納米復合電刷鍍技術裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室講課人：胡振峰裝備再制造關鍵技術系列講座之主要內容一、概述二、納米復合電刷鍍技術原理三、納米復合電刷鍍技術特點與應用范圍四、納米復合電刷鍍設備五、納米復合電刷鍍溶液六、納米復合電刷鍍工藝七、納米復合電刷鍍應用實例一、概述

1.電刷鍍技術

電刷鍍最初是電鍍工人用來修補槽鍍零件缺陷的一種方法。它是用一塊棉花將陽極包裹起來，蘸上槽鍍液，在工件缺陷處擦抹。而現在的刷鍍技術已經發展成為一項獨特的新技術。這項技術設備簡單，操作方便；鍍液種類多，鍍積速度快，應用范圍廣；鍍層與基體的結合強度高；鍍后工件不變形，一般不需要機械加工。所以不僅能用于零件的維修，而且能用于零件的表面強化、防腐和裝飾。已經在武器裝備、車輛工程、航空、機械、電子、建筑、船舶、石油等各行各業中被廣泛地應用。

電刷鍍是80年代初發展起來的一項表面技術，是國家六五、七五、八五計劃期間重點推廣的項目之一，累計為國家創造三十二億元的經濟效益，該技術曾獲國家科技進步一等獎。軍委副主席劉華清題詞電刷鍍技術榮獲國家科技進步一等獎2.納米技術

（1）納米是一長度單位，1米進行10億等分，就是1納米；或1毫米100萬等分，也是1納米。

1納米等于10－9米。

1納米相當于：

(1)10個氫原子排起來的長度；

(2)頭發絲的萬分之一；

(3)一個納米球與籃球的大小比較。2.納米技術

（2）納米材料——在三維空間尺度上至少有一維處于納米量級(1-100nm)的固相材料。零維粒子直徑1-100nm一維棒、線或管的直徑1-100nm二維膜厚度為1-100nm三維納米材料加壓燒結

納米材料具有小尺寸效應、量子效應、表面與界面效應，在力、電、聲、光、熱、磁性能上表現出許多奇異性。如：納米Fe斷裂強度比普通Fe高12倍；納米碳管的密度僅為鋼的1/6，但其強度比鋼高100倍；納米Cu具有超塑延展性，在室溫下可拉長100多倍而不出現裂紋；2nm的Au熔點為3300C，比體相Au的熔點低7000C以上；納米Ag的熔點竟低至1000C；W顆粒中加入0.1-0.5%的納米Ni可使燒結溫度降低近20000C；納米TiO2

陶瓷材料在室溫下具有優良的韌性,在180℃經受彎曲而不產生裂紋；半導體Si

，在通常情況下發光很弱，但小于等于5nm納米的Si卻能發射很強的可見光。3.納米復合電刷技術

納米顆粒復合電刷鍍技術是一種新興的復合鍍層制備技術。它是在電刷鍍鍍液中加入一種或幾種納米顆粒，使之在電刷鍍過程中電場作用下金屬離子被還原的同時與金屬發生共沉積，從而獲得具有特定優異性能復合鍍層的技術。納米顆粒復合電刷鍍技術是裝備再制造關鍵技術之一，相對于普通電刷鍍技術在鍍層的硬度、結合強度、耐磨性、抗接觸疲勞性能和服役溫度都有了不同程度的提高，這使得刷鍍技術的應用范圍更加廣范，并解決了諸多傳統刷鍍技術不能解決的修復難題。二、納米復合電刷鍍的基本原理[NP]+Mn＋+ne

→

M(NP)式中:[NP]—復合刷鍍液中納米顆粒

Mn＋金屬正離子

n—該金屬的化合價數

e—電子

M—金屬原子

復合刷鍍液納米顆粒復合電刷鍍基本原理示意圖納米電刷鍍復合涂層的生長過程物理模型（a）基質金屬在基體表面沉積；（b）刷鍍層生長，納米粒子沉積；（c）基質金屬裹覆納米粒子；（d）形成納米粒子彌散分布的復合刷鍍層（b）（d）（c）（a）基體金屬基體金屬基體金屬基體金屬納米粒子晶核三、納米復合電刷鍍技術的特點及用途

主要優點：

1．設備簡單：不需要鍍槽，便于攜帶，適用于野外修理及現場修復，尤其對于大型精密設備的現場不解體修復更具有實用價值。（坦克后橋孔、石化設備、鉆井設備、船舶、飛機、煤礦）

2．工藝簡單、操作靈活：不需要鍍的部位不需要用很多材料保護。（飛機起落架、刨邊機、電機軸、電機座）

3．操作過程中，由于陰極與陽極之間有相對運動，故允許使用較高的電流密度，一般刷鍍為300~400A/dm2，最大可達500~600A/dm2；比槽鍍大幾到幾十倍。

4．鍍液中金屬離子含量高：是槽度的5~20倍。

5．鍍積速度快：是槽鍍的5~50倍；生產效率是槽鍍的10~15倍。

6．結合強度高：焊接：50Kg/mm2；噴涂2~6Kg/mm2；槽鍍10~17Kg/mm2；刷鍍14~24Kg/mm2；7．一臺設備可以鍍積幾十種鍍層（溶液種類多），應用范圍廣，目前已有一百多種不同用途的溶液，適用于各種行業的不同需要。8.溶液性能穩定：使用時不需要化驗調整，無毒，對環境污染小；不燃不爆，儲存運輸方便。9.有不同型號的鍍筆，并配有形狀不同、大小不一的不溶性陽極，對各種不同幾何形狀及結構復雜的零部件都可修復。10.修復周期短，費用低，經濟效益大。12.零件不受工件形狀、尺寸限制，小到半導體元件，大到幾十噸甚至上百噸的設備。可修復比較復雜的零件表面。13.一套設備可在多種材料上刷鍍，獲得復合鍍層非常方便，并可用疊層結構得到較厚的鍍層。

不足之處：1．不適于大批量、大厚度、低性能；

2．忌用：重載荷的彈子滾道、齒輪齒面等高應力交變負荷處。納米復合電刷鍍技術的用途1．修補槽鍍產品缺陷；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．修復工件表面的劃傷、溝槽、凹坑、斑蝕、孔洞；4．強化新品表面，使其有較高的機械性能和較好的物化性能；5．制備工件表面的防護層，如要求表面耐腐蝕，抗氧化、耐高溫，對鋁及鋁合金表面進行氧化處理等；6．改善材料的釬焊性、導電性、導磁性，以及減磨性.7．裝飾和修復建筑物、文物、工藝美術制品。8、修復印刷電路板、電氣觸頭、電子元件。9.用反向電流去毛刺、動平衡去重。10.零件局部防滲碳、防氮化和防氧化，刷鍍噴涂、堆焊層的過渡層。11.完成槽鍍難于完成的作業。（1）工件太大或要求特殊而無法槽鍍；（2）工件難于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）用于鈷、鈦和高合金鋼的過渡層，增強槽鍍層的結合力；（5）工件浸入鍍槽會引起其它部位的損壞或污染鍍液。四、納米復合電刷鍍設備MS-100納米電刷鍍設備NDSD-100S型納米電刷鍍電源（一）納米復合電刷鍍電源對電源的基本要求：

1.平直外特性

2．電壓0-24V無級調節

3．極性可轉換

4．有厚度可控裝置----安培小時計

5．有過載保護---安全

6．體積小、輕便----使用方便（二）鍍筆、陽極及包裹材料1.

鍍筆

1~7號不同型號的鍍筆（旋轉鍍筆、內冷式鍍筆等）2．陽極不溶性陽極：石墨可溶性陽極、其他：鉑、銥合金、不銹鋼（超低碳）3.

包裹材料：滌棉套、棉花、人造毛、的確良布4.

輔助設備及材料

可移動式電刷鍍轉臺臺式納米電刷鍍轉臺五、納米復合電刷鍍溶液表面預處理溶液鍍底層和夾心層溶液納米顆粒復合鍍液不同的基質金屬溶液中由于加入的納米顆粒的種類、數量的不同而得到不同的含納米顆粒的復合鍍液，制得性能各異的含米顆粒的復合鍍層。發明名稱：納米顆粒復合電刷鍍鍍液料漿的制備方法專利號：02101196.6現已制備的納米復合鍍液六、納米復合電刷鍍工藝

1.電刷鍍的一般工藝過程

可根據鍍件的材料，表面熱處理狀況、工件尺寸及鍍層厚度、工件技術要求及工況條件等因素，正確選擇極性、電壓(電流)、相對運動速度等工藝參數和鍍液，科學地進行鍍層設計，合理地安排工藝順序。在實際刷鍍過程中，可適當增加或減少相應的工序。其一般工藝過程見表1。表1電刷鍍一般工藝過程根據需要選擇吹干、烘干、涂油、低溫回火、打磨、拋光等鍍后處理8極性正接達到尺寸精度，滿足表面性能要求鍍工作層7極性正接快速恢復工件尺寸鍍尺寸層6極性正接鍍好底層提高界面結合強度鍍底層5極性反接電解刻蝕表面，去除碳鋼表面碳黑弱活化4極性反接電解刻蝕表面，除銹、除疲勞層強活化3極性一般正接電化學去油電凈2去除油污、修磨表面、保護非鍍表面表面準備1備注工序內容、目的工序名稱工序號納米電刷鍍的工藝參數為：工作電壓10~14V

相對運動速度6~10m/min

電源極性正接鍍液溫度25~50℃

影響鍍層質量的工藝參數較多，這里僅對電壓、相對運動速度、溫度的影響和選擇原則作以概述。1刷鍍電壓

刷鍍電壓的高低，直接影響著溶液的沉積速度和鍍層質量。當電壓偏高時刷鍍電流相應提高，是鍍層沉積速度加快，已造成組織疏松、粗糙。由于電流大，發熱量液增大，從而時鍍液溫度升高，鍍層沉積速度進一步加快，同時鍍層表面很容易干燥，這種情況下，不僅鍍液浪費大，陽極燒損嚴重，而且容易使鍍層粗糙發黑，甚至過熱脫落。當電壓偏低時，不僅沉積速度太慢，而且同樣會使鍍層質量下降。

1刷鍍電壓

所以，為了保證得到高質量得鍍層和提高生產效率，應按每種鍍液確定的電壓范圍靈活使用。例如，當工件被鍍面積小時，工作電壓宜低一些；鍍筆與工件相對運動速度較慢時，電壓應低一些，反之，電壓應高一些。剛開始刷鍍時，若鍍液與工件溫度較低，則起鍍電壓應低一些，反之，電壓應高一些。剛開始刷鍍時，若鍍液與工件溫度較低，則起鍍電壓低些，以后逐漸升高。對同一種鍍液在相同的工藝條件下，整個鍍積過程中的工作電壓有時也要視情況不斷調節。1刷鍍電壓

例如：用特殊鎳打底層，開始用18V較高電壓短時間刷鍍，以提高電流密度，促使多生核，細化鍍層晶粒，5~10s后，降到正常工作電壓12V。又如，用納米復合鍍液刷鍍較大面積的工作層時，開始選用工件電壓14V，待隨著工件與鍍液溫度上升和鍍層接近最終尺寸時，應把電壓降到12V，以獲得晶粒細密、表面光亮的鍍層。2鍍筆與工件的相對運動速度

刷鍍時，鍍筆與工件之間必須作相對運動，這是刷鍍技術的一大特點。相對運動有以下作用：（1）允許使用大電流密度，而不“燒焦”工件表面，提高沉積速度和生產效率。（2）對溶液起攪拌作用，使溶液的濃度、電流密度在被鍍表面上不斷變化，克服濃差極化現象，使更多的金屬離子有機會還原沉積。（3）能機械地驅除工件表面上的氣泡和其它雜質，有利于減少氫脆，提高鍍層質量。（4）造成晶粒斷續成長的結晶過程，形成高密度位錯，有利于細化晶粒、強化鍍層，提高鍍層的力學性能。2鍍筆與工件的相對運動速度

相對運動速度太慢時，鍍筆與工件接觸部位發熱量大，鍍層易發黑，局部還原時間長，鍍層生長太快，組織易粗糙。若鍍液供給不充分，還會造成局部離子貧乏，組織疏松。相對運動速度太快時，會降低電流效率和沉積速度，形成的鍍層雖然致密，但應力太大易脫落。相對運動速度通常選用8~12m/min。3電刷鍍的溫度控制（1）工件溫度在刷鍍操作的整個過程中，工件的理想溫度是15~35℃，最低不能低于10℃，最高不易超過50℃。（2）鍍液的溫度鍍液的使用溫度應保持在25~50℃范圍內，這不僅能使溶液本身的物化性能（如pH值、電導率、溶液成分、耗電系數、表面張力等）保持相對穩定，而且能時鍍液的沉積速度、均鍍能力和深鍍能力及電流效率等始終處于最佳狀態，并且所得到的鍍層內應力小，結合性能好。3電刷鍍的溫度控制（3）鍍筆的溫度由于石磨陽極本身有一定的電阻，加上電極反應的熱效應，時間長了就會使鍍筆發熱，溫度升高。石墨陽極長時間在較高溫度下使用，表面就會燒損和腐蝕，燒蝕下來的泥狀石墨，附在陽極與包套之間，使電阻增大，從而使鍍筆溫度進一步升高。如此惡性循環，后果是鍍積速度逐漸降低，鍍液被污染，鍍液中部分物質揮發，成分改變，這樣就不會得到高質量鍍層。為了防止鍍筆過熱，在刷鍍層厚時，應同時準備多支鍍筆，輪換使用，并定時將鍍筆放入冷鍍液中浸泡，使溫度降低。鍍筆的散熱器部位應保持清潔，上面的鈍化層或銹蝕時，都將影響散熱效果，應及時清理干凈。七、納米復合電刷鍍應用實例傳統電刷鍍的應用納米復合電刷鍍的應用2002年6月，在總裝綜合計劃部組織下，召開了“全軍納米電刷鍍新技術推廣會”，并舉辦了“全軍納米電刷鍍新技術學習班”。納米顆粒復合電刷鍍技術已推廣應用到全軍各大軍區各軍兵種16家裝備重點維修部隊全軍納米電刷鍍新技術推廣會2002．6

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