纳米电刷镀技术

纳米复合电刷镀技术装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室讲课人：胡振峰装备再制造关键技术系列讲座之主要内容一、概述二、纳米复合电刷镀技术原理三、纳米复合电刷镀技术特点与应用范围四、纳米复合电刷镀设备五、纳米复合电刷镀溶液六、纳米复合电刷镀工艺七、纳米复合电刷镀应用实例一、概述

1.电刷镀技术

电刷镀最初是电镀工人用来修补槽镀零件缺陷的一种方法。它是用一块棉花将阳极包裹起来，蘸上槽镀液，在工件缺陷处擦抹。而现在的刷镀技术已经发展成为一项独特的新技术。这项技术设备简单，操作方便；镀液种类多，镀积速度快，应用范围广；镀层与基体的结合强度高；镀后工件不变形，一般不需要机械加工。所以不仅能用于零件的维修，而且能用于零件的表面强化、防腐和装饰。已经在武器装备、车辆工程、航空、机械、电子、建筑、船舶、石油等各行各业中被广泛地应用。

电刷镀是80年代初发展起来的一项表面技术，是国家六五、七五、八五计划期间重点推广的项目之一，累计为国家创造三十二亿元的经济效益，该技术曾获国家科技进步一等奖。军委副主席刘华清题词电刷镀技术荣获国家科技进步一等奖2.纳米技术

（1）纳米是一长度单位，1米进行10亿等分，就是1纳米；或1毫米100万等分，也是1纳米。

1纳米等于10－9米。

1纳米相当于：

(1)10个氢原子排起来的长度；

(2)头发丝的万分之一；

(3)一个纳米球与篮球的大小比较。2.纳米技术

（2）纳米材料——在三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的固相材料。零维粒子直径1-100nm一维棒、线或管的直径1-100nm二维膜厚度为1-100nm三维纳米材料加压烧结

纳米材料具有小尺寸效应、量子效应、表面与界面效应，在力、电、声、光、热、磁性能上表现出许多奇异性。如：纳米Fe断裂强度比普通Fe高12倍；纳米碳管的密度仅为钢的1/6，但其强度比钢高100倍；纳米Cu具有超塑延展性，在室温下可拉长100多倍而不出现裂纹；2nm的Au熔点为3300C，比体相Au的熔点低7000C以上；纳米Ag的熔点竟低至1000C；W颗粒中加入0.1-0.5%的纳米Ni可使烧结温度降低近20000C；纳米TiO2

陶瓷材料在室温下具有优良的韧性,在180℃经受弯曲而不产生裂纹；半导体Si

，在通常情况下发光很弱，但小于等于5nm纳米的Si却能发射很强的可见光。3.纳米复合电刷技术

纳米颗粒复合电刷镀技术是一种新兴的复合镀层制备技术。它是在电刷镀镀液中加入一种或几种纳米颗粒，使之在电刷镀过程中电场作用下金属离子被还原的同时与金属发生共沉积，从而获得具有特定优异性能复合镀层的技术。纳米颗粒复合电刷镀技术是装备再制造关键技术之一，相对于普通电刷镀技术在镀层的硬度、结合强度、耐磨性、抗接触疲劳性能和服役温度都有了不同程度的提高，这使得刷镀技术的应用范围更加广范，并解决了诸多传统刷镀技术不能解决的修复难题。二、纳米复合电刷镀的基本原理[NP]+Mn＋+ne

→

M(NP)式中:[NP]—复合刷镀液中纳米颗粒

Mn＋金属正离子

n—该金属的化合价数

e—电子

M—金属原子

复合刷镀液纳米颗粒复合电刷镀基本原理示意图纳米电刷镀复合涂层的生长过程物理模型（a）基质金属在基体表面沉积；（b）刷镀层生长，纳米粒子沉积；（c）基质金属裹覆纳米粒子；（d）形成纳米粒子弥散分布的复合刷镀层（b）（d）（c）（a）基体金属基体金属基体金属基体金属纳米粒子晶核三、纳米复合电刷镀技术的特点及用途

主要优点：

1．设备简单：不需要镀槽，便于携带，适用于野外修理及现场修复，尤其对于大型精密设备的现场不解体修复更具有实用价值。（坦克后桥孔、石化设备、钻井设备、船舶、飞机、煤矿）

2．工艺简单、操作灵活：不需要镀的部位不需要用很多材料保护。（飞机起落架、刨边机、电机轴、电机座）

3．操作过程中，由于阴极与阳极之间有相对运动，故允许使用较高的电流密度，一般刷镀为300~400A/dm2，最大可达500~600A/dm2；比槽镀大几到几十倍。

4．镀液中金属离子含量高：是槽度的5~20倍。

5．镀积速度快：是槽镀的5~50倍；生产效率是槽镀的10~15倍。

6．结合强度高：焊接：50Kg/mm2；喷涂2~6Kg/mm2；槽镀10~17Kg/mm2；刷镀14~24Kg/mm2；7．一台设备可以镀积几十种镀层（溶液种类多），应用范围广，目前已有一百多种不同用途的溶液，适用于各种行业的不同需要。8.溶液性能稳定：使用时不需要化验调整，无毒，对环境污染小；不燃不爆，储存运输方便。9.有不同型号的镀笔，并配有形状不同、大小不一的不溶性阳极，对各种不同几何形状及结构复杂的零部件都可修复。10.修复周期短，费用低，经济效益大。12.零件不受工件形状、尺寸限制，小到半导体元件，大到几十吨甚至上百吨的设备。可修复比较复杂的零件表面。13.一套设备可在多种材料上刷镀，获得复合镀层非常方便，并可用叠层结构得到较厚的镀层。

不足之处：1．不适于大批量、大厚度、低性能；

2．忌用：重载荷的弹子滚道、齿轮齿面等高应力交变负荷处。纳米复合电刷镀技术的用途1．修补槽镀产品缺陷；2．修复加工超差件及零件的表面磨损，恢复其尺寸精度和几何形状精度；3．修复工件表面的划伤、沟槽、凹坑、斑蚀、孔洞；4．强化新品表面，使其有较高的机械性能和较好的物化性能；5．制备工件表面的防护层，如要求表面耐腐蚀，抗氧化、耐高温，对铝及铝合金表面进行氧化处理等；6．改善材料的钎焊性、导电性、导磁性，以及减磨性.7．装饰和修复建筑物、文物、工艺美术制品。8、修复印刷电路板、电气触头、电子元件。9.用反向电流去毛刺、动平衡去重。10.零件局部防渗碳、防氮化和防氧化，刷镀喷涂、堆焊层的过渡层。11.完成槽镀难于完成的作业。（1）工件太大或要求特殊而无法槽镀；（2）工件难于拆装或拆装运输费用昂贵，对大型设备现场修理；（3）只需局部镀的大件或镀盲孔；（4）用于钴、钛和高合金钢的过渡层，增强槽镀层的结合力；（5）工件浸入镀槽会引起其它部位的损坏或污染镀液。四、纳米复合电刷镀设备MS-100纳米电刷镀设备NDSD-100S型纳米电刷镀电源（一）纳米复合电刷镀电源对电源的基本要求：

1.平直外特性

2．电压0-24V无级调节

3．极性可转换

4．有厚度可控装置----安培小时计

5．有过载保护---安全

6．体积小、轻便----使用方便（二）镀笔、阳极及包裹材料1.

镀笔

1~7号不同型号的镀笔（旋转镀笔、内冷式镀笔等）2．阳极不溶性阳极：石墨可溶性阳极、其他：铂、铱合金、不锈钢（超低碳）3.

包裹材料：涤棉套、棉花、人造毛、的确良布4.

辅助设备及材料

可移动式电刷镀转台台式纳米电刷镀转台五、纳米复合电刷镀溶液表面预处理溶液镀底层和夹心层溶液纳米颗粒复合镀液不同的基质金属溶液中由于加入的纳米颗粒的种类、数量的不同而得到不同的含纳米颗粒的复合镀液，制得性能各异的含米颗粒的复合镀层。发明名称：纳米颗粒复合电刷镀镀液料浆的制备方法专利号：02101196.6现已制备的纳米复合镀液六、纳米复合电刷镀工艺

1.电刷镀的一般工艺过程

可根据镀件的材料，表面热处理状况、工件尺寸及镀层厚度、工件技术要求及工况条件等因素，正确选择极性、电压(电流)、相对运动速度等工艺参数和镀液，科学地进行镀层设计，合理地安排工艺顺序。在实际刷镀过程中，可适当增加或减少相应的工序。其一般工艺过程见表1。表1电刷镀一般工艺过程根据需要选择吹干、烘干、涂油、低温回火、打磨、抛光等镀后处理8极性正接达到尺寸精度，满足表面性能要求镀工作层7极性正接快速恢复工件尺寸镀尺寸层6极性正接镀好底层提高界面结合强度镀底层5极性反接电解刻蚀表面，去除碳钢表面碳黑弱活化4极性反接电解刻蚀表面，除锈、除疲劳层强活化3极性一般正接电化学去油电净2去除油污、修磨表面、保护非镀表面表面准备1备注工序内容、目的工序名称工序号纳米电刷镀的工艺参数为：工作电压10~14V

相对运动速度6~10m/min

电源极性正接镀液温度25~50℃

影响镀层质量的工艺参数较多，这里仅对电压、相对运动速度、温度的影响和选择原则作以概述。1刷镀电压

刷镀电压的高低，直接影响着溶液的沉积速度和镀层质量。当电压偏高时刷镀电流相应提高，是镀层沉积速度加快，已造成组织疏松、粗糙。由于电流大，发热量液增大，从而时镀液温度升高，镀层沉积速度进一步加快，同时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，而且容易使镀层粗糙发黑，甚至过热脱落。当电压偏低时，不仅沉积速度太慢，而且同样会使镀层质量下降。

1刷镀电压

所以，为了保证得到高质量得镀层和提高生产效率，应按每种镀液确定的电压范围灵活使用。例如，当工件被镀面积小时，工作电压宜低一些；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，则起镀电压低些，以后逐渐升高。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。1刷镀电压

例如：用特殊镍打底层，开始用18V较高电压短时间刷镀，以提高电流密度，促使多生核，细化镀层晶粒，5~10s后，降到正常工作电压12V。又如，用纳米复合镀液刷镀较大面积的工作层时，开始选用工件电压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。2镀笔与工件的相对运动速度

刷镀时，镀笔与工件之间必须作相对运动，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）造成晶粒断续成长的结晶过程，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。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。相对运动速度通常选用8~12m/min。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15~35℃，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25~50℃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，而且能时镀液的沉积速度、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电刷镀的温度控制（3）镀笔的温度由于石磨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，这样就不会得到高质量镀层。为了防止镀笔过热，在刷镀层厚时，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时，都将影响散热效果，应及时清理干净。七、纳米复合电刷镀应用实例传统电刷镀的应用纳米复合电刷镀的应用2002年6月，在总装综合计划部组织下，召开了“全军纳米电刷镀新技术推广会”，并举办了“全军纳米电刷镀新技术学习班”。纳米颗粒复合电刷镀技术已推广应用到全军各大军区各军兵种16家装备重点维修部队全军纳米电刷镀新技术推广会2002．6

徐滨士院士在“学习班”上讲课来自全军各大军区各军兵种16家装备重点维修部队的技术人员在听课

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