[00143304]节能环保纳米合金电沉积技术的产业化应用

1、 课题来源与背景; 电镀是制造业不可或缺的一项技术。但长期以来电镀行业一直存在几个突出问题：一是对环境的污染和对操作人员身体的毒害。二是性能无法满足使用要求。三是能源和材料浪费严重。例如,六价铬的电流效率只有不到20%,绝大部分的电能浪费掉了,而且需要消耗大量的水。四是生产效率低下。还是以六价铬为例,其每小时的沉积速度只有大约10个微米,有些工件的加工往往要耗时几天才能完成。欧盟和北美早已禁止六价铬的工艺,我们国家也对其制定了越来越严的限制。近两年国家进行环保督查,有超过一万家传统电镀企业被关停。市场出现非常大的缺口。 2、 技术原理及性能指标 该项纳米合金电沉积技术是通过异常共沉积原理,从水溶液中直接电沉积出纳米晶态合金材料,合金材料晶体结构为纳米晶态结构：是平均尺寸5纳米的基材上弥散分布平均尺寸20纳米左右的金属间化合物,通过弥散强化原理、晶粒细化强化原理,利用晶粒细化和金属间化合物的强化作用提高材料的硬度和耐磨性; 性能指标： 1) 镀层具有极强的耐腐蚀性：CASS（铜盐加速醋酸盐雾腐蚀）实验275小时保护等级十级,大致相当于中性盐雾实验（NSS）2200小时基体材料不腐蚀,保护等级十级。 镀层对特殊介质也有较强的耐腐蚀性,可以耐强酸、强碱腐蚀,耐H2S、SO2、CO2和有机物、细菌等介质的腐蚀。耐氯离子腐蚀是纳米合金镀层的一个突出的性能优势,超过316L不锈钢。 2) 镀层的镀态硬度达到HV700-1100,（HRC60-72）,并且具有良好的韧性。是目前已知唯一的不经过热处理硬度和耐磨性达到或超过硬铬的工艺。 3) 镀层具有优异的微观表面结构;较低的表面能,良好的自润滑性,可以起到防结垢结蜡的作用。镀层具有良好的高温性能,500°C性能不衰减、不降低。 3、 技术的创造性与先进性 创造性：由于纳米材料的晶粒比常规材料晶粒小近一千倍,它表现出许多比常规材料明显的优异特性。比如,由于纳米材料具有高的浓度晶界,它体现出比同样成分的常规材料更高的硬度、强度和耐磨性;再比如,由于纳米材料具有精细晶粒和均匀结构,因此其受到的是均匀腐蚀,而常规材料多为晶界腐蚀,所以,纳米材料体现出高的耐腐蚀性。 原来能规模化批量生产的纳米材料产品仅限于中小尺寸通过真空物理或真空化学等方法获取,由于受到真空室的限制,大尺寸工件的纳米材料直接制备一直无法实现。 新技术所解决的在宽的工艺范围内,在常温、常压下获得均匀稳定的纳米材料的难题,该项技术是利用纳米材料的高耐磨和高耐蚀性而设计的。在此过程中我们解决了几个难题： （1）金属材料学范畴： 设计出一种由不同金属形成的具有良好硬度、耐磨性和耐腐蚀性的最佳超细晶粒合金结构,我们称之为“硬质合金与韧性合金的弥散性结构”。 （2）电化学范畴： 找到使不同电极电位的金属离子以可控方式,形成上述稳定最佳结构的方法。 1)专利络合剂,改变了金属离子固有的析出电位,保证高的负超电压; 2)专利络合剂,使离子具有高的吸附力,低的表面迁移率,以保证高的成核率; 3)专利晶粒生长抑制剂以抑制晶粒的快速生长。 在上述条件的作用下,可以直接在金属表面获得晶粒尺寸5纳米的基体层和20纳米左右的金属间化合物的均匀合金层。 再有,在实现产业化过程中,对于异型件和超大型件,发明设计出了专用的非标准设备来实现稳定的工艺控制,并根据不同的要求形成了稳定的工艺方案。 先进性： 1) 工艺先进性： 可以在各类金属表面施镀,与各类金属都具有很强的结合力; 生产过程容易控制,镀液的稳定性和分散性好,产品的一致性高 生产效率高,是硬铬工艺效率的5倍以上; 2)镀层具有良好的机械性能; 3)对环境友好：无环境污染,对人体无害;重金属离子可以实现零排放 4)节水70%以上、节电80%以上、节省材料。 4、 技术的成熟程度,适用范围和安全性 此项纳米合金电沉积技术历经近30年的研发和几年的产业化应用,不断完善。从理论到工艺实践已经比较成熟,正在不断进行产业化的大规模推广。 适用范围：凡是金属表面需要防腐、耐磨的地方,都可以应用。 1)在硬度、耐磨性、耐腐蚀性等常规指标上达到或超过传统的硬铬镀层,可完全取代传统的镀铬、镀镍铬、镀铜镍铬等技术。 2) 利用其具有的传统技术不具备的性能特点,拓展新的应用领域,开发出新的产品。 5、 应用情况及存在的问题 新技术目前已经在国内油田井下专用管、地面集输管线、海上钻井平台液压油缸、海军潜艇、航天领域得到应用,效果良好。 受到电场特性的限制,对于结构复杂的工件,在设备和工艺上实现加工比较困难,有的甚至无法加工,这是面临的主要问题。 6、 历年获奖情况 2009年获评为国家的前身,“无锡市引进领军型海外留学归国创业人才计划（’’530’’计划）”A类项目,得到地方政府各项政策和资金支持。