CN1044961A

CN1044961A - 摩擦电喷镀装置和工艺方法

Info

Publication number: CN1044961A
Application number: CN 89108586
Authority: CN
Inventors: 梁志杰
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1990-08-29
Anticipated expiration: 2004-11-20
Also published as: CN1025795C

Abstract

一种摩擦电喷镀装置和工艺方法，它将金属镀层的电沉积与机械加工同步进行，包括一套专用装置，和特殊工艺方法，装置由阳极、摩擦件、阴极、镀液供送装置与回收装置组成，特殊工艺是，大电流密度，阴极与阳极之间保持固定间距，边电镀边摩擦等电沉积速度是刷镀的5-10倍，镀层组织致密，其硬度、结合强度、内应力等项指标均满足要求。适用于机械、电子、车辆、建筑、冶金等领域的零部件维修和强化。

Description

本发明涉及一种用电极，以电流高度集中的作用，结合特殊镀液在金属上加工或镀覆的装置及工艺方法。摩擦电喷镀技术可用于机械、电子、船舶、建筑、航空等领域中尤其是机械零件磨损尺寸或加工超差尺寸较大的零件修复领域。

在机械设备零部件的维修领域里，有堆焊、热喷涂焊、等离子喷涂、普通电镀、刷镀等。堆焊用于维修易产生变形，机加工困难，成本高。若用刷镀工艺劳动强度大，喷涂工艺生产率高，但是喷涂层的结合强度低，喷涂后需磨削加工，整个修复周期和成本都比刷镀高。

本发明的目的就是在总结刷镀技术特点基础上，提出一种金属镀层的电沉积与机械摩擦加工同时进行的新技术，它在技术上更先进，工艺方便、高效，能够提高镀层的机械性能，镀层的组织致密、晶粒细化。克服了刷镀技术劳动强度大，消耗阳极，包裹材料，镀液浪费多的缺点。

发明是这样实现的：一种摩擦电喷镀装置和工艺方法，它将金属镀层的电沉积与机械摩擦加工同步进行，包括一套专用装置，如摩擦电喷镀电源、摩擦电喷镀装置，专用的高浓度镀液，以及特殊的工艺方法。摩擦电喷镀装置由阳极、摩擦件、镀液供送装置镀液回收装置组成，被镀工件安放在自动旋转的转台上，摩擦件固定于阳极上，阳极面板分布多个喷液孔，将被镀工件接喷镀电源的负极，阳极接喷镀电源的正极，打开电源被镀工件（阴极）随着转台自动旋转，通过镀液供送装置输送清洗液或镀液，经喷液孔喷镀工件的表面，与此同时，固定在阳极上的摩擦件与被镀工件表面直接接触，其接触面与被镀工件表面吻合，在电沉积的同时，摩擦件对镀层实现机械摩擦。实现上述技术的工艺要求和主要参数为：阳极与阴极间保持固定间距为0.7-2mm，阴极与阳极之间无任何接触并有相对运动，摩擦件以4-20米/分的相对运动速度在阴极表面滑动，镀液供送装置将4-10升/分钟流量的镀液高速连续喷射在阳极与被镀工件（阴极）之间，工作电压为8-25V，电流密度为70A/dm²-600A/dm²。摩擦电喷镀的表面预处理中，包括电净除油、水冲洗、2号活化液电解除锈、水冲洗，3号活化液电解除锈并去除杂质、水冲洗、特殊镍喷镀底层，水冲洗，高浓度镀液喷镀需要的镀层。

喷镀装置的阳极通过紧固螺丝固定摩擦件，摩擦件由绝缘材料制成，其表面按照被镀工件表面仿形制造，与被镀工件表面接触滑动。阳极面板上有多个喷液孔，孔径φ1-3mm，孔距为3-10mm，喷液射线与被镀工件的表面交角为20°-90°。输液供送装置包括输液泵，输液管，阳极的注液嘴通过输液管接通输液泵，输液泵另端连接回收装置储液槽，其上装过滤网。

槽，其上装过滤网。

本发明具有下述特点：

1.摩擦电喷镀装置阳极和阴极之间有一定间距，无任何接触，并有相对运动，故允许使用更高的电流密度，最大可达600-700A/dm²。

2.配有各种不同型号和形状的阳极，阳极表面不用任何材料包裹。

3.使用专门研制的摩擦电喷镀电源装置，体积小，功率大。

4.使用专用的高浓度镀液，沉积速度是刷镀的5-10倍。

5.在摩擦电喷镀装置中设摩擦件，在电沉积过程中，摩擦件对被镀工件同步进行机械摩擦。起到去除表面浮层和粗糙物并细化晶粒的作用。

6.镀液供送装置能够实现镀液自动循环，连续供送，流量任意可调。

7.镀液以一定压力和流速喷射到阴极、阳极之间。

8.在整个喷镀过程中做到镀液成分、PH值、比重等物化特性的相对稳定。

9.生产效率高，修复机械零件周期短，费用低。

图1：摩擦电喷镀装置示意图

图2：镀笔工作状态图

图3：阳极正视图

现结合附图进一步叙述本发明：

参见图1，被镀工件8接电源1的负极，阳极4接电源正极，摩擦件5固定在阳极4上，镀液供送装置6包括输液泵14，输液管15，阳极的注液嘴12通过输液管15接通输液泵14其流量由流量计18，通过调节开关17调节。输液泵14另端连接回收装置储液槽7，其上装过滤网16，回液管22安装在回液盘21的底部。接通喷镀电源1以后，打开控制开关17，输液泵14开始工作，镀液3通过控制开关17、流量计18、输液管15、注液嘴12经喷液孔10向被镀工件8表面喷射镀液。与此同时，固定在阳极4上的摩擦件5对被镀工件8进行机械摩擦。由回液盘21回收喷镀后的镀液，经由回液管22流入储液槽7，在储液槽上部安装过滤网16清除镀液中的杂质。

参见图2：镀笔包括电缆插孔23接电源1的正极，正极电流通过导电杆24通向阳极4，导电杆24的外部包裹手柄25、散热器26、密封垫27，用紧固螺丝28固定摩擦块5，镀液注液嘴12设于阳极4的一侧。阳极4一般由不锈钢材料做成，起导电作用，可根据被镀工件需要设计成各种型式，阳极4上还有许多小孔，作为镀液喷射输出孔。另外，作为喷镀内、外圆形工件的阳极，同时还是摩擦器体，用来固定摩擦件5，对于平板型阳极，有时极板与板体是分开的。摩擦件5一般选用天然玉石、玛瑙石等材料制作，将加工成形的摩擦件5固定在阳极上，与被镀工件表面接触滑动，散热器26一般用散热性好、导电性高、有一定耐腐蚀能力的防锈金属制成，导电杆起导电连接作用，宜选用导电性强、强度高的黄铜。固定摩擦件5的紧固螺丝要用表面镀铬的标准件，以便更换和防腐蚀。

摩擦件是与阴极表面直接接触的绝缘体，其作用有三个：一是固定和调节阴阳极间距;二是对阴极表面产生机械摩擦;三是隔离阴阳极，起到绝缘防止短路的作用。摩擦件与阴极的接触面要与阴极表面相吻合，在镀前加工成圆弧形或平面形状等。

参见图3：阳极4的正视图，注液嘴12的位置根据被镀工件需要设于阳极上方或与导电杆24的中腔相连，阳极面板形状与被镀工件表面形状吻合，多个喷液孔10分布于阳极面板上，它的安装角度要使镀液射线与被镀工件表面的交角为20°-90°，以便喷出的镀液有一定的压力和喷射速度，还要便于转台旋转轴9将镀液沿轴表面带走。阳极板上镀液喷液孔孔径φ1-3mm，孔距为：3-10mm。

摩擦电喷镀镀液和清洗剂包括：

电净除油液，其配方为：氢氧化钠20-30g/l;磷酸三钠40-60g/l，碳酸钠20-25g/l，氯化钠2-3g/l;2^＃活化液的配方为：盐酸（含HCl36-38%）20-30g/l，氯化钠130-150g/l及少量添加剂;3^＃活化液配方为：柠檬酸三钠130-150g/l，柠檬酸90-100g/l，氯化镍2-4g/l及少量添加剂;特殊镍镀液的配方为：硫酸镍396g/l，氯化镍15g/l，盐酸21g/l，羧酸69g/l;高浓度镍镀液的配方为：硫酸镍280-380g/l，柠檬酸铵200-300g/l，甲酸铵20-70g/l，磷酸钠5-30g/l，氨水100-250ml/l及少量添加剂。高浓度镍镀液的PH值为7.6

摩擦电喷镀的工艺过程为：

1、镀前准备：喷镀电源60A-200A 1台

喷镀转台或车床1台

摩擦电喷镀用镀笔2-3支

镀液供送装置 1套

电净液、2^＃活化液、3^＃活化液、特殊镍镀液、高浓度镀液各若干升丙酮、脱脂棉、棉纱、自来水适量。

2、喷镀工艺过程：

（1）将被镀工件8夹持在转台的旋转轴上，用丙酮擦试被镀工件8表面及邻近部位除去油污，遮蔽邻近的非镀表面;

（2）开启转台9的电源，使被镀工件8转动，转动的相对速度为6-8米/分，打开喷镀电源开关1，被镀工件8接电源负极，调节工作电压为10-12伏，用电净液电解除油;

（3）水冲洗

（4）用2^＃活化液电解刻蚀，除去表面氧化膜及疲劳层，被镀工件接电源正极，相对速度6-8米/分，工作电压6-12伏。

（5）水冲洗

（6）用3^＃活化液活化，除去表面碳黑层及杂质，被镀工件接电源正极，相对速度6-8米/分，工作电压18-25伏。

（7）水冲洗

（8）被镀工件接电源负极，相对速度6-10米/分，用特殊镍镀底层，首先无电擦试表面，再通电用18伏高压冲镀，然后降至12伏，镀层厚3-5微米;

（9）水冲洗

（10）根据需要，选择合适的功能镀液（如高浓度镍）用摩擦电喷镀装置2喷镀功能镀层。首先调整电压和阴、阳极之间的间距，开启输液泵14，调节好镀液流量进行喷镀。

（11）喷镀至需要的镀层厚度以后，用水冲洗，擦干后涂油或涂保护剂。

摩擦电喷镀技术的检测内容包括：

1、镀层的外观质量检查是用肉眼或4-5倍体视显微镜观查镀层表面的颜色、粗糙度等状况

2、硬度测定

3、镀层内应力测定

4、镀层金相组织测定

通过试验观察和对试验结果的分析，找出影响镀层质量和沉积速度的因素，确定出摩擦电喷镀的最佳工艺参数如表一。

表一四种镀液工艺性能试验结果

工艺参数电电电流相对运动阴阳极沉积

参数值压流密度速度间距速度

镀液（V）（A）（A/dm²) (m/min) (mm) (μm/min)

高 8 15-26 100.2-183.9 12 1-2 12-28

浓 10 30-40 212.2-283 12 1-2 26-40

度 12 45-50 318.4-353.7 12 1-2 50-74

镍

高 8 15-25 106.2-176.9 12 1-2 12-24

浓 10 25-30 176.9-212.2 12 1-2 18－30

度 12 35-45 247.6-318.4 12 1-2 24－48

铜

（续表一）

碱 8 15-25 106.1-176.9 12 1-2 16-30

10 20-35 141.5-247.6 12 1-2 24-50

铜 12 30-45 212.2-318.4 12 1-2 50-60

镍 8 15 106.1 12 1-2 10-12

--(50) 10 15 106.1 12 1-2 10-12

钨 12 15 106.1 12 1-2 10-15

由此可见，影响镀层沉积速度和质量的主要因素是电流密度，而电流密度对下述因素敏感：

电压-喷镀过程中，当阴阳极间距固定，相对运动速度和摩擦件对被镀工件表面的压力一定时，工作电压不变，电流密度也基本保持稳定。

阴阳极间距-调整摩擦件5可以改变阴阳极之间的距离，而这一距离的改变，会明显改变电流密度的大小，经过试验证实最佳阴阳极间距为0.7-2mm。

相对运动速度-这种工艺要求使用高浓度溶液，大电流密度，沉积速度快，因此阴阳极相对运动速度也应加快。同时，镀液供送应保证足够流量。

摩擦件压力-当阴阳极间距固定后，摩擦件对被工件表面压力的改变不会引起电流密度在较大范围内变动，但摩擦件压力的大小，对镀层表面质量影响很大。

镀液温度-镀液温度升高使导电性提高，粘度降低，镀液的均镀能力和深镀能力增强，适当温度是25℃-60℃。

镀液流量-要保证镀液能自动循环，连续供送，流量可调，并以喷射的方式进行。由于摩擦喷镀的高电流密度，必须有足量的镀液，以保证有足够的金属离子沉积，同时足够的流量，有利于浓差极化的消除，热量的散发，使镀液在整个喷镀过程中，保持pH值、比重和温度的相对稳定。

现结合实施例进一步叙述本发明

实施例1：一根轴材料45^＃钢，φ40×700，增大尺寸到φ40.20，考虑到镀后磨加工要有磨削余量，因此喷镀尺寸为40.40，具体工艺如下：

1、丙酮擦试被镀工件表面

2、用电净液电解除油，被镀工件8接电源负极，电压12伏，相对运动速度6米/分。

3、水洗

4、用2^＃活化液活化被镀面，电压10伏，相对运动速度6米/分，电源极性为反极性

5、用3^＃活化液去除工件表面杂质，进一步活化工件表面。电压18伏，相对运动速度6米/分，电源极性为反极性。

6、水洗

7、用特殊镍镀底层，被镀工件接电源负极，相对运动速度6米/分，先无电擦试表面，再通电13伏冲镀，然后降至12伏镀3-5微米。

8、水冲洗

9、用高浓度镍喷镀工作层，被镀工件接电源负极，相对运动速度16米/分，电压10伏，镀层单边厚度0.20mm。

10、水洗、擦干表面

11、磨削加工至需要尺寸

实施例2

水泥机械上的一根轴，滑动摩擦部位经长期使用磨损后尺寸为φ59.80，表面还有划伤的槽沟，沟深约0.1-0.2mm，要求恢复到φ60的公称尺寸，表面层硬度要求达到HRC45，耐磨性要高，轴的基体材料为45^＃中碳钢，采用了摩擦电喷镀技术，加工工序与实施例1相同，但使用了不同的工艺参数，简述如下：电净液电解除油电压12伏，相对运动速度8米/分2^＃活化液活化电压10伏，相对运动速度8米/分;3^＃活化液活化，电压20伏，相对运动速度8米/分;特殊镍镀液镀底层，电压18伏后降至12伏，镀3-5微米，相对运动速度8米/分用碱铜镀液喷镀底层，电压12伏，相对运动速度14米/分，镀层单边厚度0.15mm，时间6分钟;用快速镀液喷镀功能层，电压10伏，相对运动速度14米/分，镀层单边厚0.15mm。

实施例3：日本产起重机液压泵体，铝合金材料，修复部位为二个直径为φ80的半圆孔，偏磨后最大一个半圆孔尺寸为φ80.81。工艺过程同前，对于磨损严重的工件，镀层厚度大于0.2mm时，用碱铜或高浓度铜镀功能层时，电压8-14伏，电流密度200-400A/dm²，相对运动速度10-20米/分，摩擦件压强0.4-0.8公斤·力/厘米²。

通过试验，得到五种镀液工艺参数最佳范围如表二：

表二五种镀液工艺参数最佳范围

镀液名称电压电流密度阴阳极间相对速度流量磨擦件压强

V A/dm²距mm m/min l/min Kgf/cm²

高浓度镍 10-15 300-500 0.8-1.5 10-18 4-6 0.3-0.6

快速镍 10-15 300-500 0.8-1.5 10-18 4-6 0.3-0.6

（续表二）

高浓度铜 8-12 200-400 0.8-1.5 12-20 4-6 0.4-0.8

碱铜 8-14 200-400 0.8-1.5 10-18 4-6 0.4-0.8

镍－钨 8-12 150-300 0.8-1.5 10-16 4-6 0.3-0.6

Claims

1、一种摩擦电喷镀装置和工艺方法，它将金属镀层的电沉积与机械摩擦加工同步进行，包括一套专用装置，如摩擦电喷镀电源1、摩擦电喷镀装置2、专用的高浓度电镀液3、以及特殊的工艺方法，其特征是：

A.摩擦电喷镀装置由阳极4、摩擦件5、镀液供送装置6、镀液回收装置7组成，被镀工件8安放在自动旋转的转台9上，摩擦件5固定于阳极4上，阳极4面板分布多个喷液孔10；

B.将被镀工件8接喷镀电源1的负极，阳极4接喷镀电源1的正极，打开电源，被镀工件8(阴极)随着转台9自动旋转，通过镀液供送装置6输送清洗液或镀液，经喷液孔10喷镀工件8的表面；与此同时，固定在阳极4上的摩擦件5与被镀工件8表面直接接触，其接触面与被镀工件8的表面吻合，在电沉积的同时，摩擦件5对镀层实现机械摩擦。

2、按权利要求1所述的摩擦电喷镀装置和工艺方法，其特征是：实现上述技术的工艺要求和主要参数为：阳极4与阴极8保持固定间距为0.7-2mm，阳极与阴极之间无任何接触并有相对运动，摩擦件5以4-20米/分的相对运动速度在阴极表面滑动，镀液供送装置6将4-10升/分流量的电镀液高速连续喷射在阳极4与被镀工件8（阴极）之间，其工作电压为8-25V，电流密度为70-600A/dm²。

3、按权利要求1或2所述的摩擦电喷镀装置和工艺方法，其特征是：摩擦电喷镀表面预处理中，包括电净除油、水冲洗、2号活化液电解除锈、水冲洗、3号活化液电解除锈并去除杂质、水冲洗、特殊镍喷镀底层、水冲洗、高浓度镀液喷镀需要的镀层。

4、按权利要求1所述的摩擦电喷镀装置和工艺方法，其特征是：喷镀装置的阳极4通过紧固螺丝11固定摩擦件5，摩擦件5由绝缘材料制成，其表面按照被镀工件8表面仿形制造，与被镀工件8表面接触滑动，阳极4面板上有多个喷液孔10，孔径φ1-3mm，孔距为3-10mm，喷液射线与被镀工件8的表面交角为20°-90°。

5、按权利要求1所述的摩擦电喷镀装置和工艺方法，其特征是：输液供送装置6包括输液泵14，输液管15，阳极4的注液嘴12通过输液管15接通输液泵14，输液泵14另端连接回收装置贮液槽7，其上装过滤网16。