CN111962113B - 一种钢带表面铅-锡合金镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢带表面铅‑锡合金镀层的制备方法:以奥氏体不锈钢冷轧钢带为基材,常规的碱液脱脂除油;常规水洗并烘干至表面无水分;在全氢保护气氛下退火;镀覆:电镀Cu‑Sn合金;双离子注入Pb及Sn;物理气相沉积In‑Cu合金;自然冷却。本发明钢带表面生成一层厚度9.2~12.8µm的Cu‑Sn/Pb‑Sn/In‑Cu复合镀层,硬度37~42HV,表面粗糙度0.016~0.026µm,孔隙率不超过2个/cm2;在30℃海水环境中连续放置3600d后,表面腐蚀面积不超过0.02%;在300℃高温下连续放置500d后,表面氧化面积不超过0.06%;在100 KHz超声波环境下连续放置10000h后,镀层厚度无明显变化,也无出现脱落和裂纹,且未发现重金属暴露现象。
Description
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域,具体地涉及一种钢带表面铅-锡合金镀层的制备方法。
背景技术
铅(Pb)是一种重要的低熔点重金属,可塑性好,易于成形。特别是在海洋或高温大气环境中,具有优异的耐蚀性能和抗氧化性能,镀在钢铁产品表面后形成防护性镀层,从而保护钢基不被腐蚀。
然而,现实中铅镀层的应用却受到极大限制,主要是因为:
第一,铅是有毒重金属元素,镀覆过程中,无论是它的蒸气、熔融液态金属还是可溶性盐,污染性强,对环境和人体的伤害极大。
第二,在钢件表面直接镀铅的过程中,在一定的温度和应力同时作用下,会发生“铅脆”现象,且电镀过程中还可能产生“氢脆”问题,容易导致钢件出现断裂,引发安全事故。
因此,目前工业界主要使用铅基合金镀层来代替单纯的铅镀层,究其原因,在于:
一是铅基合金镀层中的铅含量要低于纯铅,可以降低铅的用量,减少对环境的污染。
二是铅基合金镀层由于集中整合了各组分的优点,其使用性能一般要优于单纯的铅镀层。
业内现在使用最多的铅基合金主要是铅-锡合金,其具有较低的氢脆性和较高的耐蚀性能,可用作代铅层,因而大量应用于海洋和航空环境。
当前,铅-锡合金镀层的制备主要通过电镀或热浸镀工艺实现,两种工艺均存在明显不足:对于电镀工艺:一是能耗高,镀层厚度不易精确控制,原料浪费大。二是需要使用剧毒的可溶性铅盐及氟化物,这会对环境和人体产生极大毒害作用。三是电镀过程中,“氢脆”现象依然无法避免,且操作过程必须精确控制,而这额外增加了作业难度,延长了流程,降低了工作效率。对于热浸镀工艺:一是不仅能耗巨大,而且有毒的熔融液态铅在高温下容易气化蒸发,扩散性更强,对环境和人体的伤害更大,更加难以预防。二是熔融液态铅容易使钢带产生“铅脆”问题,使其发生脆断。三是所得镀层厚度不均,不易控制,原料浪费较大,生产成本高。
因此,目前工业上传统的电镀或热浸镀铅-锡工艺,其既不符合国家节能环保政策的要求,镀层性能也难以满足行业日益严苛的使用标准,属于落后工艺,已逐渐被淘汰或禁止。
尽管如此,因铅-锡合金镀层优异的耐蚀性能和抗氧化性能,在海洋、航空等特殊环境下仍有一定的用武之地。其关键问题在于两个方面:一是如何有效地形成铅-锡合金镀层,避免出现“铅脆”、“氢脆”现象;二是在镀覆过程中,如何显著降低铅的毒性以保护环境。
经检索:
中国专利公开号为CN1888144A的文献,其公开了《电镀铅锡层状合金膜的制造工艺》,其分别测定铅、锡的沉积电位,然后使用可控脉冲电镀电源电镀,每个脉冲间要留置一段时间的零电压脉冲,克服了现有双槽电镀法制造层状合金膜的复杂工序。设计了一种在同一槽中分别沉积铅和铅-锡合金从而形成铅锡层状合金膜的单槽电镀法,该工艺利用铅、锡不同的沉积电位,通过调节外加电压从而分别控制不同金属的沉积。其操作简便,并且能制造厚度小于100纳米的合金膜,更有利于工业推广。但该文献还存在以下不足:一是能耗高,镀层厚度不易精确控制,原料浪费大。二是需要使用剧毒的氟硼酸铅和氟硼酸亚锡,这会对环境和人体产生极大毒害作用。三是电镀过程中,“氢脆”现象依然无法避免,且操作过程必须精确控制,而这额外增加了作业难度,延长了流程,降低了工作效率。
中国专利公开号为CN104097848A的文献,其公开了《一种高强度耐腐蚀Pb-Sn复合镀层捆带的生产方法》,所选用的钢带基材组分为C:0.10~0.20%,Mn:0.50~1.20%,Si:≤0.010%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,B:0.010~0.030%,Als:0.030~0.070%。生产步骤包括:冶炼并连铸成坯及常规对铸坯加热、热轧、常规酸洗、冷轧、制带。所得产品的厚度为0.9mm,抗拉强度不低于1050MPa,延伸率不低于9%,反复弯曲次数不少于8次(R=5mm),表面生成了一层均匀致密、附着力强、厚度为4μm左右,具有美丽光泽的Pb-Sn复合镀层,置于室内大气环境中,480天不发生明显锈蚀,完全满足使用要求。但该文献同样存在的不足:一是镀铅时采用热浸镀方式,一是不仅能耗巨大,而且有毒的熔融液态铅在高温下容易气化蒸发,扩散性更强,对环境和人体的伤害更大,更加难以预防。此外,熔融液态铅容易使钢带产生“铅脆”问题,使其发生脆断。二是镀锡时同样采用热浸镀方式,能耗同样不低,所得镀层厚度不均,不易控制,锡的浪费较大,生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的环境污染重、镀层质量差等问题,提供一种在钢带表面生成一层厚度为9.2~12.8μm的Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层,硬度为37~42HV,表面粗糙度为0.016~0.026μm,孔隙率不超过2个/cm2;在30℃海水环境中连续放置3600d后,表面腐蚀面积不超过0.02%;在高温300℃下连续放置500d后,表面氧化面积不超过0.06%;在100KHz超声波环境下连续放置10000h后,镀层厚度没有明显变化,也不会出现脱落和裂纹,且不会发生重金属暴露现象,完全满足海洋和航空等特殊环境需要的钢带表面铅-锡合金镀层的制备方法。
实现上述目的的措施
一种钢带表面铅-锡合金镀层的制备方法,其步骤:
1)以奥氏体不锈钢冷轧钢带作为基材,进行常规的碱液脱脂除油;
2)常规水洗并烘干至钢带表面无水分;
3)在全氢保护气氛下进行退火,控制退火温度为700~720℃,保温时间为50~60min;
4)进行镀覆:
A、电镀Cu-Sn合金,镀液为CuCl2+SnSO4酸性水溶液,控制CuCl2和SnSO4的摩尔浓度比例为5:0.40~0.50,电流密度为3.5~3.8A/dm2,电镀时间为21~24min;
B、双离子注入Pb及Sn,控制Pb及Sn的注入能量为280~290KeV,Pb的注入剂量为(5.3~6.3)×1020/cm2,Sn的注入剂量为(4.2~5.2)×1020/cm2;
C、物理气相沉积In-Cu合金,控制In的重量百分比为88~94%,Cu的重量百分比为12~6%,控制沉积速率为0.50~0.60μm/min,沉积时间为13~17min;
D、自然冷却至室温。
优选地:退火温度为705~715℃。
优选地:Pb及Sn的注入能量为283~287KeV,Pb的注入剂量为(5.6~6.0)×1020/cm2,Sn的注入剂量为(4.5~4.9)×1020/cm2。
本发明为了实现上述目的,针对行业需要,以奥氏体不锈钢冷轧钢带作为基材,进行了大量的试验及分析,经过优化选择,采用“碱液脱脂除油+全氢退火+电镀Cu-Sn合金+双离子注入Pb-Sn+物理气相沉积In-Cu合金”工艺进行表面处理,是由于:
第一,选择奥氏体不锈钢冷轧钢带作为基材,是因为其对“铅脆”现象不是特别敏感,且自身耐蚀性能和抗氧化性能较强,有利于提高钢件的稳定性,延长使用寿命。
第二,冷轧钢带在进行镀覆前,必须保证其表面是洁净的,要进行适当的前处理。其中,碱液脱脂主要用来除去钢带表面的油污,而全氢退火有四个作用:一是将钢带表面残存的极少量油脂全部高温挥发掉。二是在还原性氢气气氛下,将钢带表面少量的氧化物全部去除。三是适当软化钢带,降低钢带的内应力,减少产生裂纹的概率,提高复合镀层的稳定性。四是退火后的钢不易出现“铅脆”,有利于提高钢件的稳定性,延长使用寿命。
第三,冷轧钢带在完成前处理后,在钢带表面电镀一层Cu-Sn合金作为内镀层。这里有三个原因:一是如果将铅直接镀覆在钢带表面,发生“铅脆”的概率将大为增加,容易引起钢件断裂。若在钢带与铅镀层之间添加Cu-Sn合金镀层,则可以减少“铅脆”的敏感性,提高钢件的稳定性。二是对钢带而言,Cu-Sn合金镀层是高耐蚀性合金,可以保护钢基不被腐蚀,提高整个复合镀层的稳定性。三是Cu-Sn合金镀层柔软,孔隙少,与基体结合力好,抗空气氧化和硫化物腐蚀能力强。这些因素都极大地提高了整个复合镀层的稳定性。之所以采用电镀方式,主要是因其操作简单。
第四,电镀Cu-Sn合金完成后,双离子注入Pb-Sn作为中间镀层。之所以采用离子注入的方式,是因为:传统的电镀或热浸镀工艺,不仅能耗巨大,而且可溶性的Pb盐或熔融液态Pb均存在剧毒性,严重伤害环境和人体。而普通的热喷涂或物理气相沉积工艺,则要将Pb-Sn合金固体变成高温下的液态或气态形式,其扩散性更强,毒性更大,更加难以控制,因而更不可取。而离子注入则可以有效克服上述四种方式的缺点,其优点在于:可精确控制掺杂离子种类、数量和深度,工作效率高;所形成的镀层均匀性好,纯度高;不改变钢件尺寸,方便后续工序处理。尤其是在真空条件下,其通过离子束轰击金属固体,使金属电离出离子,经电场加速后获得很高的速度,从而打入或沉积在钢件表面。整个过程无需使用剧毒的可溶性Pb盐,或者其蒸汽,且金属固体使用量极少,因而极大地降低了污染,保护了环境和人体。这里,中间镀层中的Pb与内镀层中的Cu与Sn的亲和性都比较强,可以形成稳定的固溶体,即Pb-Cu及Pb-Sn合金。而中间镀层中的Sn与内镀层中的Cu也具有较好的亲和性,可以形成稳定的连续固溶体,即Sn-Cu单相合金。总之,在Pb-Sn合金沉积在Cu-Sn合金镀层表面的过程中,两相界面之间的原子可以发生合金化反应,形成稳定的连续固溶体,使中间镀层牢固地附着在内镀层表面,从而提高了整个复合镀层的稳定性。
第五,双离子注入Pb-Sn完成后,物理气相沉积一层In-Cu合金作为外镀层。由于Pb-Sn合金镀层具有一定的毒性,如果让其直接裸露在钢带表面,或多或少会对环境产生一些不利影响。因此,以In-Cu合金作为外镀层,就是要在保证钢件耐蚀性能和抗氧化性能的前提下,将Pb-Sn合金镀层彻底覆盖,不让其对外暴露,减少对环境和人体的危害。之所以选用In-Cu合金,主要有两个原因:一是该合金具有良好的焊接性能和耐蚀性能,对于钢带的批量生产,保证产品的使用性能十分有益。二是外镀层中的In和中间镀层中Pb与Sn的亲和性都比较强,可以形成稳定的固溶体,即In-Pb及In-Sn合金。此外,外镀层中的Cu与中间镀层的Pb与Sn的亲和性也比较强,同样可以稳定的固溶体,即Cu-Pb及Cu-Sn合金。总之,在In-Cu合金沉积在Pb-Sn合金镀层表面的过程中,两相界面之间的原子可以发生合金化反应,形成稳定的固溶体,使外镀层牢固地附着在中间镀层表面,从而提高了整个复合镀层的稳定性。之所以选用物理气相沉积方式,是因为:一是其在真空条件下进行合金沉积,没有空气、水和其它杂质的存在,保证了合金的纯净度和表面质量。二是镀层厚度可以精确控制,可以减少原料浪费,毕竟In是一种稀有金属,Cu的价格也不便宜。三是物理气相沉积需要在高温真空条件下进行,对低熔点的In而言,这恰好起到了助推其热扩散的作用,使In可以在Pb层中进行充分的扩散和渗透,从而固溶于Pb层中,这样就增强了整个复合镀层的稳定性,延长了工件的使用寿命。
本发明所构建的Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层,具有如下优点:一是所采用的Cu-Sn合金、Pb-Sn合金及In-Cu合金,都是软合金,延展性和可塑性强,加工性能好,可以保证在冲压制件时,不会出现脱落和裂纹,整个复合镀层的稳定性极高。此外,内镀层、中间镀层和外镀层的耐蚀性能和抗氧化性能都较强,保证了产品能完全满足使用要求。二是各个镀层中的合金元素大多彼此无限互溶,形成连续固溶体,呈现单相合金的性质,性能均匀性好。且各镀层之间的金属元素彼此亲和性强,容易在界面处发生合金化反应。这说明整个复合镀层的构建是基于很强的金属原子内部作用力,而不是较弱的外部环境,因而就保证了整个镀层具有很高的稳定性。三是整个复合镀层的设计合理有序,流程简单高效,既大幅提高使用性能,又显著降低对环境的污染,做到了完美结合。
本发明与现有技术相比:在钢带表面生成一层厚度为9.2~12.8μm的Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层,硬度为37~42HV,表面粗糙度为0.016~0.026μm,孔隙率不超过2个/cm2,镀层表面质量良好;在30℃海水环境中连续放置3600d后,表面腐蚀面积不超过0.02%;在300℃高温下连续放置500d后,表面氧化面积不超过0.06%,镀层的耐蚀性能及抗氧化性能良好;在100KHz超声波环境下连续放置10000h后,镀层厚度无明显变化,也无出现脱落和裂纹,镀层稳定性高,且未发现有重金属暴露现象,镀层环保性好,完全满足海洋和航空等特殊环境的需要。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述:
表1为本发明各实施例及对比例的工艺参数;
表2为本发明各实施例及对比例的镀层性能。
本发明以下各实施例均按如下步骤实施:
1)以奥氏体不锈钢冷轧钢带作为基材,进行常规的碱液脱脂除油;
2)常规水洗并烘干至钢带表面无水分;
3)在全氢保护气氛下进行退火,控制退火温度为700~720℃,保温时间为50~60min;
4)进行镀覆:
A、电镀Cu-Sn合金,镀液为CuCl2+SnSO4酸性水溶液,控制CuCl2和SnSO4的摩尔浓度比例为5:0.40~0.50,电流密度为3.5~3.8A/dm2,电镀时间为21~24min;
B、双离子注入Pb及Sn,控制Pb及Sn的注入能量为280~290KeV,Pb的注入剂量为(5.3~6.3)×1020/cm2,Sn的注入剂量为(4.2~5.2)×1020/cm2;
C、物理气相沉积In-Cu合金,控制In的重量百分比为88~94%,Cu的重量百分比为12~6%,控制沉积速率为0.50~0.60μm/min,沉积时间为13~17min;
D、自然冷却至室温。
表1本发明各实施例及对比例的工艺参数
续表1
表2本发明各实施例及对比例的镀层性能
从表2可以看到,与现有技术相比,按照本发明提出的方法制备铅-锡合金镀层,钢带表面生成一层厚度为9.2~12.8μm的Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层,硬度为37~42HV,表面粗糙度为0.016~0.026μm,孔隙率不超过2个/cm2,镀层表面质量良好;在30℃海水环境中连续放置3600d后,表面腐蚀面积不超过0.02%;在300℃高温下连续放置500d后,表面氧化面积不超过0.06%;镀层的耐蚀性能及抗氧化性能良好;在100KHz超声波环境下连续放置10000h后,镀层厚度无明显变化,也无出现脱落和裂纹,镀层稳定性高,且未发生重金属暴露,镀层环保性好,完全满足海洋和航空等特殊环境的需要。
上述实施例仅为最佳例举,而并非是对本发明实施方式的限定。
Claims (3)
1.一种钢带表面Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层的制备方法,其步骤:
1) 以奥氏体不锈钢冷轧钢带作为基材,进行常规的碱液脱脂除油;
2) 常规水洗并烘干至钢带表面无水分;
3) 在全氢保护气氛下进行退火,控制退火温度为700~720 ℃,保温时间为50~60 min;
4) 进行镀覆:
A、电镀Cu-Sn合金,镀液为CuCl2+SnSO4酸性水溶液,控制CuCl2和SnSO4的摩尔浓度比例为5:0.40~0.50,电流密度为3.5~3.8 A/dm2,电镀时间为21~24 min;
B、 双离子注入Pb及Sn,控制Pb及Sn的注入能量为280~290 KeV,Pb的注入剂量为(5.3~6.3)×1020/cm2,Sn的注入剂量为(4.2~5.2)×1020/cm2;
C、 物理气相沉积In-Cu合金,控制In的重量百分比为88~94%,Cu的重量百分比为12~6%,控制沉积速率为0.50~0.60 µm/min,沉积时间为13~17 min;
D、自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种钢带表面Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层的制备方法,其特征在于:退火温度为705~715 ℃。
3.如权利要求1所述的一种钢带表面Cu-Sn/Pb-Sn/In-Cu复合镀层的制备方法,其特征在于:Pb及Sn的注入能量为283~287 KeV,Pb的注入剂量为(5.6~6.0)×1020/cm2,Sn的注入剂量为(4.5~4.9)×1020/cm2。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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