1、纳米颗粒复合电刷镀工艺装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室纳米颗粒复合电刷镀技术讲课人：胡振峰内容提纲1 1 纳米颗粒复合电刷镀技术纳米颗粒复合电刷镀技术一般一般工艺工艺步骤步骤2 2 纳米颗粒复合电刷镀溶液的选用原则纳米颗粒复合电刷镀溶液的选用原则3 3 纳米颗粒复合电刷镀技术重要工艺参数的选择纳米颗粒复合电刷镀技术重要工艺参数的选择 4 4 纳米颗粒复合电刷镀工艺规范的选择纳米颗粒复合电刷镀工艺规范的选择 5 5 常用金属材料的纳米颗粒复合电刷镀工艺常用金属材料的纳米颗粒复合电刷镀工艺 1电刷镀一般工艺步骤工序号工序名称工序内容和目的备注1表面准备去除油污、修磨表面、保护非镀表面
2、2电净电化学除油镀笔接正极3强活化电解蚀刻表面，除锈、除疲劳层镀笔接负极4弱活化电解蚀刻表面，去除碳钢表面炭黑镀笔接负极5镀底层提高界面结合强度镀笔接正极6镀尺寸层快速恢复尺寸镀笔接正极7镀工作层满足尺寸精度和表面性能镀笔接正极8后处理吹干、烘干、涂油、去应力、打磨、抛光等依据应用要求选定2电刷镀溶液的选用原则 目前，已经开发出的纳米颗粒复合刷镀溶液有10余种，如何针对零部件的不同性能要求选择最合适的纳米颗粒复合刷镀液，使刷镀零件满足服役条件要求，在纳米颗粒复合刷镀工艺中是个重要问题。一般来说，在纳米颗粒复合镀液的选择上遵循以下五条原则：结合强度原则、快速恢复尺寸原则、减摩耐磨性原则、低孔隙率
3、原则、抗高温性原则。2.1 结合强度原则 钢 在对其进行电净和活化处理后，首先应用特殊镍镀一层14m厚的底层，然后再根据需要镀合适的纳米颗粒复合电刷镀镀液。铸铁 由于组织比较疏松，易被酸性溶液腐蚀，并且表面微孔易残留酸液，形成原电池，从而破坏镀层与基体的结合。为防止这种现象产生，起镀层一般选用快速镍、中性镍或碱铜溶液。对刷镀层来说，良好的结合强度是保证其质量的重要参数之一。为了尽量提高镀层的结合性能，对不同的基体材料，必须选用不同的镀液才能达到目的。2.2 快速恢复尺寸原则 纳米颗粒镍基复合电刷镀液具有沉积速度快的特点，因此可以用来快速恢复尺寸。修复时最常用的电刷镀镀液是铜、镍、钴镍合金镀液，
4、这些溶液均具有沉积速度快的特点。静配合表面通常用铜来修补尺寸；滑动摩擦表面常用镍来增补尺寸。由于镍、钴镍合金镀层厚度超过0.1mm时，内应力增加，影响镀层质量，故不宜单独使用一种镀液连续镀积，而往往采用23种镀液交替刷镀，这样既能快速增补尺寸，又能保证镀层质量。因此在实际应用中，可以选用纳米颗粒复合电刷镀镀液与其它金属电刷镀镀液结合使用。2.3 减摩耐磨性原则 镀层的耐磨性和硬度有密切的关系，一般地说，硬度较高，耐磨性能也好。镉镀层硬度为HRC4045；镍镀层硬度为HRC3752；而镍-钨合金镀层硬度可达HRC50左右。而n-ZrO2/Ni纳米颗粒复合镀层硬度可达HRC55，n-Al2O3/N
5、i纳米颗粒复合镀层硬度可达HRC58。含有纳米Cu、纳米MoS2或纳米聚四氟乙烯颗粒的纳米颗粒复合电刷镀镀层均具有较低的摩擦系数。银和铟镀层是很好的减摩材料，它们具有低摩擦系数和不粘连的特点。针对各种镀液的特点，生产中可根据需要自行选定。2.4 低孔隙率原则 大多数电刷镀层都比同等厚度的槽镀层的孔隙率低，金镀层特别明显。快速镍、致密快镍、半光亮镍、碱铜等溶液的镀层孔隙率也很低，若用较低的工作电压刷镀，孔隙率则更低。纳米颗粒复合电刷镀镀层比同种金属电刷镀镀层的组织更致密，具有更低的孔隙率。2.5 抗高温性原则 纳米颗粒复合电刷镀镀层具有较高的工作温度。就n-Al2O3/Ni纳米颗粒镍基复合镀层而
6、言，其性能在400条件下，无明显下降。合金体系的纳米颗粒复合镀层工作温更高。就不含纳米颗粒的普通电刷镀镀液而言，高温镍专门用于在高温下工作的工件刷镀，镀层在650下仍能保持较高的硬度和结合强度。镍-钨D镀液也是一种抗高温氧化的好材料，但其镀厚能力较差。快速镍、半光亮镍、酸性镍溶液所得镀层在小于400场合下，仍有很好的机械性能。3工艺参数的选择 纳米颗粒复合电刷镀技术的影响因素很多，正确选择复合刷镀工艺参数是获得高质量复合镀层的关键因素。不同类型的电源设备、不同种类的镀液、不同的基体材料、不同的环境条件（主要是温度）、不同的纳米颗粒添加材料以及对复合电刷镀层性能的特殊要求都会影响纳米颗粒复合电刷
7、镀的工艺参数的选择。结合实践经验，下面主要针对刷镀电压、镀笔与工件相对运动速度、刷镀温度等纳米颗粒复合电刷镀技术的主要工艺参数来谈其选择原则。3.1 刷镀电压 这里的刷镀电压指刷镀工作层的电压，刷镀电压的高低，直接影响着镀液的沉积速度和镀层质量。当电压偏高时，刷镀电流密度相应提高，发热量也增大，从而使镀液温度升高，镀层表面很容易干燥，这种情况下，不仅镀液浪费大，阳极烧损严重，而且镀层容易粗糙发黑，甚至因过热而脱落。当电压偏低时，沉积速度太慢，而且也会使镀层质量下降。所以，为了提高刷镀效率同时保证得到高质量的镀层，应按每种镀液给定的电压范围规范使用。3.1 刷镀电压 例如，当工件被镀面积较小时，
8、工作电压宜低一些，被镀面积较大时，工作电压宜高一些；镀笔与工件相对运动速度较慢时，电压应低一些，反之，电压应高一些；刚开始刷镀时，若镀液与工件温度较低，则起镀电压应高些，然后可逐渐降低；对同一种镀液在相同的工艺条件下，整个镀积过程中的工作电压有时也要视情况不断调节。例如，用特殊镍打底层，开始先用18V高压冲击镀，以提高电流密度，促使多生核，细化镀层晶粒，510s后，降到正常工作电压12V。又如，用快速镍镀工作层时，开始选用最佳工作电压14V，待随着工件与镀液温度上升和镀层接近最终尺寸时，应把电压降到12V，以获得晶粒细密、表面光亮的镀层。3.2 镀笔与工件的相对运动速度 刷镀时，镀笔与工件之间
9、必须作相对运动，这是刷镀技术的一大特点。相对运动有以下作用：1.允许使用大电流密度，而不“烧焦”工件表面，提高沉积速度和生产效率。2.对溶液起搅拌作用，使溶液的浓度、电流密度在被镀表面上不断变化，克服浓差极化现象，使更多的金属离子有机会还原沉积。3.能机械地驱除工件表面上的气泡和其它杂质，有利于减少氢脆，提高镀层质量。4.造成晶粒断续生长的结晶过程，形成高密度位错，有利于细化晶粒、强化镀层，提高镀层的力学性能。5.使纳米颗粒随金属离子的沉积更加均匀。3.2 镀笔与工件的相对运动速度 相对运动速度太慢时，镀笔与工件接触部位发热量大，镀层易发黑，局部还原时间长，镀层生长太快，组织易粗糙。若镀液供给
10、不充分，还会造成局部离子贫乏，组织疏松。相对运动速度太快时，会降低电流效率和沉积速度，形成的镀层虽然致密，但应力太大易脱落。所以相对运动速度通常根据镀液种类选用812m/min。3.3 电刷镀的温度控制 (1)工件温度 在刷镀操作的整个过程中，工件的理想温度是1535，最低不能低于10，最高不易超过50。（2）镀液的温度 镀液的使用温度应保持在1550范围内，这不仅能使溶液本身的物化性能（如pH值、电导率、溶液成分、耗电系数、表面张力等）保持相对稳定，而且能使镀液的沉积速度、均镀能力和深镀能力及电流效率等始终处于最佳状态，并且所得到的镀层内应力小，结合性能好。3.3 电刷镀的温度控制（3）镀笔
11、温度 由于石墨阳极本身有一定的电阻，加上电极反应的热效应，时间长了就会使镀笔发热，温度升高。石墨阳极长时间在较高温度下使用，表面就会烧损和腐蚀，烧蚀下来的泥状石墨，附在阳极与包套之间，使电阻增大，从而使镀笔温度进一步升高。如此恶性循环，后果是镀积速度逐渐降低，镀液被污染，镀液中部分物质挥发，成分改变，这样就得不到高质量镀层。为了防止镀笔过热，在刷厚镀层时，应同时准备多支镀笔，轮换使用，并定时将镀笔放入冷镀液中浸泡，使温度降低。镀笔的散热器部位应保持清洁，上面的钝化层或锈蚀，都将影响散热效果，应及时清理干净。3.4 纳米电刷镀的工艺参数 工作电压 1014V 相对运动速度 610m/min 电源
12、极性 正接 镀液温度 15504.工艺规范的选择 纳米颗粒复合电刷镀镀层主要用作工作镀层，另外也可以用作尺寸镀层和夹心镀层。针对纳米颗粒复合电刷镀工艺，介绍其工艺规范的选择原则，其中电净、活化、镀底层等工艺规范与普通电刷镀技术工艺相同。尺寸镀层工艺规范的选择 夹心镀层工艺规范选择工作镀层工艺规范的选择4.1 尺寸镀层工艺规范的选择 对磨损较严重或加工超差比较大的零件，需要刷较厚的镀层才能恢复到标准尺寸。为了快速恢复零件的尺寸，在能满足零件技术要求的前提下，可选用沉积速度快的镀液作为快速恢复尺寸的材料。最常用金属电刷镀镀液有快速镍、碱铜、致密快镍、高速酸铜、高堆积碱铜、高堆积镍和碱镍等，纳米颗粒
13、复合电刷镀液有镍基纳米颗粒复合电刷镀液和铜基纳米颗粒复合电刷镀液。快速恢复尺寸镀层是在底层镀完后，镀工作层前进行。下面举例说明。4.1 尺寸镀层工艺规范的选择 例(1)在一个45钢件表面刷镀厚0.20mm的镀层，可镀特殊镍23m，再用铜基纳米颗粒复合电刷镀液镀0.10.12mm，最后用镍基纳米颗粒复合镀液镀到需要的尺寸。尺寸镀层也可以选用沉积速度快的金属镀液，如碱铜镀液和快速镍镀液等。例(2)某机床导轨，因使用不慎，表面被研伤，出现一条10050.51mm的沟。沟槽经整形、电净、活化等表面处理后，用快速镍镀23m厚的底层，再镀碱铜。由于沟槽较深，用碱铜填补到一定的厚度时，镀层会变粗糙，并在边缘
14、上出现毛刺，此时要用刮刀将粗糙物和毛刺刮掉，用砂纸打磨光滑后，再继续填补（继续填补前须 经 电 净 除 油），直 至 填 平。填 平 后，留 出 约0.060.08mm，最后用Ni/n-Al2O3纳米颗粒复合镀液、快速镍或镍钨（50）镀液镀至标准尺寸。4.2 夹心镀层工艺规范选择 每种刷镀层，都有一个比较安全的厚度（见下表）。所谓安全厚度就是指在保证镀层质量的前提下，一次所允许镀覆的厚度。当镀层厚度超过安全厚度时，镀层内应力就会增大，裂纹率增高，使镀层结合强度和抗拉强度下降。严重时还会引起自然脱落。所以，单一镀层的厚度必须加以限制。常用镀层的安全厚度镀层名称镀层安全厚度（m）镀层名称镀层安全厚
15、度（m）快速镍130铟100致密快镍130铬50碱铜130n-SiO2/Ni150高速铜200n-Al2O3/Ni150镍-钨合金70n-ZrO2/Ni1404.2 夹心镀层工艺规范选择 机械零件磨损表面需要恢复的尺寸往往高于单一镀层所允许的安全厚度值。为了改变单一厚镀层的应力状态，往往在尺寸镀层中间夹镀一层或几层其他性质的镀层，故称为夹心镀层。夹心层的主要作用是改变镀层的应力分布，防止应力向一个方向增加，以至大于镀层与基体的结合力而造成镀层的脱落。单一镀层的安全厚度与被镀面积的大小是有关系的，在较小面积上刷镀时，安全厚度值可稍大一些。例如一条深但窄的沟槽（尺寸为20031mm），可用一种镀液
16、一次完成而不用镀夹心层。常用作夹心层的镀液有低应力镍、快速镍、碱铜、特殊镍和碱镍等。夹心层的厚度一般不超过0.05mm。4.3 工作镀层工艺规范的选择 在工件上最后刷镀的，直接承受工作负荷的镀层称为工作层。选择工作层时，可从以下几方面考虑：.所选用的镀层应满足工件的工况要求；.与底层（或尺寸镀层）之间不会引起表面 接触腐蚀，并有良好的结合强度；.镀液沉积速度快。4.3 工作镀层工艺规范的选择 静配合表面一般选用快速镍、半光亮镍镀液。但是由于静配合表面在实际中往往存在微动磨损，因此，选用镍基纳米颗粒复合镀液效果更好。要求耐磨性能高的表面可用n-SiO2/Ni、n-Al2O3/Ni及n-TiO2/
17、Ni等镍基纳米复合镀液；要求减摩时可以选用铜基纳米颗粒复合镀液，也可以选用含有纳米Cu或纳米聚四氟乙烯颗粒的复合镀液，或者可以在纳米颗粒复合电刷镀层表面镀上一层0.0050.01mm的铟或锡。5常用金属材料的电刷镀工艺 纳米颗粒复合电刷镀技术所适用的工件材料体系与普通电刷镀技术基本相同，可以是各类钢（碳钢、不锈钢、模具钢等）、（铸）铁、铜、铝合金等导电的金属，还可以是陶瓷、塑料等非导电材料。但是，在非导电材料表面刷镀纳米复合刷镀层时，需首先对非导电材料表面进行金属化（导电）处理，在其表面施加一层导电膜，所采取的处理方法有多种，例如：喷涂法、化学镀法、烧渗法等。在采用纳米颗粒复合电刷镀技术时，工
18、件形状受限制小，只要镀笔可以到达的部位，就可以采用该技术进行表面强化和修复。可以说，纳米颗粒复合电刷镀技术的适用范围不受工件材料体系的限制。5常用金属材料的电刷镀工艺表3-3 不同工件材料体系表面的纳米颗粒复合电刷镀工序工件材料不锈钢低碳钢高碳钢铸钢铜合金铝合金纳米颗粒复合电刷镀工序表面准备表面准备表面准备表面准备表面准备表面准备电净电净电净电净电净电净2号活化液活化1好或2号活化液活化1号活化液活化1号活化液活化-2号活化液活化-3号活化液活化3号活化液活化3号活化液活化-特殊镍打底特殊镍打底特殊镍打底快速镍打底特殊镍打底中性镍或碱铜打底镀尺寸层镀尺寸层镀尺寸层镀尺寸层镀尺寸层镀尺寸层镀工作
19、层镀工作层镀工作层镀工作层镀工作层镀工作层后处理后处理后处理后处理后处理后处理5.1 低碳钢和普通低碳合金钢的工艺（1）表面修整 对待镀表面进行精加工、除油和除锈处理。（2）电 净 电极正接，815V，1030s，412m/min，电净时工件表面冒乳白小气泡为宜，电净后工件表面润湿良好，不挂水珠，没有干斑。（3）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的电净液。（4）活 化 采用1号活化液或2好活化液均可。1号活化液作用比较温和，正接或反接，814V，1060s，412m/min；2号活化液作用强烈而迅速，反接，612V，1030s，412m/min。活化后待镀表面呈均匀的银灰色，无花斑。（5）清
20、 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的活化液。5.1 低碳钢和普通低碳合金钢的工艺（6）镀打底层 如果工作层为铜，可用特殊镍或碱铜作底层。如果工作层要承受较大的压力载荷，可用特殊镍在工件上镀0.0010.002mm的底层。正接，812V，612m/min，30120s。（7）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的溶液。如果用特殊镍打底，工作层为快镍，就不必冲洗，可以直接施镀。（8）镀工作层 根据工作要求选择纳米颗粒复合电刷镀液，镀至所需厚度。当刷镀过程中出现边角效应或当镀层厚到结晶粗大时，可用砂纸或油石打磨，然后用1号或2号活化液反接电流处理，510s，然后再镀特殊镍和工作层。（9）镀后处理 用
21、自来水彻底清洗工件上残留溶液，用压缩空气吹干，涂上防锈液或防锈油。5.2 中碳钢、高碳钢及淬火钢的工艺（1）表面修整 对待镀表面进行精加工、除油和除锈处理。（2）电 净 电极正接，1015V，1560s，412m/min，这类材料对渗氢较敏感，为了减少渗氢，电净时间应尽量缩短。（3）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的电净液。（4）活 化 采用1号活化液或2号活化液均可（规范同低碳钢）。用2号活化液活化以后，待镀表面呈均匀的黑灰色。然后，再用3号活化液活化处理，反接，1518V，3090s，412m/min，活化后工件表面黑色全退去，重新成银灰色。（5）清 洗 用自来水彻底冲洗或漂洗，去除残
22、留的活化液。5.2 中碳钢、高碳钢及淬火钢的工艺（6）镀打底层 特殊镍作底层。正接，812V，612m/min，30120s。镀0.0010.002mm的底层。（7）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的溶液。如果用特殊镍打底，工作层为快镍，就不必冲洗，可以直接施镀。（8）镀工作层 根据工作要求选择工作镀层，镀至所需厚度。（9）镀后处理 用自来水彻底清洗工件上残留溶液，用压缩空气吹干，涂上防锈液或防锈油。5.3 不锈钢、高合金钢、镍、铬及其合金材料的工艺（1）表面修整 对待镀表面进行精加工、除油和除锈处理。（2）电 净 电极正接，1020V，2060s，412m/min，电净后工件表面润湿良好
23、，不挂水珠，没有干斑。（3）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的电净液。（4）活 化 2号活化液，反接，612V，1060s，412m/min，淡灰色；3号活化液，反接，1025V，3090s，412m/min。活化后待镀表面呈均匀的淡灰色。1号活化液，正接，912V，2060s，412m/min，淡灰色。（5）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的活化液。5.3 不锈钢、高合金钢、镍、铬及其合金材料的工艺（6）镀打底层 用特殊镍作底层。在工件上镀0.0010.002mm的底层。（7）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的溶液。如果用特殊镍打底，工作层为快镍，就不必冲洗，可以直接施镀。（8）
24、镀工作层 根据工作要求选择工作镀层，镀至所需厚度。（9）镀后处理 用自来水彻底清洗工件上残留溶液，用压缩空气吹干，涂上防锈液或防锈油。5.4 铜、黄铜的工艺（1）表面修整 对待镀表面进行精加工、除油和除锈处理。（2）电 净 电极正接，812V，1030s，412m/min。（3）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的电净液。（5）镀打底层 用特殊镍作底层。在工件上镀0.0010.002mm的底层。正接，812V，612m/min，30120s。（6）清 洗 用自来水冲洗或漂洗，去除残留的溶液。如果用特殊镍打底，工作层为快镍，就不必冲洗，可以直接施镀。（7）镀工作层 根据工作要求选择工作镀层，镀至所需厚度。（9）镀后处理 用自来水彻底清洗工件上残留溶液，用压缩空气吹干，涂上防锈液或防锈油。授课完毕谢谢大家！
