CN105239122B - 一种碳钢螺栓电镀预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳钢螺栓电镀前处理工艺，包括以下步骤：（1）电解除油：将碳钢螺栓放入电解液中，电解除油，（2）螺栓酸洗：酸洗去除螺栓基体表面的氧化物；（3）超声清洗：在低分子醇中超声清洗，晾干/烘干；（4）离子液体阳极活化：活化液是路易斯酸性的溶液，使用三氯化铝和有机盐配制而成，优选使用三氯化铝和二取代氯化咪唑，按照摩尔比1~2：1进行配制；活化参数如下：碳钢螺栓工件为阳极，铝板作为阴极，活化液温度15‑80℃，活化电流密度2‑10mA/cm2，活化时间2‑8min。本发明方法工艺简单、操作方便、能耗小，对环境无污染，可以去除碳钢螺栓表面钝化膜以获得清洁无氧化层的表面，有利于获得结合力优异的耐腐蚀性镀层，具有广阔的应用前景。

Description

一种碳钢螺栓电镀预处理方法

技术领域

本发明涉及一种电镀工作预处理方法，尤其涉及一种待电镀的碳钢螺栓表面的预处理方法及其应用，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

螺栓被广泛应用建筑、家电、汽车、石油化工领域中，尤其是碳钢螺栓以其成本低，强度高，综合力学性能好的特点使用尤为广泛。目前对于碳钢的防腐处理常见的方法是表面镀锌处理，然而，在某些极端恶劣的条件下，如海洋环境，碳钢螺栓表面容易发生电化学反应，出现生锈腐蚀。生锈的碳钢螺栓结构强度速度降低，直接影响设备的安全性可靠性。而且，在定期维护过程中锈蚀的碳钢由于棱角结构强度下降，十分容易打滑，有时候不得不采用暴力破坏的方法进行拆卸，增加了生产维护过程中的劳动强度和工程成本。因此对传统螺栓进行表面处理，提高其防腐蚀性能十分必要。

目前，应用最为广泛的表面处理方法是镀覆防腐，通过电化学反应在螺栓表面沉积形成耐腐蚀层，提高螺栓的整体耐腐蚀性能。但是螺栓工件自身材质通常具有易氧化的特性，在储存过程中其表面容易发生氧化反应形成氧化膜，且该氧化膜层很难彻底去除。即使通过物理打磨处理清除了其表面的氧化层，当结束打磨后，在空气中氧气和水分作用下极易再氧化，使得螺栓表面形成再氧化层。若在未彻底去除氧化层的条件下进行镀覆，得到的镀层与基体结合牢固极差，特别是夹杂有基体氧化层的部分在实际使用过程中会迅速出现镀层剥落，不能满足螺栓在一些特殊场合的实际使用要求。

因此，在对螺栓进行电镀之前，需进行预处理工艺，以除去螺栓表面的氧化层，提高电镀沉积层的附着力。现有常规的预处理工艺有：除油浸渍、预镀铜、闪镀镍等。但这些工艺预处理的螺栓工件在电镀后均无法满足附着力的要求，特别是碳钢材质本身的化学特性使得化学预处理过程中螺栓表面缝隙中的氧化层不易剥离，为进一步提高镀层与螺栓基体的结合力，寻求新的预处理方法显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中碳钢螺栓电镀前处理中，表面氧化层在螺栓细小的缝隙结构中难以有效清除，使得电镀层附着力强度不佳的不足，提供一种碳钢螺栓电镀预处理工艺，对碳钢螺栓工件表面进行预处理，提高其后续电镀的表面质量与结合力。

为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种碳钢螺栓电镀前处理工艺，包括以下步骤：

（1）电解除油：将碳钢螺栓放入电解液中，电解除油，对螺栓基体进行脱脂除油。

（2）螺栓酸洗：将电解除油后的碳钢螺栓放入酸洗液中，酸洗去除螺栓基体表面的氧化物。

（3）超声清洗：将经过步骤2处理的碳钢螺栓放入低分子醇中，超声清洗，晾干/烘干。

（4）离子液体阳极活化：活化液是路易斯酸性的溶液，使用三氯化铝和有机盐配制而成，优选使用三氯化铝和二取代氯化咪唑，按照摩尔比1~2：1进行配制。活化参数如下：碳钢螺栓工件为阳极，铝板作为阴极，活化液温度15-80℃，优选的，温度为20-60℃。活化电流密度2-10mA/cm2，活化时间2-8min。优选的，活化过程中，对活化液进行搅拌。优选搅拌速率为100~400r/min。活化过程中，对溶液进行搅拌可以促进工件表面的离子液的扰动，促进氧化层的成分在阳极活化过程中褪脱。最好是100~200r/min的转速进行搅拌，效果更佳。

本发明的表面前处理方法是首先将螺栓基体进行一步电解除油和常规酸洗，然后路易斯酸性的活化液中进行阳极氧化处理，使碳钢螺栓工作的表面氧化层发生电化学褪镀，获得表面清洁、无氧化层的螺栓基体。选用路易斯酸性的活化液可以很好的分散电化学反应中溶解的碳钢氧化层成分，因为路易斯酸溶液具有接收电子对的空轨道，具有一定的腐蚀性，当碳钢在活化液中发生电化学反应的时候，可以很好的促进碳钢表面的氧化层溶解分散离析出来。对于螺栓细小的缝隙结构中的氧化层也能够充分促进电化学分解去除作用。经本发明方法处理的碳钢螺栓表面清洁无杂质，碳钢螺栓基体与镀层之间具有良好的结合力，镀层不易脱落。

优选的，所述的二取代氯化咪唑，可以举例如：1-甲基-3乙基氯化咪唑、氯化1-辛基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基氯化咪唑等。

进一步，步骤（1）所述的螺栓电解除油过程中，采用碱性除油液作为电解液。处理步骤是以螺栓工件为阴极，放入温度在50-90℃的电解液中，施加电流密度2-10mA/cm²，电解除油20s-2min（20秒~2分钟）。电解除油又称为电化学除油，在碱性溶液中，利用直流电作用将零件表面油污除去。除油过程中包含了皂化作用、乳化作用和电化学作用，电流使电极极化降低油与溶液的界面张力，同时电流使得电极金属表面产生微小气泡，气泡促进油脂的分离，使得螺栓表面的油脂快速剥离分散到溶液中。优选的，电解液采用包含以下成分构成的电解液：氢氧化钠 20-60g/L，碳酸钠 20-40g/L，磷酸三钠 5-15 g/L。以上成分的电解液具有缓冲溶液的效果，能够在电解除油过程中保持溶解的pH稳定性，更有利用油脂的溶解。

进一步，步骤（2）所述的螺栓酸洗过程中，酸洗液为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的一种或一种以上的混合液，酸洗时间20s-2min。经过电解除油处理后，工件表面的油脂被有效的除去，位于油脂之下的锈蚀层被暴露出来，使用酸洗液可以快速的溶解工件表面的锈蚀层，将蓬松的金属氧化物溶解除去，酸洗充分利用了工件表面金属氧化物易溶于酸的特性，根据不同的锈蚀成分及锈蚀程度可以采取相应的稀酸溶液进行处理。优选的，酸洗液中无机酸成分的质量浓度为5-10%。酸洗液中酸的浓度不宜过大，酸浓度太高了容易对工件表面造成过多的腐蚀作用，使得工件整体结构强度等发生变化，反而不利于达到酸洗的主要目的。优选的，酸洗液的pH=1~4。

进一步，步骤（3）中所述低分子醇是甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或其任意比例的混合物。超声清洗过程中主要是利用超声波在液体中空化作用、加速作用及直进流作用对工件表面进行清洗，结合之前的电解除油和酸洗处理过程中分散、软化、剥离作用，超声波使得残余的少量污垢从工件表面完全脱落，采用低分子醇溶液可以很好的分散这些污垢，同时低分子醇具有良好的除水能力排氧能力，能够保持工件处于无水无氧的环境中，避免工件在处理过程中的再次氧化。

进一步，步骤（3）所述的螺栓超声清洗过程中，使用酒精作为清洗的液体，优选为99%酒精，超声清洗时间为5-15min。优选的，超声波的频率为20-30kHz，功率为80-200W。超声过程中控制好超声功率既能够有效有清除污垢，又能够减少不必要的能量消耗。

进一步优选的，步骤（4）阳极与阴极的极间距1-3cm。将极间距控制在1~3厘米之间可以在较小的电解槽中实现阳极活化处理，同时，极间距控制在此范围内，电极之间可形成多极放电，提升阳极活化的均匀性和效率。

进一步优选的，步骤（4）所述铝板的纯度大于95%，最好是大于99.9wt%。使用高纯度的铝板作为电极具有导电性好，对离子液无污染、影响小的特点。

进一步，步骤（4）在惰性气体保护下进行。特别是在氩气保护下进行。阳极活化后的碳钢螺栓表面氧化层被完全除去，其表面的元素具有极高的活性，非常容易被氧化，在氩气的保护下能够保证预处理的效果。

本发明涉及碳钢螺栓预处理方法可以适用于各种形状的碳钢螺栓，还可以应用于其它各种碳钢工件的表面电镀的预处理过程，对于类似的以铁为主要成分的合成钢材也具有良好的预处理效果，特别是对于具有异形结构及难以清洁的细小缝隙结构的工作。本发明所述的碳钢也叫碳素钢，指含炭量Wc小于2.11%的铁碳合金，可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

本发明提供的螺栓电镀预处理方法，工艺简单，操作方便，对环境无污染，基体与镀层结合力高、工件表面平整美观，成本低廉，经济效益高。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1. 本发明通过电解除油、酸洗处理和超声清洗步骤使螺栓表面附着的油脂、铁锈等成分按归其附着的层次快速的溶解分散开来，然后在路易斯酸性的活化液中进行阳极氧化处理，使碳钢螺栓工作的表面氧化层发生电化学褪镀，获得表面清洁、无氧化层的螺栓基体。

2. 本发明使用的路易斯酸性活化液很好的分散溶解了碳钢氧化层成分，对于螺栓细小的缝隙结构中的氧化层也能够充分促进电化学分解去除作用，处理后的碳钢螺栓表面清洁无杂质，碳钢螺栓基体与镀层之间具有良好的结合力，镀层不易脱落。

3. 本发明控制阳极活化过程中离子液体的电流密度、活化时间充分的完成工件表面的处理作用，在工件表面氧化层完全溶解的基础上，避免阳极活化过度，充分保证工件既满足后续电镀处理的要求，又不会出现结构强度，组织形貌的过度劣化。

4. 本发明的初步处理除油过程中同时包含了皂化作用、乳化作用和电化学作用，电极化界面张力配合电化学反应产生的微小气泡，快速实现油脂的分离溶解，使得螺栓表面清洁无油脂。

附图说明：

图1实施例1中电镀后Al镀层的宏观形貌图。

图2实施例1中电镀后Al镀层的SEM形貌图。

图3实施例1中电镀Al镀层后断口的SEM形貌图。

图4实施例2中电镀后Al镀层的宏观形貌图。

图5实施例2中电镀后Al镀层的SEM形貌图。

图6对比例1中电镀后Al镀层的宏观形貌图。

图7对比例2中电镀后Al镀层的宏观形貌图。

具体实施方式

阳极活化是将待处理的工件放在阳极上通过电化学反应脱去工件表面部分金属离子，实现工件表面的纯净化，以利于工件的后续处理应用。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

取待处理的碳钢螺栓放入电解液中，通电电解，对碳钢螺栓基体进行脱脂除油。然后，将除油后的碳钢螺栓放入稀盐酸中，酸洗去除螺栓基体表面的氧化物。酸洗处理好以后，放入乙醇中，超声清洗，烘干。采用摩尔比为1.5：1的三氧化铝和二取代氯化咪唑的配制的路易斯酸性溶液作为活化液，将碳钢螺栓工件作为阳极，铝板作为阴极，在65℃下，以7mA/cm²电流密度进行活化，活化时间6min。

进一步，活化过程中，对活化液进行搅拌，促进工件表面的离子液的扰动，使氧化层在阳极活化过程中完全褪去，搅拌速率为100r/min。

实施例2

取待处理的碳钢螺栓放入电解液中，电解液：氢氧化钠 40g/L，碳酸钠 30g/L，磷酸三钠 15g/L。，加热至60℃，通电电解1分钟，电流密度5 mA/cm²，脱脂除油。然后，将除油后的碳钢螺栓放入稀硝酸中，浸泡酸洗30秒，除去表面的氧化物。酸洗处理好以后，放入丙醇中，将超声仪器设置为100W，超声清洗15min，烘干。采用摩尔比为2：1的三氧化铝和二取代氯化咪唑的离子液作为活化液，将碳钢螺栓工件作为阳极，Al板作为阴极，在25℃下，以2mA/cm²电流密度进行活化，活化时间8min。

实施例3

该实施例用于说明本发明提供的碳钢螺栓电镀预处理方法。

实验材料为Q235碳钢螺栓，具体操作步骤如下：

（1）一步除油

除油液配方为：氢氧化钠 30g/L，碳酸钠 30g/L，磷酸三钠 5 g/L和余量的去离子水。除去离子水外，将其它各组分按配方比例分别溶于去离子水中，混合制得水溶液，装入槽中待用。将Q235碳钢螺栓工件为阴极，304不锈钢板为阳极，放入温度60℃的电解液中，施加电流密度5mA/cm2，电解除油1min。

（2）酸洗

酸洗液配方：5%的稀盐酸。将上述经电解除油的Q235碳钢螺栓工件浸入酸洗溶液中清洗10min。

（3）超声清洗

将上述经酸洗的Q235碳钢螺栓工件浸入99%的无水酒精中，超声清洗10min，超声波的频率为20kHz，功率为100W，超声清洗时间为10min，冷风烘干。

（4）离子液体活化

将上述经超声清洗的Q235碳钢螺栓浸入活化液中进行阳极活化处理，以Q235碳钢螺栓工件为阳极，Al板（纯度99.9wt%）为阴极；所述活化液由以下方法制备得到：将无水氯化铝少量多次加入到二取代氯化咪唑（1-乙基-3-甲基氯化咪唑）中，室温下形成二取代氯化咪唑-氯化铝型离子液体，所述二取代氯化咪唑和AlCl3的摩尔比为1：2，离子液体呈路易斯酸性；所施加的活化电流密度2mA/cm2，活化时间8min，阳极与阴极的极间距2cm；活化过程中还需要对活化液进行搅拌，搅拌速率为400r/min。

阳极活化处理结束后将Q235碳钢螺栓在活化液中漂洗3次；最后用脱脂棉擦拭至基体表面露出金属光泽。

上述步骤（4）均在氩气保护的手套箱中进行。

为了测试本实施例所述表面前处理方法对碳钢螺栓的处理效果，采用以下方法在经表面前处理后的碳钢螺栓基体表面制备Al镀层：在氩气保护的手套箱中，将经表面前处理后的碳钢螺栓浸入镀液中进行恒电流电沉积处理：采用两电极体系，以经表面前处理的碳钢螺栓为阴极（工作电极），以纯度为99.9wt%的金属Al片为阳极（对电极），工作电极和对电极之间的距离为2cm；工作电极和对电极浸入镀液的深度为4cm；镀液的温度为25℃，施加于工作电极的电流密度为10mA/cm2；电沉积时间为60min；电沉积过程中对镀液进行搅拌，搅拌速率为300r/min。所述镀液的制备方法如下：将无水氯化铝少量多次加入到二取代氯化咪唑（1-甲基-3乙基氯化咪唑）中，室温下形成二取代氯化咪唑-氯化铝型离子液体，所述二取代氯化咪唑和AlCl3的摩尔比为1：2。

在经上述前处理后的Q235碳钢螺栓表面电沉积铝镀层，宏观上可看见碳钢螺栓表面覆盖一层Al镀层如图1，镀层均匀、致密、无空洞。采用扫描电子显微镜（SEM）观察Q235碳钢螺栓表面Al镀层的表面形貌，如图2所示。由图2可知，微观上镀层整体平整致密，颗粒大小均匀，各颗粒棱边分明，有明显的晶体状生长特点。

图3为Q235碳钢螺栓表面铝镀层试样的断口SEM形貌照片。由图可见：镀层内无孔洞等缺陷，厚度均匀，断口处镀层无翘皮现象，与基体结合紧密，未观察到任何缝隙的存在，说明结合优良。

实施例4

该实施例用于说明本发明提供的碳钢螺栓电镀预处理方法。

实验材料为45#钢螺栓，具体操作步骤如下：

（1）一步除油

除油液配方为：氢氧化钠60g/L，碳酸钠 30g/L，磷酸三钠10 g/L和余量的去离子水。除去离子水外，将其它各组分按配方比例分别溶于去离子水中，混合制得水溶液，装入槽中待用。将45#钢螺栓工件为阴极，304不锈钢板为阳极，放入温度80℃的电解液中，施加电流密度10mA/cm2，电解除油40s。

（2）酸洗

酸洗液配方：10%的稀盐酸。将上述经电解除油的45#钢螺栓工件浸入酸洗溶液中清洗10min。

（3）超声清洗

将上述经酸洗的45#钢螺栓工件浸入99%的无水酒精中，超声清洗10min，超声波的频率为20kHz，功率为100W，超声清洗时间为15min，冷风烘干。

（4）离子液体活化

将上述经超声清洗的45#钢螺栓浸入活化液中进行阳极活化处理，以45#钢螺栓工件为阳极，Al板（纯度99.9wt%）为阴极；所述活化液由以下方法制备得到：将无水氯化铝少量多次加入到二取代氯化咪唑（1-乙基-3-甲基氯化咪唑）中，室温下形成二取代氯化咪唑-氯化铝型离子液体，所述二取代氯化咪唑和AlCl3的摩尔比为1：1.5，离子液体呈路易斯酸性；所施加的活化电流密度5mA/cm2，活化时间4min，阳极与阴极的极间距3cm；活化过程中还需要对活化液进行搅拌，搅拌速率为300r/min。

阳极活化处理结束后将45#钢螺栓在活化液中漂洗3次；最后用脱脂棉擦拭至基体表面露出金属光泽。

上述步骤（4）均在氩气保护的手套箱中进行。

采用实施例3所述的方法在经表面前处理后的螺栓电镀Al层。宏观上可看见螺栓表面覆盖一层Al镀层如图4，镀层均匀、致密、无空洞。采用扫描电子显微镜（SEM）观察45#钢螺栓表面Al镀层的表面形貌，如图5所示，微观上看镀层平整致密，颗粒均匀，各颗粒棱边分明，有明显的晶体状生长特点。

对比例1

在本对比例45#钢螺栓的表面前处理方法中，离子液体配比为AlCl₃:EMIC=0.8:1，即离子液体呈路易斯碱性其余方法均同实施例4。

经试验观察，阳极活化处理后45#钢螺栓表面出现黑色的膜且无法溶于离子液体中。

采用实施例3所述的方法在经本对比例表面前处理后的螺栓表面电镀Al镀层。

镀后试样在丙酮中清洗，宏观上螺栓表面覆盖一层Al镀层，但是螺纹中残留有黑色的物质，如图6，表明得到的镀层与基体之间结合力较差。图7为镀后试样的SEM图，试样表面存在无镀层区域。

根据本对比例可知，当表面前处理方法中离子液体配比AlCl3:EMIC<0.8:1，即离子液体呈路易斯碱性时，碳钢表面出现黑色不溶物质，前处理效果差，无法在碳钢表面获得结合力良好的镀层。

对比例2

在本对比例45#钢螺栓的表面前处理方法中，采用传统碱液电解和酸洗的方法对45#钢螺栓进行表面前处理，即实施例3中所述步骤（1）（2）（3）。

随后采用实施例3所述的方法在经本对比例表面前处理后的45#钢螺栓表面电镀Al镀层。

镀后试样在丙酮中清洗，观察到螺栓头部尾部镀层脱落如图7，表明得到的镀层与基体之间结合力很差。

根据本对比例可知，采用传统脱脂酸洗前处理方法，效果差，无法在螺栓基体表面获得结合力良好的镀层。

Claims (4)

1.一种碳钢螺栓电镀前处理工艺，包括以下步骤：

（1）电解除油：将碳钢螺栓放入电解液中，电解除油，对螺栓基体进行脱脂除油；

所述螺栓电解除油过程中，采用碱性除油液作为电解液；

电解液采用包含以下成分构成的电解液：氢氧化钠 20-60g/L，碳酸钠 20-40g/L，磷酸三钠 5-15 g/L；

处理步骤是以螺栓工件为阴极，放入温度在50-90℃的电解液中，施加电流密度2-10mA/cm²，电解除油20s-2min；

（2）螺栓酸洗：将电解除油后的碳钢螺栓放入酸洗液中，酸洗去除螺栓基体表面的氧化物；

（3）超声清洗：将经过步骤2处理的碳钢螺栓放入低分子醇中，超声清洗5-15min，超声波的频率为20-30kHz，功率为80-200W，晾干/烘干；

所述低分子醇是甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或其任意比例的混合物；

（4）离子液体阳极活化：活化液是路易斯酸性的溶液，使用三氯化铝和二取代氯化咪唑配制而成，按照摩尔比1~2：1进行配制；活化参数如下：碳钢螺栓工件为阳极，铝板作为阴极，活化液温度15-80℃，活化电流密度2-10mA/cm²，活化时间2-8min；

所述的二取代氯化咪唑是以下中的一种或几种：1-甲基-3乙基氯化咪唑、氯化1-辛基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基氯化咪唑；

阳极与阴极的极间距1-3cm。

2.根据权利要求1所述碳钢螺栓电镀前处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述的螺栓酸洗过程中，酸洗液为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的一种或一种以上的混合液，酸洗时间20s-2min。

3.根据权利要求1所述碳钢螺栓电镀前处理工艺，其特征在于，步骤（3）所述的螺栓超声清洗过程中，使用酒精作为清洗的液体。

4.根据权利要求1所述碳钢螺栓电镀前处理工艺，其特征在于，步骤（4）所述铝板的纯度大于95%。