納米電刷鍍技術(shù)

納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室講課人：胡振峰裝備再制造關(guān)鍵技術(shù)系列講座之主要內(nèi)容一、概述二、納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)原理三、納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)特點與應(yīng)用范圍四、納米復(fù)合電刷鍍設(shè)備五、納米復(fù)合電刷鍍?nèi)芤毫?、納米復(fù)合電刷鍍工藝七、納米復(fù)合電刷鍍應(yīng)用實例一、概述

1.電刷鍍技術(shù)

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(xiàn)在的刷鍍技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項獨特的新技術(shù)。這項技術(shù)設(shè)備簡單，操作方便；鍍液種類多，鍍積速度快，應(yīng)用范圍廣；鍍層與基體的結(jié)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(jīng)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(yè)中被廣泛地應(yīng)用。

電刷鍍是80年代初發(fā)展起來的一項表面技術(shù)，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(chuàng)造三十二億元的經(jīng)濟效益，該技術(shù)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(shù)榮獲國家科技進步一等獎2.納米技術(shù)

（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(dāng)于：

(1)10個氫原子排起來的長度；

(2)頭發(fā)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(shù)

（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(jié)

納米材料具有小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)，在力、電、聲、光、熱、磁性能上表現(xiàn)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(xiàn)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(jié)溫度降低近20000C；納米TiO2

陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性,在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋；半導(dǎo)體Si

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

納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)是一種新興的復(fù)合鍍層制備技術(shù)。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(fā)生共沉積，從而獲得具有特定優(yōu)異性能復(fù)合鍍層的技術(shù)。納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)是裝備再制造關(guān)鍵技術(shù)之一，相對于普通電刷鍍技術(shù)在鍍層的硬度、結(jié)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(shù)的應(yīng)用范圍更加廣范，并解決了諸多傳統(tǒng)刷鍍技術(shù)不能解決的修復(fù)難題。二、納米復(fù)合電刷鍍的基本原理[NP]+Mn＋+ne

→

M(NP)式中:[NP]—復(fù)合刷鍍液中納米顆粒

Mn＋金屬正離子

n—該金屬的化合價數(shù)

e—電子

M—金屬原子

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

主要優(yōu)點：

1．設(shè)備簡單：不需要鍍槽，便于攜帶，適用于野外修理及現(xiàn)場修復(fù)，尤其對于大型精密設(shè)備的現(xiàn)場不解體修復(fù)更具有實用價值。（坦克后橋孔、石化設(shè)備、鉆井設(shè)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?yōu)?00~400A/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(chǎn)效率是槽鍍的10~15倍。

6．結(jié)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(shè)備可以鍍積幾十種鍍層（溶液種類多），應(yīng)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(yè)的不同需要。8.溶液性能穩(wěn)定：使用時不需要化驗調(diào)整，無毒，對環(huán)境污染??；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(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件都可修復(fù)。10.修復(fù)周期短，費用低，經(jīng)濟效益大。12.零件不受工件形狀、尺寸限制，小到半導(dǎo)體元件，大到幾十噸甚至上百噸的設(shè)備?？尚迯?fù)比較復(fù)雜的零件表面。13.一套設(shè)備可在多種材料上刷鍍，獲得復(fù)合鍍層非常方便，并可用疊層結(jié)構(gòu)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(yīng)力交變負荷處。納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)的用途1．修補槽鍍產(chǎn)品缺陷；2．修復(fù)加工超差件及零件的表面磨損，恢復(fù)其尺寸精度和幾何形狀精度；3．修復(fù)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(dǎo)電性、導(dǎo)磁性，以及減磨性.7．裝飾和修復(fù)建筑物、文物、工藝美術(shù)制品。8、修復(fù)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(yè)。（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(shè)備現(xiàn)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(jié)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(fù)合電刷鍍設(shè)備MS-100納米電刷鍍設(shè)備NDSD-100S型納米電刷鍍電源（一）納米復(fù)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(diào)節(jié)

3．極性可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鍍筆、內(nèi)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(shè)備及材料

可移動式電刷鍍轉(zhuǎn)臺臺式納米電刷鍍轉(zhuǎn)臺五、納米復(fù)合電刷鍍?nèi)芤罕砻骖A(yù)處理溶液鍍底層和夾心層溶液納米顆粒復(fù)合鍍液不同的基質(zhì)金屬溶液中由于加入的納米顆粒的種類、數(shù)量的不同而得到不同的含納米顆粒的復(fù)合鍍液，制得性能各異的含米顆粒的復(fù)合鍍層。發(fā)明名稱：納米顆粒復(fù)合電刷鍍鍍液料漿的制備方法專利號：02101196.6現(xiàn)已制備的納米復(fù)合鍍液六、納米復(fù)合電刷鍍工藝

1.電刷鍍的一般工藝過程

可根據(jù)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(shù)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(shù)和鍍液，科學(xué)地進行鍍層設(shè)計，合理地安排工藝順序。在實際刷鍍過程中，可適當(dāng)增加或減少相應(yīng)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(jù)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(fù)工件尺寸鍍尺寸層6極性正接鍍好底層提高界面結(jié)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(xué)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(nèi)容、目的工序名稱工序號納米電刷鍍的工藝參數(shù)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(zhì)量的工藝參數(shù)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(zhì)量。當(dāng)電壓偏高時刷鍍電流相應(yīng)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(fā)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(fā)黑，甚至過熱脫落。當(dāng)電壓偏低時，不僅沉積速度太慢，而且同樣會使鍍層質(zhì)量下降。

1刷鍍電壓

所以，為了保證得到高質(zhì)量得鍍層和提高生產(chǎn)效率，應(yīng)按每種鍍液確定的電壓范圍靈活使用。例如，當(dāng)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(yīng)低一些，反之，電壓應(yīng)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(yīng)低一些，反之，電壓應(yīng)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(diào)節(jié)。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(fù)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(yīng)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(shù)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(chǎn)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(xiàn)象，使更多的金屬離子有機會還原沉積。（3）能機械地驅(qū)除工件表面上的氣泡和其它雜質(zhì)，有利于減少氫脆，提高鍍層質(zhì)量。（4）造成晶粒斷續(xù)成長的結(jié)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(xué)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(fā)熱量大，鍍層易發(fā)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(yīng)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(yīng)保持在25~50℃范圍內(nèi)，這不僅能使溶液本身的物化性能（如pH值、電導(dǎo)率、溶液成分、耗電系數(shù)、表面張力等）保持相對穩(wěn)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(tài)，并且所得到的鍍層內(nèi)應(yīng)力小，結(jié)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(yīng)的熱效應(yīng)，時間長了就會使鍍筆發(fā)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(huán)，后果是鍍積速度逐漸降低，鍍液被污染，鍍液中部分物質(zhì)揮發(fā)，成分改變，這樣就不會得到高質(zhì)量鍍層。為了防止鍍筆過熱，在刷鍍層厚時，應(yīng)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(yīng)保持清潔，上面的鈍化層或銹蝕時，都將影響散熱效果，應(yīng)及時清理干凈。七、納米復(fù)合電刷鍍應(yīng)用實例傳統(tǒng)電刷鍍的應(yīng)用納米復(fù)合電刷鍍的應(yīng)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(shù)推廣會”，并舉辦了“全軍納米電刷鍍新技術(shù)學(xué)習(xí)班”。納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)已推廣應(yīng)用到全軍各大軍區(qū)各軍兵種16家裝備重點維修部隊全軍納米電刷鍍新技術(shù)推廣會2002．6

徐濱士院士在“學(xué)習(xí)班”上講課來自全軍各大軍區(qū)各軍兵種16家裝備重點維修部隊的技術(shù)人員在聽課

維修局封偉書副局長在“學(xué)習(xí)班”開學(xué)典禮上講話修復(fù)坦克零件將納米顆粒復(fù)合電刷鍍液首次在59式坦克零件的修復(fù)中使用，并進行了實車考核試驗。修復(fù)側(cè)減速器被動軸修復(fù)大制動鼓密封蓋abc側(cè)減速器主動軸側(cè)減速器被動軸大制動鼓密封蓋修復(fù)坦克零件零件全圖局部放大圖★在艦船大型貴重零部件及進口關(guān)鍵件維修中的應(yīng)用修復(fù)艦船零件納米電刷鍍修復(fù)052型艦ND型密封裝置滑環(huán)φ470內(nèi)表面（瑞典）。

解決了艦船貴重、關(guān)鍵零部件原來無法維修的難題修復(fù)飛機零件修復(fù)葉片底面修復(fù)葉片榫頭側(cè)面高壓壓氣機整流葉片應(yīng)用納米顆粒復(fù)合電刷鍍液修復(fù)蘇-