施镀时沉积促进剂的加入量为铜或铜合金粉加入量的1/3～1/2。
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