CN109423632B - 将结构坚硬的、耐磨的金属涂层沉积在衬底上 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将结构坚硬的、耐磨的金属涂层沉积在衬底上。涂覆衬底的实例方法涉及清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。该方法还涉及在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。此外，该方法涉及随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。更进一步，该方法涉及在中和衬底后，在衬底上沉积化学镀镍层。该方法然后可涉及在化学镀镍层上面沉积电解镍层，和在电解镍层上面沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层。

Description

将结构坚硬的、耐磨的金属涂层沉积在衬底上
技术领域
本公开内容一般地涉及将金属粘合至衬底，和更具体地涉及制备可接受将金属粘合至其的衬底的方法和涂覆衬底的方法。
背景技术
将金属粘合至非导电衬底比如塑料衬底上是有利的，因为所得结构结合了金属的性质与塑料衬底的性质。然而不幸地，金属通常不会很好的粘合到塑料。由于该原因，有时使用紧固件来将金属和塑料部件保持在一起。使用紧固件将金属和塑料部件保持在一起具有若干限制，包括但不限于由部件之间的间隙引起的分离、来自紧固件的额外重量、定期紧固检查和管理紧固件库存。
而且，因为塑料是电绝缘体，难以将金属电镀到塑料部件上。将金属电镀到塑料部件上的一种技术是首先将一层铜电镀到塑料部件上，并且然后在铜层上面施加期望的整饰金属。但是铜需要时间来电镀，可引起变色，并且具有其它非期望的特性。
对于制备可接受将金属粘合至其的衬底的方法，存在需要。还对于电镀具有足够密度的一层金属以形成待粘合第二种金属的衬底的方法，存在需要。
发明内容
在一个实例中，描述了涂覆衬底的方法。该方法包括清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。该方法还包括在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。此外，该方法包括随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。更进一步，该方法包括在中和衬底后，在衬底上沉积化学镀镍层。
在另一个实例中，描述了涂覆衬底的方法。该方法包括清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。此外，该方法包括在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。更进一步，该方法包括随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。更进一步，该方法包括，在中和衬底后，在衬底上沉积化学镀镍层，在化学镀镍层上面沉积电解镍层，以及在电解镍层上面沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层。
在仍另一实例中，描述了制备用于涂覆的衬底的方法。该方法包括清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。该方法还包括在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。此外，该方法包括随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。
已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实例中独立地实现，或者可以在又其它实例中组合实现，参考以下说明书和附图可见其进一步细节。
附图说明
在所附权利要求书中阐释了被认为是示意性实例的特征的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开内容的示意性实例的以下详细描述，将最好的理解示意性实例，以及优选的使用模式、其进一步目标和描述，其中：
图1显示了根据实例的实例方法的流程图。
图2显示了根据实例与图1中显示的方法结合使用的另一实例方法的流程图。
图3显示了根据实例与图1中显示的方法结合使用的另一实例方法的流程图。
图4显示了根据实例的另一实例方法的流程图。
图5图解了根据实例的用于电解镀镍的实例系统。
图6显示了根据实例的衬底上的实例涂层的横截面图。
图7显示了根据实例的图6中显示的实例涂层的俯视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述公开的实例，其中显示了公开的实例中的一些，但不是全部。事实上，可以提供若干不同的实例，并且不应被解释为限于本文阐释的实例。而是，提供这些实例使得本公开内容将是周密的和完整的，并且将本公开内容的范围充分地传达给本领域技术人员。
本文描述了制备可接受将金属粘合至其的衬底的方法和用于涂覆衬底的方法。例如，本文描述了用镍层涂覆非导电衬底的方法，从而接着可以将外层施加至镍层。外层可以是金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其组合的外层。
制备用于涂覆的衬底的实例方法涉及清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用敏化溶液使衬底敏化。在一些情况下，衬底可以是非导电衬底，比如纤维增强塑料或工程塑料。工程塑料是具有比商品塑料更好的机械和/或热性质的一组塑料材料。工程塑料可以在期望抗冲击性、耐磨性、耐热性、自润滑性和/或其它性质的应用中被用作衬底。还可以使用其它类型的非导电衬底。实例敏化溶液可以包括氯化锡和盐酸。此外，在使衬底敏化后，该方法涉及使用活化溶液活化衬底并且然后使用中和溶液中和衬底。实例活化溶液可以包括氯化钯和盐酸。实例中和溶液可以包括氢氧化铵。
在已经制备用于涂覆的衬底之后，可以将涂层施加至衬底。例如，用于涂覆衬底的实例方法然后可以涉及在衬底上沉积化学镀镍层，和在化学镀镍层上面沉积电解镍层。此外，金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层可以沉积在电解镍层上面。外层的组成可以取决于所得结构的期望特征而变化。外层的一个实例是铬。其它实例外层包括铁磷合金、镍钴磷合金或钴磷合金。
有利地，本文提出的方法允许将镍层非常强力地锚固或附着至衬底，而不会不期望地冲击衬底，从而施加至镍层的外层可以经受强力的机械力，而不会剥离或揭掉(pulloff)。换句话说，将镍层非常强力地附着至衬底有利于使用后续工艺来形成坚硬的、耐腐蚀层，其与镍层并且继而与衬底具有良好的粘附性。此外，本文呈现的方法允许用结构金属层保护部件，该部件特征在于形状过于复杂而不能使得配接金属层贴合部件。
使用本文描述的方法涂覆的衬底可适用于各种应用，比如航空器的轻质结构板，航空器燃料罐，旋翼叶片，用于制造纤维增强塑料的工具作业表面，以及其它可能的应用。可得益于本文公开的涂覆方法的零件的其它实例包括航空航天零件和非航空航天零件，比如支架、法兰、衬套、密封件、配件、齿轮、喷嘴、滚珠螺母、滚珠螺杆、紧固件、壳体和弹簧。
在下文中参考附图描述这些方法的各种其它特征。
现在参考图1，图1显示了涂覆衬底的实例方法100的流程图。应该理解，对于本文公开的这种工艺和其它工艺，流程图显示了本实例的一种可能的实施的功能性和操作。可选的实施包括在本公开的实例的范围内，其中功能可以不按照显示或讨论的顺序执行，包括基本上同时或相反的顺序，这取决于涉及的功能性，如本领域技术人员合理地理解的。
在一些情况下，讨论中的衬底可以是非导电的。例如，衬底可以是任何类型的塑料材料。一种实例塑料材料是纤维增强塑料，比如碳或玻璃增强树脂。纤维增强塑料是使用纤维材料来机械地增强塑料的强度和硬度的一类复合塑料。因此，纤维增强塑料可以用作期望强度和硬度的应用中的衬底。另一实例塑料材料是工程塑料。工程塑料是具有比商品塑料更好的机械和/或热性质的一组塑料材料。工程塑料的一个实例是丙烯腈丁二烯苯乙烯。工程塑料的另一实例是聚碳酸酯。工程塑料可以在期望抗冲击力、耐磨性、耐热性、自润滑性和/或其它性质的应用中被用作衬底。
在方框102处，方法100包括清洁衬底。当涂覆衬底时，油脂、油、腐蚀产物、污垢、或其它碎屑的存在影响沉积材料与衬底的粘附。清洁衬底有助于去除可能存在于衬底上的油脂、油、污垢等。
清洁衬底可涉及手动地或使用自动砂光机打磨衬底。另外或可选地，清洁衬底可涉及在水中漂洗衬底，以及酸洗衬底。酸洗可以从衬底去除轻油脂、氧化物膜和/或无机膜。
作为具体实例，清洁衬底可涉及使用砂纸打磨衬底，在水中漂洗衬底1分钟，将衬底浸入第一酸性溶液中5分钟，在水中漂洗衬底1分钟，将衬底浸入第二酸性溶液中10分钟，并且然后再次在水中漂洗衬底。
第一酸性溶液可有利于酸清洁。例如，第一酸性溶液可以包括丙酮、对苯二酚和去离子水。第一酸性溶液的实例组成是1000ml丙酮、100ml对苯二酚和25ml邻苯二酚(cathecol)。
第二酸性溶液可以进行酸清洁。例如，第二酸性溶液可以是包括磷酸、重铬酸钾和去离子水的溶液。第二酸性溶液的实例组成是100ml磷酸、15g重铬酸钾和25ml去离子水。在一些实例中，第二酸性溶液可以被加热至高于室温，持续一段时间(例如，加热至60摄氏度，持续10分钟，或多于或少于10分钟)。
在方框104处，方法100包括使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。例如，衬底可以浸入敏化溶液中一段时间(例如，5分钟，或多于或少于5分钟)。使衬底敏化一段时间制备了待在随后活化过程期间活化的衬底。敏化溶液的实例组成是10g/l氯化锡和40ml/l盐酸。其它组成也是可能的，比如在5g/l至15g/l之间的氯化锡和在20ml/l至60ml/l之间的盐酸。
衬底还可以在敏化之后在水中漂洗。在水中漂洗衬底从衬底表面去除化学物质。
在方框106处，方法100包括在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。例如，衬底可以浸入活化溶液中，持续10分钟。活化衬底改进了衬底表面的化学，并且继而增加了随后施加的层与衬底的粘附性。活化溶液的实例组成是0.5g/l氯化钯和10ml/l盐酸。其它组成也是可能的，比如在0.25g/l至1.5g/l之间的氯化钯和在5ml/l至30ml/l之间的盐酸。在一些实例中，活化溶液可以被加热至高于室温，持续一段时间(例如，加热至90摄氏度，持续10分钟，或多于或少于10分钟)。
衬底还可以在活化之后在水中漂洗。在水中漂洗衬底从衬底表面去除化学物质。
在方框108处，方法100包括使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。例如，衬底可以浸入中和溶液中30秒。中和衬底防止发生任何进一步活化。中和溶液的实例组成是500cc/l的氢氧化铵和1升的去离子水。
衬底还可以在中和之后在水中漂洗。在水中漂洗衬底从衬底表面去除化学物质。
在方框110处，方法100包括在衬底上沉积化学镀镍层。在衬底上沉积化学镀镍层可涉及将衬底浸入镍浴中许多分钟。该时间段可以取决于期望的厚度变化。化学镀镍层可以包括镍磷合金或镍硼合金。
与电解镍相比，化学镀镍具有更均匀的厚度、更高的硬度、优异的耐腐蚀性和更高的润滑性。因此，沉积化学镀镍层对于期望这种性质的应用是有利的。此外，如上所阐释，清洁、敏化、活化和中和衬底促进将化学镀镍层强力地锚固至衬底，而不损坏衬底。
在一个实例中，可以进行方法100的方框的一部分以便准备用于涂覆的衬底。例如，可以进行方框102、104、106和108处的功能，而不进行方框110的功能。以此方式，可以准备衬底用于在第一时间段的涂覆，并且然后随后储存用于在稍后时间的涂覆。因此准备衬底的实例方法可以涉及清洁衬底，并且在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。此外，该方法可涉及在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底。更进一步，该方法可涉及随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。
图2显示了根据实例与图1中显示的方法100结合使用的另一实例方法的流程图。在方框111处，功能可以包括使用砂纸打磨衬底111。在方框112处，功能包括将衬底浸入包括丙酮、对苯二酚和邻苯二酚的第一酸性溶液中。在方框114处，功能包括在水中漂洗衬底。并且在方框116处，功能包括将衬底浸入包括磷酸和重铬酸钾的第二酸性溶液中。在方框111、112、114和116处的功能可以在例如图1的方框102处发生(即，作为清洁衬底的一部分)。
与上述讨论一致，第一酸性溶液的实例组成是1000ml丙酮、100ml对苯二酚和25ml邻苯二酚。此外，第二酸性溶液的实例组成是100ml磷酸、15g重铬酸钾和25ml去离子水。
图3显示了根据实例与图1中显示的方法100结合使用的另一实例方法的流程图。在方框118处，功能包括将金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其组合的外层沉积在衬底上。在方框118处的功能可以在例如图1的方框110处的功能之后发生(即在衬底上沉积化学镀镍层之后)。
外层可以通过使用电镀或任何适合的涂覆工艺被沉积。选择用于外层的材料可以取决于所得结构的期望特征而变化。
例如，在一个实例中，外层可以是铁磷合金，其具有通过电镀产生的1-6wt％(或另一重量％)的磷。外层随后可以电沉积几微米厚的锡面漆(topcoat)。外层和面漆一起可以产生具有低摩擦力、高硬度、优异的耐粘着磨损性和保持润滑剂的良好能力的表面。
在另一个实例中，外层可以是化学镀镍层(例如，磷含量在5-12wt％范围或另一范围中的镍磷化合物)。该外层可以具有从500HV变化至1000HV的硬度。
在另一个实例中，外层可以是镍钴磷合金，其使用电镀施加并且掺入厚度从约0.3至约30mil(或其它厚度)和硬度为600-700HV(或其它硬度)的碳化硅颗粒。该外层在期望耐磨性和防腐蚀性的地方是特别合适的。
在仍另一实例中，外层可以是钴磷合金，其使用电镀施加并且具有从约0.3至约30mil的厚度和600-700HV的硬度。可以调整该外层以展现低摩擦和低磨损的组合。可选地，该外层可以包含碳化硅颗粒以便增加耐磨性。
在仍另一实例中，外层可以是使用镀铬施加的铬。铬涂层提供与上文提到的外层的其它材料相当的整体使用性能。然而，铬比外层的其它材料更不环保。
图4显示了根据实例涂覆衬底的另一实例方法400的流程图。与图1中的方法100相同，在方框402处，方法400包括清洁衬底，和在方框404处，方法400包括使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化。此外，与图1中的方法100相同，在方框406处，方法400包括在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底，在方框408处，方法400包括使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底，并且在方框410处，方法400包括在衬底上沉积化学镀镍层。上述关于图1中的方法100的实例同样适用于方法400的方框402、404、406、408和410处的对应功能。
与图1中的方法100不同，在方框412处，方法400包括在化学镀镍层上面沉积电解镍层。沉积电解镍层可涉及将电池组或其它电源连接至充当负极(阴极)的衬底和充当正极(阳极)的镍的固体源(例如，棒)，并且将衬底和固体源浸入电解质(例如，镍溶液)中。当电流穿过电解质时，正镍离子在电解质中形成。然后，正镍离子沉积在化学镀镍层上面。
电解镍比化学镀镍更具延展性，化学镀镍倾向于是脆性和玻璃状的。因此，在化学镀镍层上面添加电解镍层改善了衬底的强度和耐久性。此外，电解镍的沉积速率高于化学镀镍。因此，与仅沉积化学镀镍相比，首先沉积化学镀镍并且然后切换到沉积电解镍有助于镍在衬底上更快地沉积。
在方框414处，方法400包括在电解镍层上面沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其组合的外层。方框414处的功能与图3中的方法100的方框118处的功能相似。因此，上述关于图3中的方法100的方框118的实例同样适用于方法400的方框414处的功能。例如，金属材料的外层可以是铁磷合金、化学镀镍层、掺入碳化硅颗粒的镍钴磷合金、钴磷合金或铬。
当与现有方案相比时，使用方法400产生的涂层具有若干优势。例如，所得涂层展现孔隙率缺乏，赋予涂覆层高机械特性。此外，所得涂层展现弹性，允许涂层在施加的热或机械应力下伸展而不会断裂。所得涂层还展现与衬底几何形状完美贴合和抗紫外射线。
在实验中，使用方法400将实例150微米涂层施加到纤维增强塑料衬底，该实例涂层比使用电镀法施加的涂层和使用各种喷涂方法施加的三个涂层更好地粘附到纤维增强塑料衬底。此外，实例涂层的特征为最低的磨损率、最低的孔隙率、最高的显微硬度和最高的剪切强度。
在阅读本公开内容之后，本领域普通技术人员还将认识到，在图2中的方框111、112、114和116处的功能还可以与图4中的方法400结合使用。例如，在图2中的方框111、112、114和116处的功能可以在图4中的方框402处发生(即，作为清洁衬底的一部分)。
图5图解了根据实例的用于电解镀镍的实例系统500。如图5中显示，实例系统500包括阳极502、衬底504、电源506、容器508、电解质510和导电线512。阳极502包含待沉积的金属材料，比如镍。衬底504可以是具有化学镀镍层(例如，顶层)的非导电衬底。这样，衬底可以充当阴极。阳极502和衬底504均经由导电线512被电连接至电源506，其可以是电池组或其它电源。容器508被部分填充有电解质510，其可以是镍溶液。
在操作中，阳极502和衬底504均被浸入电解质510中，并使电流穿过电解质510，使得金属离子沉积在衬底504上。
图6显示了纤维增强塑料衬底602上的实例涂层的横截面图600。在纤维增强塑料衬底602上面显示了镍层604。此外，在镍层604上面显示了铬层606。
图7显示了根据实例的图6中显示的实例涂层的俯视图700。具体而言，图7显示了沉积的图6中的铬层606的第一部分702和已经被打磨以使得铬层平滑的图6中的铬层606的第二部分704。如通过顶部704的外观所证明的，铬层606的结合强度足以经受铬层606的打磨，而不会使铬层606从纤维增强衬底剥离。
此外，本公开内容包括根据下述条款的实例：
1.一种涂覆衬底的方法，该方法包括：清洁衬底；在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化；在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底；随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底；并且，在中和衬底后，在衬底上沉积化学镀镍层。
2.条款1的方法，其中衬底是非导电的。
3.条款2的方法，其中衬底包括纤维增强塑料。
4.条款2的方法，其中衬底包括工程塑料。
5.条款1-4中任一项的方法，其中敏化溶液包括在5g/1至15g/l之间的氯化锡和在20ml/l至60ml/l之间的盐酸。
6.条款1-5中任一项的方法，其中活化溶液包括在0.25g/l至1.5g/l之间的氯化钯和在5ml/l至15ml/l之间的盐酸。
7.条款1-6中任一项的方法，其中清洁衬底包括：使用砂纸打磨衬底；将衬底浸入包括丙酮、对苯二酚和邻苯二酚的第一酸性溶液中；在水中漂洗衬底；并且将衬底浸入包括磷酸和重铬酸钾的第二酸性溶液中。
8.条款1-7中任一项的方法，进一步包括在衬底上沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层。
9.条款8的方法，其中外层包括铁磷合金。
10.条款8的方法，其中外层包括镍钴磷合金。
11.条款8的方法，其中外层包括钴磷合金。
12.条款8的方法，其中外层包括铬。
13.一种涂覆衬底的方法，该方法包括：清洁衬底；在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化；在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底；随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底；在中和衬底后，在衬底上沉积化学镀镍层；在化学镀镍层上面沉积电解镍层；并且，在电解镍层上面沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层。
14.条款13的方法，其中衬底是非导电的。
15.条款14的方法，其中衬底包括纤维增强塑料。
16.条款14的方法，其中衬底包括工程塑料。
17.条款13-16中任一项的方法，其中敏化溶液包括在5g/1至15g/l之间的氯化锡和在20ml/l至60ml/l之间的盐酸。
18.条款13-17中任一项的方法，其中活化溶液包括在0.25g/l至1.5g/l之间的氯化钯和在5ml/l至30ml/l之间的盐酸。
19.一种制备用于涂覆的衬底的方法，该方法包括：清洁衬底；在清洁衬底后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使衬底敏化；在使衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化衬底；并且随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和衬底。
20.条款19的方法，其中敏化溶液包括在5g/1至15g/l之间的氯化锡和在20ml/l至60ml/l之间的盐酸，并且其中活化溶液包括在0.25g/l至1.5g/l之间的氯化钯和在5ml/l至30ml/l之间的盐酸。
已经出于说明和描述的目的呈现了不同的有利布置的描述，并且不旨在是穷尽性的或限于公开形式的实例。在审阅和理解前述公开内容以后，许多改进和变型对本领域技术人员将是显而易见的。此外，与其它实例相比，不同的实例可以提供不同优势。选择和描述所选择的一个实例或多个实例以便最好的解释原理、实际应用，并且使本领域技术人员能够理解具有各种改进的各种实例的公开内容，如适合于预期的特定用途的。

Claims (13)

1.一种涂覆衬底的方法，所述方法包括：
清洁所述衬底(102)，其中清洁所述衬底(102)包括：
打磨所述衬底(111)；
将所述衬底浸入包括丙酮、对苯二酚和邻苯二酚的第一酸性溶液中(112)；
在水中漂洗所述衬底(114)；和
将所述衬底浸入包括磷酸和重铬酸钾的第二酸性溶液中(116)；
在清洁所述衬底之后，使用包括氯化锡和盐酸的敏化溶液使所述衬底敏化(104)；
在使所述衬底敏化后，在包括氯化钯和盐酸的活化溶液中活化所述衬底(106)；和
随后使用包括氢氧化铵的中和溶液中和所述衬底(108)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是非导电的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述衬底包括纤维增强塑料。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述衬底包括工程塑料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述敏化溶液包括在5g/1至15g/l之间的氯化锡和在20ml/l至60ml/l之间的盐酸。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述活化溶液包括在0.25g/l至1.5g/l之间的氯化钯和在5ml/l至15ml/l之间的盐酸。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在中和所述衬底后，在所述衬底上沉积化学镀镍层(110)。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在所述化学镀镍层上面沉积电解镍层。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述衬底上沉积金属材料、陶瓷材料、聚合材料或其任何组合的外层(118)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述外层包括铁磷合金。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述外层包括镍钴磷合金。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述外层包括钴磷合金。
13.权利要求9所述的方法，其中所述外层包括铬。
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