张继磊化学镀技术研究现状.doc

农业机械故障诊断与维修课程论文化学镀技术研究现状 姓 名：张继磊 班 级：农机091 学 号：20011404131 任课教师：张兆国 课程学期：20122013第一学期摘要：化学镀作为表面强化的途径，已引起广泛重视和不断发展。本文综述了化学镀技术在各种常用材料上的应用、合金镀层功能及应用、热处理复合强化、表面再处理等新进展。关键词：化学镀；常用材料；合金镀层；复合强化。（一）、前言 化学镀是提高金属等材料表面耐磨性和耐蚀性的一种表面强化方法，国外在50 年代初期，就出现了许多化学镀工艺方面的专利，并不断解决和完善工艺参数、过程控制等技术及操作问题，延长了镀液寿命，降低了成本，从而不断开拓了在工业生产中的应用面。目前已广泛应用于石油化工、电子技术、航空航天和机械等领域。现在日本、欧美等国都不断有新的商品镀液问世。我国在这方面的研究和应用虽然起步较晚，但发展很快。特别是近10 多年来，它的应用范围不断扩大。由于复合镀技术的发展，进一步推动了化学镀技术的应用换言之，化学镀技术奠定了复合镀技术发展的基础。化学镀技术从理论到试验、生产和应用的发展过程中日臻完善和成熟起来的。在化学镀中，研究和应用最为广泛的是化学镀镍磷合金工艺，因为镍磷合金镀层县有较高的硬度、耐磨性、优异的耐腐蚀性和良好的钎焊性能。因此，以化学镀镍磷为基础的化学镀技术，有着较为广阔的应用前景。本文着重论述了化学镀技术近10 多年来的发展和应用情况。（二）、常用材料及应用 最初化学镀技术仅应用于钢铁为主的金属材料上，以后应用范围逐步扩大，不锈钢、有色金属、陶瓷等材料也可施镀。但是，不同基体的金属或其它材料对化学镀的适应性不一，因而镀前处理方法不尽相同，针对不同的基体材料进行恰当的镀前处理，是保证化学镀工艺的先决条件和步骤。也就是说，可以通过不同的镀前处理方法，扩大化学镀技术在各种材料上的应用范围。按化学镀反应原理可知，施镀是在一定的催化条件下，采用强还原剂次亚磷酸盐，使镀液中镍盐的镍阳离子还原，同时次亚磷酸盐分解，产生磷原子进入镀层，形成过饱和的镍磷固溶体。因此，在一定的催化条件下，基体金属会对镀液产生不同的催化效果。按基体材料对化学镀不同的催化活性，可分为5 大类。2. 1 催化活性高的金属 这些金属是普通钢铁、镍、钴、铂、钯等。由于这些金属对化学镀镍磷反应具有高的催化活性，故只要进行一般的镀前处理，即可直接进行化学镀镍磷。其中对于含有石墨的铸铁材料，镀前活化工艺必须控制好活化液的浓度和活化时间，以不产生表面腐蚀孔为宜。中原油田针对钢铁材料井下工具长期存在腐蚀难题，开发出了适合油田实际工况的高磷耐蚀化学镀技术，施镀速度控制在（10 !12 ）mh ，镀层磷含量为10. 5 % !12 %（质量分数），且磷含量几乎不受ph值和温度的影响，镀液中稳定剂的含量变化幅度较大时，对镀层性能基本无影响。中试放大一次成功，现场试验和应用收到了令人满意的效果。2. 2 有催化活性但表面有致密氧化膜的金属 铝及铝合金、铜、不锈钢、镁、钛、钨、钼等金属表面均有较为致密的氧化膜，不易进行化学镀镍磷。故对这类金属要进行适当的活化处理后才能施镀。 2. 3 非催化活性的金属 铜、银、金等金属需在触发或催化处理后才能进行化学镀镍磷。触发方式有电偶触发和电源触发。此外，也可在氯化钯溶液中浸渍活化后，再进行化学镀镍磷。但浸渍后要彻底水洗，以防氯化钯进入镀液而引起镀液的自然分解。迄今为止，铜合金尚无有效的表面强化方法，因此研究铜合金化学镀可行性及镀后效果，显得颇有积极意义。辽宁工学院试验研究表明，铜合金在一定的镀液配比下，经常规除油、除氧化皮处理和诱发处理后进行化学镀镍磷，镀后的铜合金其表面硬度、耐磨性、耐蚀性都显著提高。但是，铜合金的施镀条件与时效工艺应根据具体要求进行选择，并有待于进一步拓展生产应用范围。2. 4 有催化毒性的金属铅、镉、锌、锡、锑等金属，是化学镀镍磷溶液的毒化剂。它们的少量存在，都会对镀液造成污染甚至镀不上。因此，这些金属必须在预镀铜或镍后，才能进行化学镀镍磷。2. 5 非金属材料陶瓷 除金属材料外，非金属材料陶瓷经过特殊的镀前处理，也可进行化学镀镍磷，只是要根据不同材质的陶瓷，采用相适应的镀前处理，才能获得满意的化学镀效果。（三）、镀层功能及应用 化学镀作为一种功能镀，已发展成为提高金属等各种材料表面耐磨、耐蚀等性能的一种表面强化方法。随着镀前工艺包括镀前处理、镀液种类及组分的不断改进，在各种材料上的应用相应扩大，所获镀层功能也日趋完善和提高，各种合金镀层及复合镀层具有多功能特性，从而进一步促进了化学镀技术的发展及应用。化学镀技术由于可提高基体材料的附加值而引起广泛关注，优异的镀层多功能特性使得化学镀技术的应用不断拓展。3. 1 硬度与耐磨性3. 1. 1 合金镀层镀层的晶体结构不仅与镀液中的磷含量有关，还与络合剂、添加剂有关。重庆仪表材料研究所研究表明，镀层中磷含量8 % 为晶态结构，#8 % 则为非晶态结构。经过400 C左右的加热和保温，即可实现晶化处理，完成从非晶态到晶态的结构转变，镀层中生成Ni 3P 化合物，从而使镀层硬度提高，一般镍磷镀层的显微硬度可达500 !600HV。由于镀层具有可观的高硬度，在汽车部件轻量化的进程中，扮演了重要角色。其用于汽车零部件上的实例有：制动油缸、空调压缩机、AT 变速器部件等。3. 1. 2 复合镀层化学镀复合镀层的耐磨性取决于分散粒子的种类、粒径、共析量、镀层本身的硬度及热处理。上述因素的控制则由具体的用途来决定。如想获得耐磨及滑动性优异的复合镀层，通常采用BN 或Si 3N4等无机氮化物或低共析量的PTFE 作分散微粒。另外，PTFE 的复合镀层除具有滑动特性（自润滑性）外，还具有难剥离、非粘着性、拒水及抗油等复合性能。 3. 1. 3 化学复合镀层关于以聚四氟乙稀（PTFE）作为添加剂的化学复合镀技术，在国内少有报导，故近几年PTFE 的研究引起人们的关注。PTFE 是一种具有极好化学稳定性和干润滑性能的高分子有机材料，在王水、硫酸、氢氧化钠等溶液中有极好的抗腐蚀性能。镍磷化学镀的合金镀则具有较高的硬度和较好的基体结合性能。因此，采用化学复合镀，可以得到较好综合性能的复合镀层。安徽省机械科学研究所研究了金属热处理2001 年第1 期Ni-PTFE 化学复合镀工艺及性能表明14 ，Ni 和PTFE 沉积可获得表面摩擦系数低、耐磨性能优异的镀层。该工艺用于3.2 耐蚀性 由于化学镀镀层具有优良的耐蚀性，被广泛用于各个领域，如化工合成反应釜、食品加工部件等。高磷含量的耐蚀性能优于低磷含量的镀层，但低磷含量的镀层在浓碱液中仍有良好的耐蚀性。然而，在使用环境苛刻的情况下，耐蚀性取决于镀层上针孔的密度，而针孔与镀液中所使用的络合剂有关。此外，镀层的耐蚀性还与基体材质、表面粗糙度有很大关系。高磷含量的镍磷镀层已经应用于半导体生产用的净室，制造高纯度气体的零部件，燃气轮机的部件等。甘肃天水红山试验机厂将化学镀技术应用在标准砝码表面防护中，取得良好效果。标准砝码以前采用电镀镍- 铬合金层作为表面防护层，沿海地区用户长期使用后，砝码表面出现了不同程度的锈蚀，常规的电镀难以彻底解决标准砝码长时间使用的防锈难题。采用化学镀处理后，砝码表面质量大为改观，工件外观光洁明亮，呈不锈钢色。镀层具有优良的抗腐蚀、抗氧化能力，使得标准砝码的表面防护等级上了一个台阶，沿海地区用户现场使用几年，均未出现锈蚀现象。3.3 结合强度 任何表面镀层都有对镀层结合强度的要求，化学镀也不例外，镀层与基体材料的结合强度将直接影响零件的使用寿命。为此，经采用划痕试验、锉削试验、折断试验、压扁试验、耐蚀试验和金相分析等多种方法对镀层结合强度进行检测表明，化学镀镀层结合强度良好。作为一项关键性能指标，取得良好的结合强度为化学镀技术的不断应用和发展奠定了重要基础。3.4 电特性 化学镀除具有常规的镀层特性外，还有着良好的电特性，包括导电性、热传导性、焊接性、搭接性、绝缘、接点磨损等性能，广泛应用于印字机的感热头和光印刷头、陶瓷片引线阻抗体、电子仪器或设备、软磁材料，以及手机、电熨斗、照相机等各类零件。此外，由于镀层具有良好的光学和辐射特性，镀层再经黑色处理后，具有吸光作用，可用于制造太阳能吸收板等。（四）、热处理及其应用 热处理和化学镀作为两个不同的专业领域，近几年随着各自的技术发展却又相互交叉和渗透，从而进一步推动了热处理和化学镀技术的应用和发展。4.1 热处理对镀层的硬化作用 由于加热导致了化学镀镀层微观结构的变化，故热处理对镀层的硬度和耐磨性的提高有明显作用。各种试验都表明，在400 C左右热处理后，镀层硬度达到最大值，过高或过低的加热温度都无法保证获得镀层的最佳硬度和耐磨性。通过微观结构的分析发现，镀层中硬质相Ni 3P 的存在是关键。所谓的晶化处理，即化学镀后的热处理，可以用来改善镀层与基体的结合强度并提高镀层硬度和耐磨性，其实质是晶化处理将非晶态组织转变为晶态组织，而且可以通过控制晶化温度和时间来获得合适的硬度范围。在晶化转变中，镀层硬度逐渐增高并达到峰值的过程主要是Ni 3P 相逐渐增多所产生的。湖北汽车工业学院在对水泵叶轮FM3 模具进行化学镀后，采用（400 10 ）C 1h 的晶化处理与未经晶化处理的工艺进行了应用对比。结果表明，经过晶化处理的模具，其耐蚀性、结合强度、脱模性、耐磨性等各项技术性能指标明显优于未经晶化处理的，从而有效地改善了模具使用条件，大幅度提高了模具使用寿命，并在上海大众汽车公司得以应用。4.2 低温渗镀复合强化随着经济和技术的发展，众多零件和产品不仅要求有较长的使用寿命，而且还要求有较高精度，所以往往采取在钢的相变温度以下进行表面强化处理，以减少零件变形，如低温氮碳共渗（软氮化）、渗氮、渗硫、化学镀等。但这些单一的表面强化方法都各有优缺点，从而使应用范围受到一定的限制。将低温氮碳共渗和化学镀技术两者结合起来，开拓了一种钢的表面低温复合强化新途径。上海市机械制造工艺研究所运用渗镀复合强化新工艺，对一些零件进行了试验和实际应用。结果表明，经渗镀复合强化处理以后，零件的使用寿命都有不同程度的提高。某厂用来制造灯具的40cr 钢拉伸冲模压边圈，因其尺寸精度高而不宜淬火，原来一直采用低温氮碳共渗处理，在生产过程中由于连续冲压，工作面经常产生拉丝、凹陷等缺陷，几乎每一、二个班次就需拆下，进行磨平、修正，严重影响生产效率。经改用低温渗镀复合强化处理后，由于在共渗层的基础上再覆盖上一层致密、耐磨的镀层，增加了压边圈的有效硬化层深度，在使用过程中连续五、六个班次都不需要换或修正，实际寿命提高两倍以上，显著提高了生产效率，深受厂家的欢迎。另外，木钻工具上的磨损套环，系用cr12 钢制成，经渗镀复合强化处理后，解决了变形难题，装机生产两年多仍能正常运转，效果较好。（五）、 表面再处理 尽管化学镀可以在材料表面获得一层致密的镀层，达到优良的硬度、耐磨、耐腐蚀等性能，但如果能再配合用其它的表面处理方法，则可以得到更为满意的使用效果。5.1 套涂溶胶凝胶 北京航空航天大学在化学镀非晶态Ni- P 合金镀层表面涂覆溶胶- 凝胶涂层，用来封闭镀层表面沉积过程中产生的针孔等缺陷，可以明显提高化学镀Ni- P 合金镀层在硝酸、5 %Nacl 盐水中的耐蚀性；在500 C高温下，经过150h 氧化处理，镀后再涂覆溶胶- 凝胶涂层，其抗氧化性可提高4 倍。采用溶胶- 凝胶方法可以获得特殊的力学性能、化学保护、光、电、催化功能的涂层，目前这项研究开发非常活跃，已在低反光玻璃和热反射玻璃方面获得成功。5.2 套镀硬铬 随着铝制产品应用范围的不断扩大，铝及其合金的表面强化引起重视。铝是极易钝化的金属，在铝材上直接电镀很困难，尤其是在铝上直接镀铬。由于化学镀镍磷镀层较电镀镍层与铝基体有更好的结合力和更少的孔隙，使得在铝基体金属热处理2001 年第1 期上化学镀后再电镀铬成为可能。这种镀层既具有很高的耐磨性和耐腐蚀性能，又具有较好的抗冲击性能，避免了高硬度的铬层与较软的铝基体直接接触而可能引起的开裂、凹陷，这项技术在国外已开始广泛应用。冶金部钢铁研究总院等单位经过反复试验，研究开发了在铝基体上化学镀镍磷，然后再套镀硬铬的工艺，成功地研制出了合格的镀层并应用无梭纺织的剪杆上（铝基），现已大批生产并出口欧洲各国，并获国外认可。（6） 、总结 化学镀合金镀层由于具有优良的耐磨性、耐蚀性、镀层厚度均匀性、致密度高等特点，而引起人们的广泛关注。国外发达国家已将此工艺技术成功地运用于机械、航空航天、石油化工等行业，国内在这方面也进行了很多研究和应用，取得了实质性进展。但是，化学镀在有些领域的应用还有不少问题有待解决，例如在模具和铸模中的应用；有些则在化学镀工艺上有待进一步研究和完善，如镀液的稳定性、废液的回收和再生；有些则在产业化过程中所产生的问题，如大型镀槽的温度均匀性控制、车间环境的污染治理等。随着对化学镀技术研究和应用的不断深入，这些问题必将得到进一步完善和解决。此外，用电刷镀方式能获取比化学镀技术更为理想的镀层性能，从某种程度上说也是化学镀技术应用的延伸和拓展。 因此，化学镀作为一门多学科交叉的应用技术，无论是在热处理专业领域，还是在表面处理专业领域，从理论到实践都必将有着良好的发展空间和广阔的应用前景。参考文献：1 张天顺，TL-6-2 化学镀Ni- P 合金工艺研究J .表面技术，1999 2 郭海祥，化学镀镍磷镀液组份及其作用J .铸锻热，1993 3 李深涛，化学镀Ni- P 合金的热处理复合强化J .金属热处理，1997 ，5 郭海