6-3第三节电镀工艺

第三节电镀工艺电镀工艺是利用电解原理在金属或非金属零件表面上镀覆一层金属的过程。它是一种修复工艺，也是一种强化工艺。可以修复磨损严重的零件使之恢复原设计尺寸和改善零件工作表面的性能，如提高耐磨性、耐蚀性等。电镀工艺广泛应用于修船，例如活塞环槽、缸套镀铬、曲轴镀铁等。近年来电刷镀，即无槽电镀的应用进一步扩大了电镀工艺在修船领域中的应用。一、电镀1．电镀工艺电镀分为有槽电镀和无槽电镀——电刷镀。有槽电镀是以被镀零件作为阴极，欲镀金属作为阳极，并使阳极的形状符合零件待镀表面的形状。电镀槽一般采用不溶金属或非金属，如铅、铅锑合金、塑料等。电解液是所镀金属离子的盐溶液。电镀使用直流电源。电镀时，阳极金属失去电子变为离子溶于电解液中，即发生氧化反应；阴极附近的离子获得电子而沉积于零件表面，即发生还原反应。根据电镀质量、镀层厚度等的不同，电镀时所选用的电流密度、电解液的温度、电镀时间等工艺参数不同。严格控制电镀工艺参数是获得优良镀层的关键。目前船机零件常选用镀铬和镀铁来修复或强化零件工作表面。2．镀铬镀铬时,零件作为阴极，采用铅锑合金作阳极，用铬酐(CrO3)和和硫酸(H2SO4)制成电解液盛于电镀槽中进行电镀。1)镀铬工艺(l)镀前准备工作首先机械加工零件被镀工作表面，使其具有正确的几何形状和一定的尺寸；清洁被镀表面(除油脂和污物)，以提高镀层与零件表面的结合强度；将不镀表面包扎上绝缘材料。(2)配制电解液使其工作温度保持在55-65℃之间。(3)镀铬根据要求的铬层性质和厚度选用电镀工艺参数进行电镀。(4)镀后的热处理对于较重要的零件，当镀铬层厚度超过0.1mm时应进行驱氢热处理，清除内应力以提高镀铬层的韧性和与零件表面的结合强度。(5)镀铬表面的机械加工一般采用磨削加工来达到要求的尺寸和几何形状精度。2)镀铬工艺的特点(1)镀铬是在低温55～65℃范围内进行的，对零件材料的组织和性能(包括热处理状态)无任何影响，不会产生变形、开裂等缺陷。(2)镀铬层与零件基体金属的结合强度高，甚至超过本身晶间结合强度，这与零件镀前准备工作质量密切相关。(3)镀铬层的硬度和强度高。铬层的硬度一般可达HV400～1200，加热到300～500℃时铬层硬度几乎不变。铬层的强度随其厚度变化，镀层越薄强度越高，镀层厚度为0.lmm时，σb=500～600MPa，当铬层厚度增至0.5mm时σb=160～300MPa。这是由于镀铬过程中晶体组织转化和氢气渗入使铬层产生很大内应力，使脆性增加，并随厚度增加而增大。(4)镀铬层具有很高的化学稳定性，在大气中能够长时间保持光泽。(5)铬层的硬度高，摩擦系数小，具有较高的耐磨性，可使零件的耐磨性提高2～50倍。(6)铬层的允许厚度一般为0.1～0.25mm，一般控制在0.5mm以内。(7)铬的沉积速度较低，生产率低而成本高。镀铬过程中有大量气体逸出，带出铬酸，危害人体皮肤、眼睛和呼吸道，所以镀铬车间必须通风良好。3)耐磨镀铬层的种类耐磨镀铬层是用于提高零件表面耐磨性，延长使用寿命和用于修复磨损、腐蚀的零件。按铬层结构分为两种：(1)硬质镀铬层铬层硬度高，耐磨性好，具有一定的韧性。改变电镀工艺参数可获得三种不同镀铬层，灰色(无光泽)镀铬层、光泽镀铬层和乳白色镀铬层。其工艺参数和镀铬层性能如表6-3所示。6-3各种硬质镀铬层工艺参数和性能种类工艺条件镀铬层性能灰色镀铬层电解液温度低（35～40º），电流密度较高硬度高（HV1200）、脆性大、结晶组织细小，有较少的网、状裂纹，表面光亮光泽镀铬层电解液温度和电流密度均为中等硬度较高（HV800-1200）、脆性小、结晶组织细小，有较少的网、状裂纹，表面光亮乳白色镀铬层电解液温度较高（65º），电流密度较低硬度低（HV400-700）、韧性较好、裂纹很少或没有，化学稳定性较高，能承受较大变形，表面呈乳白色硬质镀铬层适用于润滑条件较好，承受负荷不大的零件表面。新造零件镀层厚度一般在0.15～0.25mm之间，修复零件镀层厚度一般不超过0.5mm。硬质镀铬广泛应用于修船中,如修复柴油机、压缩机的曲轴和高压油泵柱塞等。一般仅对配合件之一镀铬。(2)松孔镀铬层铬层表面呈网状沟纹或多孔状，能够贮存润滑油。当零件工作时，如果供油不足，润滑油会从零件表面镀层孔隙中流出分布在工作表面各处，从而改善润滑条件，降低零件的磨损。松孔镀铬层的耐磨性取决于网纹的密度、深度和宽度。网纹的形成方法有：机械松孔法，即预先在被镀表面上用机械方法(如铣削、喷丸或滚压)形成小孔或凹坑，然后再镀铬；周期换向松孔法，是镀铬过程中每镀15min后将阴、阳极进行短时间交换，实施阴极处理后再继续镀铬。松孔镀铬层适用于润滑不良、承受较大负荷的零件。一般用来提高这种工作条件下零件的耐磨性。柴油机气缸套松孔镀铬层厚度一般为0.15～0.25mm，活塞环为0.10～0.15mm。表6-4和表6-5分别为气缸套和活塞环松孔镀铬层厚度选择。表6-4气缸套松孔镀铬层厚度选择气缸直径铬层总厚度（mm）柴油机转速500r/min柴油机转速≤500r/min≤1000.30100-2000.30-0.400.35-0.45200-3000.40-0.500.45-0.55300-4000.50-0.600.55-0.65400-5000.65-0.75500-6000.75-0.85注：铬层总厚度为气缸直径方向上铬层厚度之和。表6-5活塞环松孔镀铬层厚度选择活塞环直径（mm）单面铬层厚度（mm）铬层径向偏差（mm）45-900.10-0.14≤0.0490-1850.14-0.18≤0.04185-3500.18-0.25≤0.043.镀铁目前生产中广泛采用不对称交直流低温镀铁工艺。它是在常温的氯化亚铁水溶液中，以工业纯铁或低碳钢板作阳极，零件为阴极，依次通过不对称交流电起镀、不对称交流电过渡镀和直流电镀，使零件表面上牢固地沉积一层高硬度镀铁层的工艺。一般工业用交流电为正弦波交流电，是由两个相等相反的半波组成。电镀时采用此种交流电，一个半波使零件呈阴极极性沉积镀层，另一半波则使零件呈阴极极性把镀层(甚至基体)电解除掉。因此对称交流电不能进行电镀。不对称交流电是使两个半波不等，较大半波进行电镀获得镀层，较小半波电解镀层，沉积的镀层总比电解掉的多。所以，在开始镀前l0～20min内，采用不对称交流电起镀，可以使镀层晶粒细小均匀，表面较平滑，内应力较相同电流密度下的直流电镀层小，结合强度也较直流电镀层高得多。结合强度可达450MPa，镀层不易脱落。起镀时应满足J有效和β为一定值的条件。正、负半波电流密度之差，称为有效电流密度J有效，即J有效=J正-J负式中：J正----正半波电流密度，A/dm²；J负----负半波电流密度，A/dm²。正、负半波电流密度之比称为不对称比β，即β=J正/J负当lβ≤1.3时，获得较小内应力的镀层；β增加达6～8时，镀层的内应力和硬度均增大；当β8时，镀层的硬度不再增加。起镀时，β=1.3，均匀改变β值，4～5min内增至8，再镀5～l0min，使应力与硬度均匀增加，以防内应力骤然增加造成镀层内脱层。这一阶段为过渡镀，为直流电镀作准备。过渡镀后，在不断电的情况下把交流电转为直流电进行电镀。最后进行热处理和机械加工等镀后处理。1)镀铁的工艺特点(1)电解液温度低，通常是在20～40℃起镀，对零件材料的组织、性能无影响，也不会产生变形和裂纹等缺陷；(2)铁镀层与基体的结合强度高，可达450MPa；(3)铁镀层的硬度高，耐磨性好，最高硬度可达HRC63-65；(4)沉积速度快，约0.60～1.00mm/h，生产率高，镀铁的镀厚能力强，镀层厚度可达2mm以上；(5)电流效率高，可达90%以上，耗电少；(6)电解液容易配制，成本低，有害气体少，对环境污染小。2)无刻蚀低温镀铁在低温镀铁工艺中需要进行阳极刻蚀处理，即零件镀铁前，以铅板作阴极、零件作阳极，在30%的工业硫酸电解液中通以直流电，电解处理零件被镀表面。其目的是采用电解方法除去零件表面的氧化膜并生成钝化膜，保护纯净的零件表面在空气中不被氧化。刻蚀处理后立即冲洗零件表面残酸，但这不仅污染环境，若残酸带入电镀液中还会降低镀铁质量。近年来，为了克服阳极刻蚀处理的缺点和简化工艺，出现了无刻蚀镀铁新工艺，使镀铁工艺有了新发展。无刻蚀镀铁工艺是以Fe++为主，在经过电化学活化处理呈现微融活化态的钢铁零件表面上沉积，形成金属键结合与微晶结构的高强度的镀铁层。无刻蚀镀铁工艺过程是：零件在镀前的表面活化处理基采用盐酸水浸洗的方法，腐蚀除去零件待镀表面的氧化膜，中和去除碱性水膜，形成酸性水膜。然后将零件放人电镀糟中，先进行对称交流电活化处理，再进行不对称交流电起镀和过渡镀等。与刻蚀镀铁相比较，无刻蚀镀铁工艺省去了硫酸阴极刻蚀处理，减少了工序，简化了工艺，减省了设备和降低了污染，从而保证了镀铁的质量和降低了成本。无刻蚀镀铁的镀层结合强度高、耐磨性更好，质量隐定可靠，成品率高。目前，无刻蚀镀铁己广泛应用，尤其在修复磨损失效的柴油机曲轴方面成果显著，修复曲轴长度可达4m以上，使大批报废曲轴重新投入使用，节省了大量经费。此外，镀铁还用于修复其他磨损、腐蚀的零件，如精密偶件、缸套等。二、电刷镀电刷镀又称快速电镀、涂镀，是一种无电镀槽的快速电镀工艺。它始于20世纪50年代美国的一种修复电镀废品的镀覆技术，70年代广泛用于飞机、船舶、机车、电子、机械、化工乃至文物修补和艺术装饰上。1．电刷镀原理电刷镀也是基于电解原理在零件工作表面上快速沉积金属形成镀层的工艺。刷镀不需电镀槽，只需将零件与直流电源的负极相接，镀笔与正极相接。刷镀时，将蘸满电镀液的镀笔在零件表面上移动，即用镀笔涂刷零件工作表面。在电场作用下，电镀液中的金属离子向零件表面迁移，并从表面获得电子后沉积其上形成镀层。所以，电刷镀是一种设备和工艺大为简化的电镀，如图6-3所示。2．电刷键工艺1)设备与电镀溶液电刷镀的主要设备是专用电源，采用无级调节电压的直流电源；常用电压范围为0～50V。镀笔是电刷镀的主要工具，是由手柄和阳极组成的。阳极为镀笔的工作部分，石墨和铂铱合金是理想的不溶性阳极材料，其中石墨应用最多，只有在修复划伤、小沟槽及狭窄的棱面时，由于阳极尺寸极小才用铂铱合金阳极。采用石墨阳极时在其外部包扎脱脂棉包套，目的是为了吸附和贮存电镀液，防止两极直接接触产生电弧烧伤零件表面和防止石墨粒子脱落污染电镀液。石墨阳极的形状依被镀零件表面形状而定。电镀溶液是获得优质镀层和高生产率的关键。根据用途不同有以下三种溶液：(l)表面预处理溶液为了提高镀层与零件基体的结合强度，不仅用一般的方法清洁零件表面，还必须进行严格的电化学处理，即进行电净处理和活化处理，因此须使用电净液和活化液。电净液：在电净液中用电解的方法清除零件表面上的油膜和杂质污物称为电净处理。电净液为无色透明的碱性溶液，—l0℃不结冰，腐蚀性小，可长期存放。零件经电净处理后用清水冲洗。活化液：在活化液中用电解的方法除去零件金属表面的氧化膜称为活化处理。处理后零件表面露出金属光泽，有利于镀层与其结合牢固。活化液是无色透明的酸性溶液，腐蚀性小，可长期存放，循环使用。(2)电刷镀溶液电刷镀溶液是在被镀零件表面上沉积镀层金属的溶液，其金属离子含量高，并以有机络合物形式存在，所以稳定。电刷镀溶液一般分为酸性和碱性两大类。酸性溶液较碱性溶液的离子沉积速度快1.5～3倍，但绝大多数酸性溶液不适于材质疏松的金属材料，如铸铁，也不适用于不耐酸腐蚀的材料，如锡、锌等。碱性和中性溶液有很好的使用性，可获得细小晶粒的镀层，在边角、狭缝和盲孔等处有很好的均镀能力，无腐蚀性，通常在各种材料零件上镀覆。2)电刷镀工艺(1)零件表面的准备零件表面的预处理是保证镀层与零件表面结合强度的关键工序。零件表面应光滑平整，无油污、无锈斑和氧化膜等。为此先用钢丝刷、丙酮清洁，然后进行电净处理和活化处理。(2)打底层(过渡层)为了进一步提高工作镀层与零件金属基体的结合力，选用特殊镍,碱铜等作为底层，厚度一般为2