[发明专利]纳晶和非晶金属及合金作为涂层的实施方法

说明书

联邦政府赞助的研究

技术领域

本发明主要涉及纳晶或非晶金属或合金用作涂层材料的实用实施方法。更详细地说，本发明提出将纳晶或非晶金属或合金应用到大规模电沉积操作、连续电沉积操作和部件的重建和再制(rework/rebuild)中的方法。

技术背景

诸如大规模电沉积生产、滚镀(barrel plating)、连续电沉积和再加工/重建等工业应用，都需要具有特殊性能的涂层材料。在这些可提供经济效益或改进产品性能的应用领域中，对于新型和改良的涂层材料，有着持续的需求。

大规模电沉积：

诸如滚镀这样的大规模电沉积涂层工艺，对于同时要对许多部件进行涂层的情况来说，经济上和实用上都是可取的。然而，涂层特性的欠缺，给这些大规模电沉积涂层工艺，带来了极大的难题。

诸如滚镀这样的大规模电沉积工艺，一般包括超过两件要同时电沉积的部件，并且这些部件，在所述工艺的至少一部分中，会处在彼此电接触状态。在所述电接点，上述部件还会经受到接触机械载荷和/或摩擦载荷。在该工艺中，如若部件经受到搅拌，该载荷还会增加。

在大规模电沉积工艺的设计中，重要的问题是沉积层的特性和性能。一般来说，由于部件改变它们的相对位置，并引起部件表面上的滑动接触点或局部碰撞，不牢固的或粘结差的涂层会被搅拌过程损坏。同样，软性和延展性的涂层，或硬度低、耐磨损、压痕或摩擦滑动损伤低的涂层，在上述过程中，会造成缺陷，诸如裂缝、刮痕或脱层等情况。因此，很重要的一点是，电沉积涂层希望具有在处理过程中抗损伤的性质，而且该过程特性可被控制，以避免损伤。

对大规模电沉积工艺的效率和效力很重要的另一涂层特性，是其导电性。因为每一部件与电源电接，一般都是通过部件与部件之间，或部件与连接电源的电导件之间的接触而实现的，电流需要通过部件的表面。当沉积过程进行，部件被涂层的时候，电流需要通过涂层材料自身。如果涂层导电性差，电流的流动受阻，便会降低沉积效率。由于这个原因，一般来说，导电性比较好的涂层，更适合于诸如滚镀这样的大规模电沉积工艺。

一个跟电沉积层导电性有关的例子，与六价铬沉积物相关。由六价浴沉积生产的铬涂层，因该涂层的硬度高、耐磨损和耐腐蚀性能好，所以在许多方面都是令人满意的。然而，六价铬涂层的导电性比许多金属都低，会降低诸如滚镀这样的大规模电沉积过程的效率。这就导致了该操作在经济上难以维持。

人们早就期待有新的电沉积涂层问世，它兼具一套新特性，而且是用以上技术大规模地生产出来的。例如，人们期待使用具有高导电率的高强度、强粘附力、耐磨损的纳晶或非晶的涂层，既改进涂层的质量，又提高涂层产品的质量，并提高该过程的效率。另外所期待的特性包括：更高的硬度、韧性、耐磨性、电性、磁性、腐蚀特性、基底保护、环境影响改善、工人安全性提高、成本降低等等。

连续电沉积：

连续电沉积工艺，对于将涂层施加到条形材料上，在经济性和实用性上都是很可取的。人们早就期待使用连续电沉积施用涂层，创造性质更令人满意的最终产品。例如，更高的硬度、强度、韧性、耐磨性、电性、磁性、腐蚀特性、基底保护、环境影响改善、工人安全性提高、成本降低等等。

再制/重建：

再制/重建工艺，对于修正产品缺陷来说，在经济性和实用性上都是很可取的。再制/重建工艺中的一个关键步骤，是应用适当的涂层材料。一种用于该涂层工艺的常见材料，是硬电沉积铬，也称为“硬铬(hardchromium)”或“硬铬(hard chrome)”。再制/重建，对于以硬铬作为涂层的电沉积材料的镀铬设施，是常用方式。在加工工序之前，所述铬涂层厚度常常是厚达375μm或超过375μm。K.O.Legg在其题为“Overview of Chromium and Cadmium Alternative Technologies”(inSurface Modification Technologies XV，edited by T.S.Sudarshan and M.Jeandin，ASM International，Materials Park OH，2002)的论文中说到，制和重建操作是硬铬电镀的最主要的单一用途之一。上述论文，通过引用完全并入本文。硬铬涂料用于再制/重建操作的一个缺点，是在该涂层过程中所使用化学品的毒性和致癌性。这些缺点，对环境和对工人安全都有严重影响。