一種基于還原性水基溶液浴預(yù)熱的化學(xué)鍍方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料表面加工工程、材料腐蝕與防護(hù)工程、再制造工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其 設(shè)及一種基于還原性水基溶液浴預(yù)熱的化學(xué)鍛新方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種堆積成形、分層制造"為主要特征的低溫液相成形技術(shù)，化學(xué)鍛不僅 條件溫和，處理對象廣，均鍛、深鍛能力強(qiáng)，仿形效果佳，工藝簡便，節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保，而且鍛 層與基體結(jié)合牢固，能顯著改善材料的耐蝕性、硬度和耐磨性、可焊性、導(dǎo)電性、裝飾性W及 抗污阻垢性等諸多性能。因此，化學(xué)鍛技術(shù)自誕生W來一直高速發(fā)展，在腐蝕與防護(hù)工程、 表面工程W及綠色再制造工程等領(lǐng)域一枝獨(dú)秀，成為研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。
[0003] 化學(xué)鍛是一個(gè)由多工序環(huán)環(huán)相扣、有機(jī)復(fù)合的微系統(tǒng)工程?，F(xiàn)有化學(xué)鍛工藝主要 由打磨、噴砂、拋光、脫脂（除油）、酸洗和/或活化及必要的水洗等預(yù)處理即表面調(diào)整工序， 化學(xué)鍛施鍛工序，純化和/或熱處理等后處理工序組成。預(yù)處理結(jié)束后，現(xiàn)有工藝最常規(guī)的 做法是將工件直接浸入鍛液施鍛，即預(yù)處理和化學(xué)鍛施鍛兩道工序之間，工件無其它任何 處理。如劉新民等在期刊《電鍛與涂飾》2013年第32卷第4期第27-30頁文章 "MID工藝制程電 路圖案金屬化工藝"中公開的工藝，工件在預(yù)處理結(jié)束后直接化學(xué)鍛儀/金。黃燕濱等在期 刊《中國表面工程》2003年第6期第13-15頁文章"化學(xué)鍛M-P復(fù)合覆層設(shè)計(jì)與耐蝕性能研 究"中公開的工藝，試樣預(yù)處理結(jié)束后直接進(jìn)行化學(xué)鍛施鍛。
[0004] 上述常規(guī)做法雖然簡化了工序，但至少存在兩個(gè)方面的主要缺陷:其一，進(jìn)入鍛液 前，工件或直接暴露于空氣中，或僅覆蓋非保護(hù)性薄液膜，實(shí)際處于未受保護(hù)的狀態(tài)，因此 不可避免遭受大氣腐蝕，表面迅速自發(fā)生成對化學(xué)鍛沉積反應(yīng)的誘發(fā)、鍛層/基體結(jié)合力W 及鍛層均勻性和致密度等具有致命危害的氧化物薄膜。工件基體的化學(xué)活性越高，自氧化 薄膜的生成速度越快，其危害也越大。其二，由于預(yù)處理工序一般在室溫下進(jìn)行，工件進(jìn)入 高溫鍛液時(shí)兩者之間存在較大溫差。如W室溫25°C及常用施鍛溫度90°C為例，實(shí)際溫差高 達(dá)65°C。即使預(yù)處理的最后一道工序即水洗使用的是熱水，由于清洗時(shí)間短工件蓄熱有限， W及轉(zhuǎn)移過程中空氣的冷卻作用，工件/鍛液間的實(shí)際溫差也不容忽視。溫差的客觀存在勢 必造成工件入槽(化學(xué)鍛鍛液槽)后其附近鍛液溫度的降低，在工件面積/鍛液體積之比即 裝載量較大和/或工件壁較厚的情況下，運(yùn)種降溫作用尤其明顯。溫度是影響化學(xué)反應(yīng)動力 學(xué)的重要因素，任何化學(xué)鍛沉積反應(yīng)的進(jìn)行均W克服相應(yīng)的活化能壘為必要條件。因此上 述降溫效應(yīng)必然導(dǎo)致鍛液活性隨之降低，化學(xué)鍛沉積反應(yīng)誘導(dǎo)期延長，沉積速率降低。在此 期間，基體遭受鍛液侵蝕(包括但不限于自氧化)的風(fēng)險(xiǎn)增大，最終對鍛層質(zhì)量產(chǎn)生多方面 的不利影響。另一方面，運(yùn)種降溫作用還會對其它工件的正常施鍛造成沖擊，主要包括鍛速 降低甚至沉積反應(yīng)中止、鍛層質(zhì)量波動等。
[0005] 針對上述問題，李樹明等在公開號為CN1485460A的專利"一種用化學(xué)鍛儀修復(fù)軸 承超差尺寸的方法"中，王花申在公開號為CN101392370A的專利"一種氧分離器制造方法" 中，黃彥等在公開號為CN101418440的專利"一種在多孔基體上化學(xué)鍛制備金屬膜的方法" 中，分別公開了化學(xué)鍛之前對工件w"熱水"進(jìn)行預(yù)熱處理的技術(shù)方案。張惠新在期刊《電鍛 與涂飾》2003年第22卷第3期第28-31頁文章"化學(xué)鍛儀在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的要素"中，公開 了在化學(xué)鍛儀之前W70-80°C、0.5%Na0扣容液進(jìn)行"中和預(yù)熱"的技術(shù)方案。趙予川在期刊 《電鍛與精飾》2010年第32卷第1期第29-30頁文章"鋼鐵件化學(xué)鍛儀-憐合金前處理工藝的 改進(jìn)"中，公開了 W室溫、0.3-0.5%氨水進(jìn)行鍛前"預(yù)浸"的技術(shù)方案。
[0006] 上述改進(jìn)的技術(shù)方案在不同程度上克服了常規(guī)工藝的弊端，有效促進(jìn)了化學(xué)鍛施 鍛效果的改善。但亦存在不足之處，主要包括：由于使用熱水或水基堿性稀溶液作為工作介 質(zhì)，因此工作介質(zhì)及其液膜對工件基體并不能提供有效保護(hù)，在"預(yù)浸"、"預(yù)熱"期間或之后 的轉(zhuǎn)移途中甚至促進(jìn)基體的腐蝕溶解或純化，如化學(xué)活性高的儀及儀合金在熱水中的氧 化，侶、鋒等金屬及其合金在堿液中的氧化，鐵基材料在堿性介質(zhì)中的純化等，不利于正常 施鍛或?qū)е洛憣淤|(zhì)量惡化。此外，熱水或水基堿性稀溶液對起鍛過程的"催化作用"，僅僅是 基于工件鍛前蓄熱、酸堿中和放熱及微區(qū)鍛液pH值升高等產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，對工件入槽后 工件/鍛液相互快速適應(yīng)(包括但不限于鍛液對工件表面的浸潤過程W及沉積反應(yīng)重要成 分如還原劑的傳質(zhì)、吸附等過程)則并無益處，因此對鍛層質(zhì)量的改善效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于還原性水基溶液浴預(yù)熱 的化學(xué)鍛新方法。
[0008] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)。
[0009] -種基于還原性水基溶液浴預(yù)熱的化學(xué)鍛方法，包括W下主要步驟： (1) 表面調(diào)整:對工件欲處理表面進(jìn)行表面調(diào)整； (2) 溶液浴預(yù)熱:控制還原性水基溶液即浴液的溫度為Tph，將經(jīng)步驟(1)處理過的工件 浸入其中預(yù)熱5-600S; (3) 化學(xué)鍛施鍛:控制化學(xué)鍛鍛液的溫度為Tep，將經(jīng)步驟(2)處理過的工件浸入其中實(shí) 施化學(xué)鍛。
[0010] 上述步驟(2)所述浴液為W0.25-100.Og/L次亞憐酸鋼為溶質(zhì)的水基溶液。
[00川上述Tph取值區(qū)間為Tep-30°C~Tep+20°C。
[0012] 工件經(jīng)上述步驟(2)預(yù)熱之后直接浸入上述步驟(3)化學(xué)鍛鍛液進(jìn)行施鍛，中間無 需任何其它處理。
[0013] 本發(fā)明化學(xué)鍛新方法之步驟（1)表面調(diào)整包括打磨、噴砂、拋光、脫脂、酸洗和活化 等工序中的一個(gè)或多個(gè)組合。表面調(diào)整的目的在于破壞并清除工件在成形及后續(xù)加工(如 切削）、儲運(yùn)或使役期間表面殘留或因腐蝕、污染等產(chǎn)生的毛刺、油脂、污垢、加工硬化層、腐 蝕產(chǎn)物及腐蝕破壞層等，暴露完整、均勻、新鮮的基體組織，為后續(xù)沉積反應(yīng)的順利而均勻 地進(jìn)行創(chuàng)造有利條件，有利于厚度分布均勻、致密且與基體結(jié)合緊密的鍛層的形成。對于自 身并無催化活性的基體如陶瓷、塑料、纖維和木材等非金屬材料W及Cu、Ag等金屬材料而 言，表面調(diào)整步驟還必須包括最后一道工序一一敏化和活化，其目的在于在工件表面形成 催化活性中屯、，W便在化學(xué)鍛施鍛階段成功誘發(fā)沉積反應(yīng)。表面調(diào)整可根據(jù)工件表面實(shí)際 狀態(tài)及其制備材料屬性，W任何公知的或商業(yè)上可獲得的技術(shù)進(jìn)行。例如:砂輪/砂紙打磨； 噴砂機(jī)噴砂;拋光布/油石拋光;硫酸、鹽酸、硝酸或氨氣酸溶液化學(xué)拋光，電化學(xué)拋光;無水 乙醇、丙酬或Ξ氯乙締等有機(jī)溶劑脫脂，堿洗脫脂，電解脫脂;鹽酸或硫酸等溶液酸洗;酸性 氯化亞錫(SnCb)敏化、氯化鈕(PdCb)活化等。表面調(diào)整各工序結(jié)束后應(yīng)對工件進(jìn)行徹底水 洗。
[0014] 本發(fā)明所述步驟(2)浴液預(yù)熱的主要作用在于預(yù)熱工件的同時(shí)有效保護(hù)工件。選 用次亞憐酸鋼水基溶液作為浴液，主要是利用次亞憐酸鋼的還原特性，使工件預(yù)熱(此時(shí)工 件浸泡于還原性浴液中）及轉(zhuǎn)移(此時(shí)工件表面被吸附的還原性浴液液膜所覆蓋)過程均在 還原性氣氛中進(jìn)行，有利于保護(hù)工件。將次亞憐酸鋼的濃度控制在0.25-100.Og/L，原因在 于:濃度過低，浴液失去預(yù)期的保護(hù)作用;濃度過高，原料成本增加，浴液的保護(hù)作用已趨于 飽和。在浴液對工件不構(gòu)成腐蝕及其它危害的前提下，可選擇步驟(3)所用化學(xué)鍛鍛液組分 中除主鹽外其它任意組分中的一種或W上，與次亞憐酸鋼復(fù)配使用。一般浴液溫度越高，預(yù) 熱越快，達(dá)到同樣的預(yù)熱效果所需的時(shí)間越短，充分預(yù)熱后后續(xù)化學(xué)鍛沉積誘導(dǎo)期越短，起 鍛越快。浴液溫度Tph宜根據(jù)實(shí)際需要在Tep-30°C~Tep+20°C范圍內(nèi)擇優(yōu)選取。預(yù)熱時(shí)間根據(jù) 工件材料的導(dǎo)熱性及其壁厚進(jìn)行控制。一般材料導(dǎo)熱性越好，工件壁厚越薄，所需預(yù)熱時(shí)間 越短。預(yù)熱時(shí)間一般W5-600S為宜。預(yù)熱時(shí)間過短，難W達(dá)到預(yù)期的預(yù)熱效果;預(yù)熱時(shí)間過 長，能耗增大，處理成本增加。
[0015] 本發(fā)明所述步驟(3)化學(xué)鍛施鍛的目的，在于實(shí)現(xiàn)工件表面鍛層金屬/合金的原位 制備。所用化學(xué)鍛具體工藝，可根據(jù)實(shí)際需要在公知的、私密的或商業(yè)上可獲得的工藝中擇 優(yōu)選擇。其中化學(xué)鍛鍛液的溫度Tep根據(jù)不同工藝而不同，不屬于本發(fā)明解決的問題。化學(xué)鍛 結(jié)束后，工件宜進(jìn)行清洗、干燥等處理，包括自來水和/或蒸饋水、去離子水沖洗、漂洗和/或 擦洗，熱風(fēng)或壓縮空氣吹干，或易揮發(fā)性有機(jī)溶劑如乙醇、丙酬等漂洗或擦洗后驚干等。為 進(jìn)一步改善鍛層性能，化學(xué)鍛結(jié)束后，可對工件進(jìn)行純化、熱處理等后處理。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來的直接益處主要包括:其一，保護(hù)基體，減緩甚至終 止基體在預(yù)熱期間、轉(zhuǎn)移途中，W及沉積誘導(dǎo)期等各階段可能遭受的腐蝕，甚至促進(jìn)基體表 面已有氧化產(chǎn)物向金屬單質(zhì)的還原轉(zhuǎn)化。其二，縮短鍛液對工件表面的浸潤時(shí)間一一由于 入槽前工件表面已經(jīng)吸附有與鍛液化學(xué)成分相似的液膜，因此工件一旦入槽，相比不預(yù)浸 或預(yù)浸水及異種溶液的情況，鍛液能更快地完成對工件表面的浸潤過程，同時(shí)使鍛液有效 組分向工件表面的傳