纳米材料增强的晶态电铸金属制品的制造方法

摘要

一种纳米材料增强的晶态电铸金属制品的制造方法,其特征是:在电铸液中加入纳米材料α－Al2O3、γ－Al2O3、TiO2中的一种,加入量为金属层体积的1.5～7.0%,并在超声波搅拌下成型。成型后金属制品在常压的N2、Ar保护气或10－1～10－2Pa真空中,加热至500～800℃,保温15～45min。同现有技术比较,本发明突出的优点是由于加入纳米材料并经晶态化处理,显著地提高了产品的力学性能,如经800℃加热后,其室温下硬度仍保持HV110。本产品可应用于汽车空调和家用空调、冰箱的制冷系统的金属管件。

说明书

本发明涉及一种中空体的电铸方法，特别涉及一种新型的纳米材料增强的晶态电铸金属制品的制造方法。

电铸方法的最大优点是能以无焊缝、一步成型的形式，制造出精度高、表面粗糙度低的内外型表面复杂的特殊形状的金属零件，这是一般机械加工方法难以实现的。由于无焊缝就可将变径多通管件等这类零件，做到结构紧凑，体积缩小，重量减轻和成本降低。可是这种传统的电铸金属制品的最大缺陷是强度较低，管件不耐压，易产生类似于水坝在大水中的“管涌”。因此，至今仍只能制造如波导管、文氏管、筛网和唱片压模等这类对强度(或压力)要求不高的零件。对要求一定强度或需耐一定压力的管件，国内外现仍采用机械加工方法制造，例如在制造多通异径管件时，即将不同直径的直通管采用下料、打孔、扩(缩)口、弯曲、焊接等工序来完成。由于受这些制造工艺本身特点所限，加工成的产品会有许多不可克服的缺陷，如交叉管连接时，有多余的管端插入和焊渣残留在内腔中，造成管内液体流动不畅，工作效率降低。另外，若存在未焊透、夹渣等焊接缺陷时，在该零件再焊接到其它部件上时，会使原缺陷产生“二次脱焊”。尤其用在如汽车这类运行时产生振动的机械上，上述缺陷处则易发生振裂，造成事故。用焊接加工成的零件，其焊缝和热影响区材料的强度大大低于其余部份，形成了一个薄弱带。对于一些较复杂的异型多通管件，如双排以上异型多通(四通以上)管件，由于受焊接工艺所限，相邻的管焊接时必须保持相当的距离，从而使管件体积过于庞大。因此，工业部门长期以来希望寻求一种能同时具有电铸和机械加工制品的优点，而克服它们缺点的金属制品的制造方法。

本发明的目的在于提供一种纳米材料增强的晶态电铸金属制品的制造方法，克服了现有技术所存在的缺陷，使制成的金属制品既具有(或超过)轧制材料的强度和耐压性能，又具有无焊缝、结构紧凑、抗疲劳强度好、精度高、表面粗糙度低的内外型结构复杂的特殊形状等优点。实现本发明的技术关键是：在电铸成型过程中，电铸液中加入适量的纳米材料，使纳米材料均匀地分布在电解沉积的金属层中，使制品结构致密，降低了孔隙率，提高了力学性能；再将由电铸一次成型制得的制品进行晶态化处理，使其显微组织从电沉积的堆积颗粒，转变为均匀的细晶结构，并消除了内应力。

以下详细叙述本发明的具体内容：

一种纳米材料增强的晶态电铸金属制品的制造方法，它包括芯模制造，前处理，电铸成型，脱去芯模，后处理。其特征在于：在电铸金属制品中加入纳米材料增强，成型后经晶态化处理；在电铸成型的电铸液的成份中加入纳米材料，该纳米材料选用α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃、TiO₂中的一种，纳米材料的颗粒直径d≤10nm，长径比l/d＝5～10，在金属层中的含量为体积的1.5～7.0％，并在超声波搅拌下共沉积成型；电铸金属制品成型后所进行的晶态化处理，是在常压的N₂或者Ar的保护气中，或者在10^-1～10^-2Pa的真空中，加热至500～800℃，保温15～45min。芯模制造、前处理、脱去芯模、后处理与现有技术相同。

同现有技术比较，本发明具有的突出的优点是由于加入纳米材料并经晶态化处理，显著地改善了产品的显微组织和提高了产品的力学性能，如本发明的电铸铜制品的显微组织为均匀的细晶粒，同时该制品的硬度达到HV110，经800℃加热后，其在室温下硬度仍保持HV110，而原有的电铸铜制品，其硬度为HV100，经250～300℃加热后，其在室温下的硬度降为HV25。

实施例1：生产一种纳米材料增强的晶态电铸异径多通铜管件，其几何形状如图1所示，图中1为总管，1a为总管进口，2为分管，2a为分管出口，其工艺步骤如下：

●制芯模及前处理先按该管件内芯的形状和尺寸制成内芯钢模具，将熔化好的低熔点合金(65％Pb、30％Sn、5％Zn)浇入到芯模中，冷却后取出芯模。芯模取出后在浓度为5g/L铬酸盐溶液中，浸渍20秒，使芯模表面形成一层剥离膜。

●电铸成型电铸液配方和工艺条件如下：硫酸铜190g/L，硫酸70g/L，M 0.0007g/L，N 0.0005g/L，SP 0.015g/L，聚乙二醇0.1g/L，十二烷基硫酸钠0.08g/L，Cl^-0.08g/L；15～25℃，阴极电流密度5A/dm²，阳极为T2电解铜并装有1000目的PVC微孔过滤网循环过滤，以防止阳极泥渣进入电铸液。开始电铸前，在电铸液中加入Al₂O₃纳米材料，加入量为使其在电铸铜层中的含量为3.0％(Vol)。电铸过程中，采用超声波搅拌器搅拌电铸液，并使工件旋转，以使得Al₂O₃在电铸层中分布均匀，产品的壁厚为1.5mm，电铸沉积时间为24～25小时。其显微结构如图2所示。

●脱去芯模将成型后的异径多通铜管件，加热至230℃，芯模合金熔化，使之与电铸铜管件分离并回收待用。

●晶态化处理将获得的异径多通铜管件放入常压的N₂气保护的加热炉中，在550℃下，保温15min，使其显微组织转变为均匀的细晶组织，如图3所示。

●后处理将晶态化处理后的异径多通铜管件先进行整形，表面抛光(如需要)，再将其放入浓度为2～5g/L的BAT溶液中，60℃下浸渍5min。取出后经清水洗净、吹干后，检验、包装，即可出厂。

经测试将原有电铸铜管件和本发明电铸铜管件的硬度和温度关系曲线示于图4。图中纵坐标为硬度，横坐标为加热温度，A曲线为原有电铸铜管件的室温下硬度与加热温度的关系，B曲线为本发明电铸铜管件室温下硬度与加热温度的关系。

实施例2：生产一种纳米材料增强的晶态电铸异径多通铜管件，其工艺步骤如下：

●电铸成型电铸液的配方和工艺条件如下：硫酸铜150g/L，硫酸50g/L，M0.0005g/L，N0.0003g/L，SP0.01g/L，聚乙二醇0.07g/L，十二烷基硫酸钠0.05g/L，Cl^-0.05g/L，其余与实施例1相同。

●晶态化处理将获得的异径多通铜管件，放入10^-1～10^-2pa的真空炉中，在600℃，保温20min。

●制造芯模及前处理、脱去芯模、后处理与实施例1相同。

经测试该管件硬度值为HV105。

实施例3：生产一种纳米材料增强的晶态电铸镍管件，具体步骤如下：

●制造芯模及前处理选用的芯模材料为92％Sn、8％Zn的低熔点(240℃)合金。按实施例1相同的方法，也可在10％NaOH溶液中，6V阳极电解10～40秒，电解处理时，用普通铁板作阴极。它们均可在芯模表面形成一层剥离膜。

●电铸成型电铸液配方和工艺条件如下：Ni(NH₂SO₃)₂·4H₂O300g/L，NiCl₂·6H₂O 15g/L，H₃BO₃ 40g/L，pH4.0，温度40℃，阴极电流密度15A/dm²，用电解Ni板作阳极(加Ti篮)。所用的纳米材料为TiO₂，加入量为使其在电铸镍层中的含量为2.5％(Vol)，其余按实施例1。

●脱去芯膜将成型后的镍产品，加热至250℃，即可将熔化的Sn-Zn低熔点芯模合金分离并回收。

●晶态化处理将与芯膜分离后的电铸镍管件，放入常压的Ar保护气中，在750℃保温20min，使其显微组织转变为均匀的细晶组织。

●后处理再将产品经整形、表面抛光、清洗、烘干，检验后包装。