[发明专利]合金涂覆装置及电解电镀方法

说明书

技术领域

本发明整体上涉及对基体(base)金属成分进行涂覆，特别涉及采用两种或更多种预选的金属在熔盐浴中对基体金属成分进行包括扩散的电解电镀。

背景技术

正如本领域所熟知以及如Newell C.Cook于1969年8月在Scientific American上发表的关于他在通用电气研究和发展中心所做工作的文章“电解电镀”(通过引用以其全文并入本文)中所讨论的，一种金属和另一种金属的结合经常产生优于这些金属中单独任一种金属的性能。除了传统的合金化(在熔融状态混合模具金属)和镀覆(将一种金属附着到另一种金属表面)，电解电镀也使一种金属的原子扩散到另一种金属的表面。扩散的金属成为其它金属表面的整体部分，而非像在镀覆中只是机械地附着在表面。电解电镀是合金化的形式之一，除了合金仅在表面处。

扩散通过高温电解方法得以完成。作为阳极的扩散金属和作为阴极的受体金属悬置在熔融氟化物盐浴中。当直流电流从阳极流到阴极时，阳极材料溶解并且被运送到阴极。在那里阳极材料扩散入阴极，导致合金化的表面。因此，许多所需要的性能变化得以实现。

例如，硼扩散入钼表面产生具有接近金刚石硬度的表面。如果硅扩散入钼，则所产生的材料在白热时能在空气中使用数百个小时，而没有处理的钼在赤热时就在空气中燃烧并迅速毁坏。当铍扩散入铜时，在保留其优异导电性的同时，铜变得更强，更有弹性，更坚硬以及更抗氧化。硼化钢可以制作成与碳化钨一样坚硬，钛化铜抵制沸腾的硝酸和在空气中的腐蚀，并且钽化镍变得几乎与纯钽一样耐腐蚀氧化。

正如Cook的文章所说，如果钢和其它金属可浸入熔融的硼、硅、铬、钛、钽等等就能够获得许多好处，但是所有这些金属均在如此高的温度下熔化以至于钢在浸入它们时自身也会熔化。电解电镀提供了一种简单、实用以及应用广泛的合金化金属表面的方法。

此外，Cook所揭露的熔盐技术能够使用元件周期表中的大部分金属作为扩散金属或基体。

熔融氟化物的助熔作用溶解了阴极金属表面的氧化物膜，该氧化物膜在空气中形成于除金和可能的铂以外的所有金属上。金属表面上的空气氧化物膜通常是其它金属扩散入基材的一个障碍。氟化物溶剂所带来的清洁表面使电解沉积中的原子能够与阴极表面的原子直接接触并且允许在最大速率下进行扩散。

硼和硅的反应性相似，因而它们作为电解电镀试剂的应用范围也是相似的。能够硼化(bonded)和硅化的金属包括钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、钽、钨、铼、锇、铱、铂和金。上述清单包括了大多数常见的结构金属。分层(Bedding)和硅化可以在许多盐类混合物中完成，但是通常在包括(a1)氟化锂、氟化钠和氟化钾的三元组合物中完成。

硼化物涂层特别坚硬。在钢上，它们通常落入努氏硬度标度1500-2500之间，并且它们经常超过3000。在普通碳钢和许多合金钢上，由于硼的扩散进入，涂层形成根状附着物；涂层得到紧密的锚紧，并且即使在材料受到相当大的变形时仍维持其整体性。硼化物涂层通常具有较差的耐腐蚀性能(除在不锈钢上以外)，但这可以通过使硼化物层轻度铬化和硅化进行补救。硼化钢显示出应用于轴承和模具的巨大希望。在其发展的现阶段，它们太脆弱以至于还不能用于切割工具。

合金表面得到牢固结合，因为扩散的原子渗入原始结构并成为其一部分。涂层从不是多孔的，因为完全致密的基材的原始表面不是多孔的，并且在适应新原子中，基材结构仅是重排(rear-arranged)和膨胀的。合金涂层通常能采用高效率的电解来形成。涂层厚度的控制可以相当精确。大部分涂层在2-3个小时内以1密尔(.001英寸)-5密尔的厚度形成。有些涂层形成得较快，仅在几分钟内就形成几个密尔的厚度，而其它涂层形成得相当慢，需要两或三天的时间来达到1或2密尔的厚度。基本上没有例外，增高温度加速涂覆过程。在较高温度下形成的合金经常具有不同的性能，并且有时比在较低温度下形成的合金少一些所需的性能。当温度接近基材金属的熔点或形成中的合金表面的熔点时，扩散速率通常迅速增加。