[发明专利]金属离子在导电基材表面上的沉积

说明书

技术领域

本发明涉及用于涂覆金属的组合物和工艺，且更具体地说，涉及用于涂覆金属表面的金属的含水组合物和用于制备这些含水组合物的工艺。

背景技术

已经开发出许多方法来在诸如含铁金属、钢、不锈钢、铝、锌和钛的商品金属上形成新的转化表面。这些方法包括电镀、磷化(转化表面)、化学气相沉积、离子溅射和其他技术。1870年英国提出了银的早期的电镀法。后来，提出了电镀贵金属，即铜和金的方法。这些金属必须与氰化物络合以在基材材料上形成粘附的沉积物。使用氰化物仍然是在基材上形成贵金属的最初的粘附沉积物的优选方法。氰化物是一种毒性极强的材料，其危害环境并威胁到公众健康。使用氰化物时必须采取许多安全措施，即便如此，使用者仍可能遭受危险有毒的烟气。随着电镀技术多年的发展，电镀诸如锌、镉、镍和铬的其他元素的技术均获得了发展，并在商界中广泛用于工程和装饰目的。

基材表面的电镀沉积物不会进入表面的金属间隙内。因此，当基材被“冷加工”到屈服点时，沉积物的粘着力不足以维持其完整性。在61,000PSI下进行冷加工破坏了锌的电沉积物，镉为69,000PSI，而钢基材将具有80,000PSI或更强的屈服点。这一直是电镀工业中值得注意的问题。电镀人员必须处理许多不同的参数以建立有效的沉积步骤来达到期望的最终结果。电镀需要的步骤有预处理、预清洗以及漂洗控制的电镀浴和特殊的阳极。电镀通常遵循电动序规则，即更贵的金属可以被电镀到次贵的金属上，但相反的方向不行。这限制了将元素周期表中的所有金属电镀到元素周期表中的其他金属基材上的能力。

表面改性的另一种方法是磷化，其中，在钢和铝上形成了磷酸盐转化表面。磷酸盐转化表面被广泛地用于抑制腐蚀以及作为油漆的基底。磷化是商界中应用最广泛的技术之一，主要作为底涂层应用于汽车工业来抑制腐蚀以及作为固定物来保持油漆。

转化涂层磷化方法需要庞大的电镀浴，且是能量密集的且耗时的。磷化需要至少10分钟或更长时间来获得商业上可接受的、粘附的转化表面。该行业多年来已经开发出许多促进剂来加速转化过程。

20世纪后半叶，发展了新的和外来的技术以在金属上获得更好的表面。这些方法通过诸如真空蒸发、溅射、磁控溅射或离子电镀的气相沉积技术在基材上形成涂层来修饰金属。这些技术可以用于硬化金属表面，诸如金属加工工具，包括碳化钨刀片、钻头、滚刀等。化学气相沉积在真空室内进行，且金属在氮气氛中被离子化，并沉积到基材上且扩散入基材中。这些技术的结果的一些示例是氮化钛和氮化硼。沉积通常是根据视线进行的，且工艺受限于基材金属的形状、尺寸和构型。该工艺是昂贵的，需要专门的设备和高的能耗。沉积物在温度、气体组成等严格的条件下形成。这些技术导致沉积物具有应用于许多商业产品的密实、光滑、无缺陷的表面。

许多金属形成了益于防止金属腐蚀的钝化氧化物表面。这样的金属是铝、不锈钢和钛。形成于不锈钢上的氧化膜是使表面钝化的单分子层。形成于碳钢上的氧化层有害于金属，且被称为铁锈。

授权给Hardin等人的美国专利第6755917号描述了一种用于在金属材料表面上提供转化涂层的解决方法。该解决方法包括一种过氧化物物质，且受限于元素周期表中的第IB、IIB、IVA、VA、VIA和VIII族金属中的至少一种。具体地，Hardin还提供了一种用于补充根据本发明的转化涂层解决方法的液态的酸性含水浓缩物，其中，浓缩物包含总稀土离子∶单价阴离子的摩尔比为1∶200到1∶6的稀土离子(如此处定义的)和单价阴离子，和/或总稀土离子∶二价阴离子的摩尔比为1∶100到1∶3的稀土离子和二价阴离子，和/或浓缩物包含选自第IB、IIB、IVA、VA、VIA和VII族，优选为选自Cu、Ag、Au、Cd、Hg、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Ir、Ru、Os、Sn、Pb、Sb、Bi、Se和Te的组的至少一种金属和阴离子，使得该组中的元素总和与阴离子的摩尔比在1∶50到1∶10,000的范围内。而且，Hardin的方法受限于酸性含水溶液。

已知不锈钢上存在的薄的单分子氧化膜可以为金属提供极佳的钝化表面。腐蚀可能会在某一天被金属表面上的薄的单分子层征服，这已经成为一种理论。进一步从理论上认为，借助薄的、粘着力强的金属膜可以获得显著降低的摩擦。