基本介紹
- 中文名：電刷鍍
- 外文名：electrochemical metallizing
- 簡介：表面處理技術和修復工藝
- 別稱：金屬筆鍍或快速電鍍
- 主要特點：無電鍍槽，設備簡單
- 學科：機械工程
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簡介
基本原理
電刷鍍是依靠一個與陽極接觸的墊或刷提供電鍍需要的電解液，電鍍時，墊或刷在被鍍的陰極上移動的一種電鍍方法。電刷鍍使用專門研製的系列電刷鍍溶液、各種形式的鍍筆和陽極，以及專用的直流電源。工作時，工件接電源的負極，鍍筆接電源的正極，靠包裹著的浸滿溶液的陽極在工件表面擦拭，溶液中的金屬離子在零件表面與陽極相接觸的各點上發生放電結晶，並隨時間增長逐漸加厚，由於工件與鍍筆有一定的相對運動速度，因而對鍍層上的各點來說是一個斷續結晶過程。
技術特點
電刷鍍鍍層的形成從本質上講和槽鍍相同，都是溶液中的金屬離子在負極（工件）上放電結晶的過程。但是和槽鍍相比，電刷鍍中鍍筆和工件有相對運動，因而被鍍表面不是整體同時發生金屬離子還原結晶，而是被鍍表面各點在鍍筆與其接觸時發生瞬間放電結晶。因此，電刷鍍技術在工藝方面有其獨特之處，其特點可歸納如下：
1、設備簡單，不需要鍍槽，便於攜帶，適用於野外及現場修復。尤其對於大型、精密設備的現場不解體修復更具有實用價值。
2、工藝簡單，操作靈活，不需要鍍的部位不要用很多的材料保護。
3、操作過程中，陰極與陽極有相對運動，故允許使用較高的電流密度，它比槽鍍使用的電流密度大幾倍到幾十倍。
4、鍍液中金屬離子含量高，所以鍍積速度快（比槽鍍快5倍～10倍）。
5、溶液種類多，套用範圍廣。已有一百多種不同用途的溶液，適用於各個行業不同的需要。
6、溶液性能穩定，使用時不需要化驗和調整；無毒，對環境污染小；不燃、不爆，儲存、運輸方便。
7、配有專用除油和除銹的電解溶液，所以表面預處理效果好，鍍層質量高，結合強度大。
8、有不同型號的鍍筆，並配有形狀不同、大小不一的不溶陽極，對各種不同幾何形狀及結構複雜的零部件都可修復。某些陽極也可使用可溶性陽極。
9、費用低，經濟效益大。
10、鍍後一般不需要機械加工。
11、一套設備可在多種材料上刷鍍，可以鍍幾十種鍍層。獲得複合鍍層非常方便，並可用疊層結構得到大厚度鍍層。
12、鍍層厚度的均勻性可以控制，既可均勻鍍，也可以不均勻鍍。
技術用途
1、修復槽鍍產品的缺陷。
2、修復加工超差件及零件的表面磨損，恢復其尺寸精度和幾何形狀精度。3、修復零件表面的劃傷、溝槽、凹坑、斑蝕。
4、強化新品表面，使其有較高的力學性能和較好的物化性能。
5、製備零件表面的防護層，如要求表面耐腐蝕、耐高溫、耐氧化，對鋁及鋁合金表面進行氧化處理。
6、完成槽鍍難於完成的作業。如：
（1）零件太大或要求特殊而無法槽鍍。
（2）工件難以拆裝或拆裝運輸費用昂貴，對大型設備現場修理。
（3）只需局部鍍的大件或鍍盲孔。
（4）零件浸入鍍槽會引其他部位的損壞或污染鍍液。
電刷鍍設備
現代電刷鍍技術要求有專用的設備和工輔具。它包括電源裝置，一整套齊備的鍍筆工具和可更換的陽極及包裹材料，還有夾持零件轉動的轉胎和其他輔助工具。
電源
電源是實施電刷鍍的主要設備，是用來提供電能的裝置。因此，必須達到下列設計要求：
1、電源必須具備變交流電為直流電的功能，並要求負載電流在較大範圍內變化時，電壓的變化很小。
2、輸出電壓應能無級調節，以滿足各道工序和不同溶液的需要。常用電源電壓可調節範圍為0V～30V，大功率電源最高電壓可達到50V。
3、電源的自調作用強，輸出電流應能隨鍍筆和陽極接觸面積的改變而自動調節。
4、電源應裝有直接或間接地測量鍍層厚度的裝置，以顯示或控制鍍層的厚度。
5、有過載保護裝置。當超載或短路時，能迅速切斷主電路，保護設備和人員安全。
6、電源應體積小、質量輕，工作可靠，操作簡單，維修方便。
國內有許多廠家生產電刷鍍電源，以其控制和輸出形式，大體有恆壓式、恆流式、脈衝式三種類型。其組成部分和工作原理是基本相同的，一般主要由整流裝置、安培小時計、過載保護電路及其他一些輔助電路組成。
鍍筆
鍍筆由陽極與鍍筆桿組成，鍍筆桿包括導電桿、散熱器、絕緣手柄等。
1、陽極的分類及選用
按所使用的材料陽極可分為：石墨陽極、鉑銥合金陽極、不鏽鋼陽極、可溶性陽極和其他材料陽極。為了適應不同形狀和不同尺寸工件的需要，可將陽極製作成圓柱、半圓、月牙、平板、方條、線狀等各種形狀。在實踐操作中，選用什麼形狀及多大尺寸的陽極，要根據待鍍工件表面的形狀和大小平決定。例如：線細狀陽極適用於填補溝槽、凹坑；圓柱狀陽極用於內徑或小平面，半圓形陽極用於內孔或平面；月牙形陽極用於外圓；平板形陽極用於平面或外圓等。
一般小面積刷鍍，設計的陽極工作面積占被鍍面積的1/5～1/3為最佳。但刷鍍大面積時，由於受材料大小和強度的限制，不可能做成很大尺寸的陽極，所以只能根據現有材料的尺寸，做出儘量大的陽極來使用。
2、陽極的包裹及包裹材料
陽極外表面如不用適當的材料包裹是不允許直接用來刷鍍的。陽極包裹的作用是儲存鍍液，防止陽極與工件直接接觸短路，以免燒傷工件。同時對陽極表面腐蝕下來的石墨粒子和其他雜質起到機械過濾作用。
常用的包裹材料主要是醫用脫脂棉，滌綸棉套，或人造毛套等。包裹時，一般先在陽極表面上包一層適當厚度的脫脂棉花，外面再用滌綸棉套或人造毛套裹住。
陽極的包裹主要是將與工件接觸的表面包起來。包裹圓柱、平板形陽極的步驟和方法是：
（1）將脫脂棉花撕成片狀（厚度約3mm～6mm）。
（2）根據陽極形狀和大小，用剪刀將棉花剪成條狀。
（3）用棉花條沿陽極外表面包裹。棉花的開頭與收尾應扯成楔形，使棉套緊密均勻。
（4）選擇適當尺寸的滌綸綿套套住棉花，並用橡皮筋捆緊，以提高棉套的耐磨性。
陽極的包裹層厚度要均勻、適當。太厚時，雖然儲存鍍液多，但電阻大，沉積速度慢，太薄時，儲存鍍液少，容易磨穿，造成工件局部過熱，甚至發生短路，影響鍍層質量。包套厚度一般取5mm～15mm（指包套在虛態情況下）。
3、鍍筆的使用和保管
在刷鍍時，對於每一種溶液都必須有一支或幾支專用鍍筆。每支鍍筆使用前都必須先在筆桿上貼上所用鍍液的名稱標籤，不能混用。
鍍筆用完後要用清水沖洗乾淨分別存放，不能混放，更不能混用，尤其是鍍銅與鍍鎳的鍍筆不能混用，以免鍍液互相污染。下一次使用鍍筆前，應注意檢查電纜線插孔處是否有鏽蝕，若有鏽蝕，要拆卸清理乾淨。
石墨陽極長時間使用也會被腐蝕，可用銼刀、刮刀等工具將表面腐蝕刮除，繼續使用。過度腐蝕就要報廢。
陽極包套一旦磨穿就要及時更換。換下的棉花一般不能再用，較乾淨的棉花可用水沖冼，曬乾後繼續使用。
用過的鍍筆，長時間不再用時，應將陽極、鎖緊螺帽、導電桿、散熱器分別拆開，清理乾淨後分別保管，以備再用。
輔助器具及材料
1、轉胎
它是用來夾持零件轉動的設備。為了滿足陰極和陽極之間相對運動速度的要求，減少勞動強度，對於軸類零件的電刷鍍，它是不可缺少的設備。
2、盛液杯、塑膠盤、擠壓瓶
盛液杯用來盛裝鍍液，塑膠盤用來回收鍍液或廢水，擠壓瓶用來盛沖洗水或裝鍍液作為供送鍍液的器具。
3、手提式電機、各種小砂輪、油石、刮刀
這些是用來清理、整形工件的劃痕、溝槽、凹坑等缺陷和修整鍍層不可缺少的一整套工具。
4、絕緣膠帶、塑膠布
絕緣膠帶和塑膠布用來貼上和遮蔽工件的非鍍面，防止污染和腐蝕。
5、剪刀、橡皮筋、針和線
剪刀用於剪棉花和滌棉套，橡皮筋做綑紮包套用，針和線用來縫合包套。
電刷鍍溶液
電刷鍍溶液與有槽電鍍溶液相比有明顯的特點。大多數金屬鍍液都是有機鰲合物的水溶液；除了小部分有特殊要求的鍍液（金、銀）外，其餘的鍍液都不含有氰化物；鍍液中金屬離子含量高，沉積速度快；部分溶液的酸性或鹼性較強，多數溶液的pH值在4～10之間，其腐蝕性小。酸性鍍液一般比鹼性鍍液的沉積速度快，但酸性鍍液一般不宜直接在組織疏鬆的材料上起鍍；鹼性鍍液和中性鍍液比酸性鍍液的沉積速度慢些，但是它們的鍍覆工藝性能和鍍覆層的力學性能是比較好的。
電刷鍍溶液分為表面預處理溶液、單金屬鍍液、合金鍍液、退鍍液和鈍化液5大類，共18個系100多個品種。
電刷鍍溶液質量的好壞直接關係到工件的修復質量。一般來講，對電刷鍍所用溶液有以下要求：
（1）溶液長時間不用時，不應有沉澱、變色、變質發生；
（2）鍍液中金屬離子濃度較為恆定；
（3）鍍液利用率高，用過的廢液對環境污染少或無污染；
（4）鍍液對人體傷害少或是綠色環保鍍液。
表面預處理溶液
用於表面預處理的溶液主要有電解除油液（電淨液）和對表面電解刻蝕（除銹）的活化液。
1號電淨液
該溶液為無色透明的鹼性水溶液，pH=13，凍點為－10℃。可以長期存放，腐蝕性小。1號電淨液具有較強的去油污能力，並且有輕微的去鏽蝕作用，適用於所有金屬表面的電解除油。其操作工藝規範為：
工作電壓8V～15V
相對運動速度60mm/s～130mm/s
電源極性正接（高強度鋼除外）
0號電淨液
這是一種與1號電淨液性能相似的除油溶液。無色透明，pH=13，凍點為－10℃，可長期存放。0號電淨液的除油效果比1號電淨液要好，尤其適用於鑄鐵等組織疏鬆材料。操作工藝規範為：
工作電壓8V～15V
相對運動速度60mm～130mm電源極性正接
1號活化液
該溶液無色透明，呈酸性，pH=0.4，凍點為－15℃，可長期存放。1號活化液有去除金屬表面氧化膜和疲勞層的能力，對基體腐蝕較慢，適用於低碳鋼、低碳合金鋼以及白口鑄鐵等材料的表面活化處理。活化時按以下工藝規範操作：
工作電壓8V～15V
相對運動速度100mm/s～160mm/s電源極性正接或反接
2號活化液
溶液的pH=0.3，無色透明，凍點為－17℃，可長期存放。2號活化液具有較強的去除金屬表面氧化膜和疲勞層的能力，對基體腐蝕快，適用於中碳鋼、中碳合金鋼、高碳鋼、高碳合金鋼、鋁和鋁合金、灰口鑄鐵、鎳層以及難熔金屬的活化處理。也可用於去除金屬毛刺和剝蝕鍍層。操作工藝規範為：
工作電壓6V～14V
相對運動速度100mm/s～160mm/s電源極性反接
3號活化液
3號活化液呈淡綠色，pH=4，凍點為－9℃，可長期存放。3號活化液對鐵素體基體的作用較弱，甚至不起作用，而對碳化物的作用很強。因此除對銅等少數材料活化時單獨使用外，一般與其他活化液（1號、2號）配合使用。主要用途是去除中、高碳鋼、鑄鐵等材料經1號、2號活化液活化後表面出現的炭黑層，以提高鍍覆層與基體的結合強度。其操作工藝規範為：
工作電壓10V～25V
相對運動速度100mm/s～130mm/s電源極性反接
4號活化液
該溶液無色透明，pH=0.2，凍點為－18℃，可長期存放。4號活化液腐蝕能力很強，適用於鈍化狀態的鉻、鎳鋼或者經上述活化液活化後仍難施鍍的基體材料的活化處理。也可用於去除金屬毛刺和剝蝕舊鍍層。操作工藝規範為：
工作電壓10V～25V
相對運動速度100mm/s～160mm/s電源極性反接
鍍鎳溶液
1、鎳的性質和用途
在表面鍍覆技術中，鎳是套用最廣泛的鍍層。尤其在機械零件修復和強化零件表面用得最多。這是因為鎳鍍層具有優良的物理、化學和力學性能。鎳鍍層在真空中有很好的化學穩定性，不易變色。鎳有很強的鈍化能力，能夠迅速地生成一層很薄的鈍化膜，所以在常溫下能很好地抵抗大氣、鹼和某些酸的腐蝕。例如：鎳在有機酸中很穩定，在濃硝酸中處於鈍化狀態，在硫酸和鹽酸中溶解緩慢，但易溶於稀硝酸中。
電刷鍍鎳層具有較高的硬度，並有較好的塑性。因此，被廣泛套用於要求硬度高、耐磨性好的零件表面。鎳還有較好的抗高溫氧化性能，在溫度高於600℃時，表面才被氧化。
電刷鍍的鎳層晶粒很細小，具有良好的拋光性能。經拋光的鍍鎳層可以得到很光亮的外表，在大氣中可長時間保持光澤性。
2、特殊鎳的性能、用途及工藝條件
特殊鎳溶液是一種強酸性鍍液，pH=1，顏色呈深綠色，有較強的醋酸味。溶液中鎳離子含量為85g/L，密度1.23g/cm，鍍層硬度HB550。
特殊鎳與絕大多數金屬基體（鑄鐵等疏鬆材料除外）都有很高的結合力，鍍層緻密，耐磨性好。主要用作在鋼、鋁、銅、不鏽鋼、鉻、鎳等材料上鍍底層或中間夾心層，也可用作鍍覆耐磨層。用在不鏽鋼、鉻、鎳上鍍底層時，為使其與基體結合良好，通常在酸性活化後，不用水漂洗而直接鍍特殊鎳。操作時先不通電，用鍍筆蘸上溶液將被鍍表面擦拭一遍，通電後，先用18V衝擊鍍一遍被鍍表面，然後降至12V，相對運動速度100mm/s～160mm/s，工件接電源正極。
3、快速鎳的性能、用途與工藝規範
該溶液略呈鹼性，pH=7.5～7.8，藍綠色，可嗅到氨水氣味，鎳離子含量為53g/L，密度1.5g/cm3，鍍層硬度HRC45～48。溶液的特點是沉積速度快，鍍覆層硬度高，抗磨損，並且耐腐蝕性也較好。可在各種材料上鍍覆工作層、恢復尺寸層或鍍複合層，更適用於鑄鐵上鍍底層。工藝規範如下：
工作電壓10V～15V
相對運動速度130mm/s～250mm/s電源極性正接
在10V～15V電壓，130mm/s～250mm/s相對運動速度下，電刷鍍的快速鎳鍍層的硬度較高，並具有良好的耐磨性，其硬度和耐磨性指標等於或高於45號鋼淬火加180℃回火後的硬度和耐磨性。硬度的峰值出現在12V及180mm/s附近，大小約為HV668。耐磨性的峰值出現在14V及180mm/s附近，大小約為45號鋼淬火加180℃回火後的1.7倍。
4、鹼性鎳的性能、用途與工藝規範
溶液pH=8.5，呈藍綠色，鎳離子含量為54.4g/L，鍍層硬度HB500。鍍液的沉積速度快，有良好的工藝性。鍍層組織細密，顏色均勻，應力低，可鍍層厚。適用於各種材料上鍍尺寸層或工作層。可代替中性鎳使用。工藝規範如下：
工作電壓8V～14V
相對運動速度130mm/s～200mm/s電源極性正接
5、中性鎳的性能、用途與工藝規範
該溶液呈深綠色，pH=7，鎳離子含量為28g/L，鍍層硬度HB500。鍍液的沉積速度快，有良好的工藝性。鍍層組織細密，顏色呈銀白色，耐腐蝕性好。可用於修補薄鍍層，作鑄鐵的底層，也可作為銅與酸性鎘的交替層。工藝規範如下：
工作電壓10V～14V
相對運動速度100mm/s～160mm/s電源極性正接
6、低應力鎳的性能、用途與工藝規範
這是一種專為沉積厚鍍層時提供夾心層而研製的溶液。溶液pH=3.5，呈綠色，鎳離子含量為75g/L，密度1.20g/cm3，硬度HB350。
使用時先將鍍液預熱到50℃，可以得到組織細密、具有壓應力或較小拉應力的鍍覆層。主要用於複合鍍層中的夾心層，也可作為保護鍍層。工藝規範如下：
工作電壓8V～14V
相對運動速度100mm/s～160mm/s電源極性正接
鍍銅溶液
銅是玫瑰紅色的金屬，原子量63.54，密度8.92g/cm3，熔點為1083℃。銅溶液有沉積速度快，鍍層硬度適中的特點，所以被廣泛用作快速恢復尺寸層或鍍厚層。也可用來改善導電性、釺焊性或在鋼件上鍍防滲碳、防滲氮層。
1、鹼性銅的性能、用途與工藝規範
鹼銅溶液呈藍紫色，pH=9.2～9.8，金屬銅含量為62g/L，密度1.14g/cm3，鍍層硬度HB250。鍍液沉積速度快，腐蝕性小，最常用作快速恢復尺寸層和填補溝槽；特別適用於鋁、鑄鐵或鋅等難鍍材料上鍍覆；在鋼件上鍍覆時，最好先用特殊鎳打底，以便獲得更高的結合力。鍍層組織細密，厚度在0.01mm時，就有良好的防滲碳、防滲氮能力。其工藝規範如下：
工作電壓10V～14V
相對運動速度100mm/s～200mm/s電源極性正接
2、高速酸性銅的性能、用途與工藝規範溶液呈深藍色，pH=1.5，金屬銅含量為116g/L，密度1.28g/cm3，鍍層硬度HB300。該鍍液有較高的沉積速度，主要用於大厚度快速恢復尺寸，填補凹槽。鍍液腐蝕性大，鍍前應將鄰近的非鍍覆表面保護好。鍍層平滑緻密，比酸性銅鍍層硬，容易機械加工。高速銅在大電流密度下鍍覆時晶粒易變粗，應保證鍍液的連續供給。該溶液不能直接在鋼（某些不鏽鋼除外）及少數貴金屬上鍍覆，鍍前要用鎳打底層。在銅基體上鍍覆高速酸銅時，應在通電前先用該溶液濕潤被鍍表面。其工藝規範如下：
工作電壓8V～14V
相對運動速度160mm/s～250mm/s電源極性正接
3、高堆積鹼銅的性能、用途與工藝規範
鍍液呈紫色，pH=8.5～9.5，金屬銅含量為82g/L，密度1.28g/cm3，鍍層硬度HB250。鍍液有較高的沉積速度，能獲得厚鍍層，鍍層應力小。該鍍液無腐蝕性，用途很廣泛，主要用於鍍覆尺寸層。特別推薦在鎘或錫零件上填補凹坑，也可用於印刷電路板的修理。其工藝規範如下：
工作電壓8V～14V
相對運動速度130mm/s～200mm/s電源極性正接
合金鍍液
合金鍍層是指含兩種或兩種以上金屬的鍍層。合金分機械混合、固溶體和金屬化合物三種結構形式。合金鍍層具有單一金屬鍍層所不能達到的性能，它比單一金屬鍍層更能滿足對金屬製品表面提出的更高要求。合金鍍層都具有一些優異的理化性能和力學性能，如抗腐蝕、耐高溫，較高的硬度和耐磨性，優美的外觀和較好的釺焊性等，因此，它們被廣泛地用作防護、裝飾、耐磨和其他功能性鍍層。例如：鎳－鎢、鎳－鈷合金鍍層，不但硬度高、耐磨損，而且耐高溫，可作軸承、活塞、氣缸、模具等零件的防護工作層。
鎳－鎢合金溶液
該溶液呈綠色，pH=2～3，溶液中含鎳85g/L，含鎢15%，鍍覆層硬度HB750。溶液性能很穩定。鍍層硬度高，抗磨損，主要用作耐磨件鍍覆工作層，鍍覆層厚限制在0.03mm～0.07mm範圍內為最好。因此，可作為其他鍍層的覆蓋層，對較厚的鍍層可先鍍一層酸性鎳或低應力鎳。也可以與特殊鎳交替鍍覆疊鍍層，操作時，每層鎳－鎢合金都要用油石或砂紙打磨光滑，經電淨與1號活化液處理後，再鍍特殊鎳。工藝規範如下：
工作電壓10V～15V
相對運動速度60mm/s～160mm/s電源極性正接
鎳－鎢（D）合金溶液
該溶液呈深綠色，pH=1.4～2.4，含鎳80g/L，鍍覆層硬度HRC55。該溶液有比鎳－鎢合金更優良的性能，硬度和耐磨性更高；可獲得較厚的鍍覆層，殘餘應力小。在高強度鋼上鍍覆氫脆性很小，在某些難鍍金屬上鍍覆都能得到較好的結合力。主要用於各種零件上鍍覆工作層。工藝規範與鎳－鎢合金相同。
鎳－鈷合金溶液
淺綠色，pH=3.2，常溫下有酸性氣味。鍍層沉積速度快，韌性及耐熱性好，鍍厚能力強，鍍層硬度約為HRC50～55，工藝規範如下：
工作電壓3V～8V
相對運動速度160mm/s～230mm/s電源極性正接
