電刷鍍液制作工藝及鍍層應(yīng)用研究

盧 潔，任貝婷，陳 黎，肖 灑，任喬林，湯迎春，肖亞平，張尖兵

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司,湖北 孝感 432000；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441300；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；)

0 引 言

隨著電刷鍍技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，新技術(shù)、新成果亦不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了電刷鍍技術(shù)科研及開發(fā)工作的進(jìn)一步發(fā)展。電刷鍍是依靠一個(gè)與陽(yáng)極接觸的墊或刷，并提供電鍍所需要的電解液，電鍍時(shí)，墊或刷在被鍍的陰極上移動(dòng)的一種電鍍方法[1]。它是一種很有發(fā)展前途的表面工程維修技術(shù)，特別是在現(xiàn)場(chǎng)不解體修理，或?qū)δ承┯闷渌椒y以修理的大型、復(fù)雜和貴重、精密零件進(jìn)行修復(fù)，采用電刷鍍的方法可收到良好效果，充分顯示出無可比擬的優(yōu)越性[2]。

自20世紀(jì)80年代以來，電刷鍍技術(shù)因使用方便、易操作、鍍液種類多、鍍層質(zhì)量高、鍍積速度快、環(huán)境污染小、省水省電等一系列優(yōu)點(diǎn)在設(shè)備維修中表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，在工礦企業(yè)設(shè)備維修中得到廣泛應(yīng)用，解決了眾多國(guó)家重點(diǎn)工程中大型、貴重、進(jìn)口設(shè)備的維修難題。由于電刷鍍涉及的領(lǐng)域較多，需解決的問題各不相同，因此，各類鍍液研制與使用都有針對(duì)性，在市面購(gòu)置的適用導(dǎo)電板電刷鍍錫、銀防氧化層鍍液也很多，經(jīng)過試用，發(fā)現(xiàn)涂層厚度難以控制、產(chǎn)品批次質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，而且鍍液購(gòu)買成本較高。

本文較詳細(xì)研究了電刷鍍液系列配方及鍍層工藝，并測(cè)試了鍍液主要技術(shù)參數(shù)，鍍層性能，優(yōu)選出合理工藝條件。

1 電刷鍍工藝

1.1 設(shè)備及材料

刷鍍?cè)嚇訛?00 mm×20 mm×2 mm的銅片。電凈處理時(shí)，鍍件作陰極，刷鍍筆作陽(yáng)極，工作電壓8～12 V。活化處理時(shí)，鍍件作陽(yáng)極，刷鍍筆作陰極，輸出電壓為15～25 V。

1.2 電刷鍍工藝流程

(1)用銅作為鍍件基材，用裝載600目砂紙的手持式打磨器對(duì)鍍件表面進(jìn)行粗磨，再用裝載1 000目砂紙的打磨器對(duì)鍍件表面進(jìn)行輕微單向細(xì)磨，初步清除鍍件表面的雜質(zhì)，同時(shí)對(duì)鍍件表面進(jìn)行機(jī)械拋光，獲得光亮、新鮮且微觀粗糙的鍍件表面；

(2)采用電凈液對(duì)拋光后的鍍件進(jìn)行電凈處理，電凈處理時(shí)，鍍件作陰極，刷鍍筆作陽(yáng)極，工作電壓8～12 V；

(3)采用活化液對(duì)電凈處理后的鍍件進(jìn)行活化處理，活化液的pH值為3.5～4.0，活化時(shí)間為5～15 s?；罨幚頃r(shí)鍍件作陽(yáng)極，刷鍍筆作陰極，輸出電壓為15～25 V；

(4)采用刷鍍液對(duì)活化處理后的鍍件進(jìn)行電刷鍍，以形成所需厚度的鍍層，電刷鍍時(shí)電流密度為14～16 A/m2，刷鍍時(shí)間為0.6～1.2 min，刷鍍液pH值為6.8～7.0；

(5)對(duì)鍍件進(jìn)行清洗、干燥、拋光和涂油處理。

1.3 鍍液組成

(1)電凈液主要由以下原料制成：氫氧化鈉20 g/L、碳酸鈉20 g/L、磷酸三鈉70 g/L和氯化鈉2 g/L；

(2)活化液主要由以下原料制成：檸檬酸三鈉130～150 g/L、檸檬酸90～100 g/L和氯化鎳2～4 g/L；

(3)電刷鍍時(shí)電流密度為15 A/m2，刷鍍時(shí)間為1.0 min，刷鍍液pH值為6.9，刷鍍液主要由以下原料制成：銀鹽10 g/L、磺基水楊酸60 g/L、咪唑50 g/L、硝酸鈰0.2 g/L、六次甲基四胺0.1 g/L、二甲基甲酰胺0.1 g/L、聚乙二醇3 g/L和醋酸銨10 g/L。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)施例1

(a)用銅作為鍍件基材，用裝載600目砂紙的手持式打磨器對(duì)鍍件表面進(jìn)行粗磨，再用裝載1 000目砂紙的打磨器對(duì)鍍件表面進(jìn)行輕微單向細(xì)磨，初步清除鍍件表面的雜質(zhì)，同時(shí)對(duì)鍍件表面進(jìn)行機(jī)械拋光，獲得光亮、新鮮且微觀粗糙的鍍件表面；

(b)采用電凈液對(duì)拋光后的鍍件進(jìn)行電凈處理；電凈處理時(shí)鍍件作陰極，刷鍍筆作陽(yáng)極，工作電壓8 V。電凈液主要由以下原料制成：氫氧化鈉20 g/L、碳酸鈉20 g/L、磷酸三鈉70 g/L和氯化鈉2 g/L。采用活化液對(duì)電凈處理后的鍍件進(jìn)行活化處理；活化處理時(shí)鍍件作陽(yáng)極，刷鍍筆作陰極，輸出電壓為20 V，活化時(shí)間為10 s?；罨褐饕梢韵略现瞥桑簷幟仕崛c130 g/L、檸檬酸90 g/L和氯化鎳2 g/L；

(c)采用刷鍍液對(duì)活化處理后的鍍件進(jìn)行電刷鍍，以形成所需厚度的鍍層；電刷鍍時(shí)電流密度為15 A/m2，刷鍍時(shí)間為1.0 min，刷鍍液pH值為6.9。刷鍍液主要由以下原料制成：銀鹽10 g/L、磺基水楊酸60 g/L、咪唑50 g/L、硝酸鈰0.2 g/L、六次甲基四胺0.1 g/L、二甲基甲酰胺0.1 g/L、聚乙二醇3 g/L和醋酸銨10 g/L。

(d)對(duì)鍍件進(jìn)行清洗、干燥、拋光和涂油處理。

圖1為實(shí)施例1提供的鍍層的掃描電鏡圖。

2.2 實(shí)施例2

除了步驟(b)中電凈液組成不同之外，其余步驟和工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。電凈液主要由以下原料制成：氫氧化鈉9 g/L、碳酸鈉50 g/L、磷酸三鈉50 g/L和硅酸鈉9 g/L。圖2為實(shí)施例2提供的鍍層的掃描電鏡圖。

圖1 實(shí)施例1提供的鍍層的掃描電鏡圖

圖2 實(shí)施例2提供的鍍層的掃描電鏡圖

2.3 實(shí)施例3

除了步驟(b)中活化液組成不同之外，其余步驟和工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。活化液主要由以下原料制成：硫酸 30 g/L和硝酸50 g/L。圖3為實(shí)施例3提供的鍍層的掃描電鏡圖。

圖3 實(shí)施例3提供的鍍層的掃描電鏡圖

2.4 對(duì)比例1

除了步驟(c)刷鍍時(shí)間為20 s，其余步驟與工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖4為對(duì)比例1提供的鍍層的掃描電鏡圖。

2.5 對(duì)比例2

除了步驟(c)刷鍍時(shí)間為200 s，其余步驟與工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖5為對(duì)比例2提供的鍍層的掃描電鏡圖。

2.6 對(duì)比例3

除了步驟(c)中刷鍍液的原料中未添加咪唑，其余步驟以及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖6為對(duì)比例3提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖。

圖4 對(duì)比例1提供的鍍層的掃描電鏡圖

圖5 對(duì)比例2提供的鍍層的掃描電鏡圖

圖6 對(duì)比例3提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖

2.7 對(duì)比例4

除了步驟(c)中刷鍍液的原料中未添加六次甲基四胺和二甲基甲酰胺，其余步驟以及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖7為對(duì)比例4提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖。

圖7 對(duì)比例4提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖

2.8 對(duì)比例5

除了步驟(c)中刷鍍液的原料中未添加聚乙二醇，其余步驟以及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖3為對(duì)比例5提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖。

圖8 對(duì)比例5提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖

2.9 對(duì)比例6

除了步驟(c)中刷鍍液的原料中未添加醋酸銨，其余步驟以及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖9為對(duì)比例6提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖。

圖9 對(duì)比例6提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖

2.10 對(duì)比例7

除了步驟(c)中刷鍍液的原料中未添加硝酸鈰，其余步驟以及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。圖10為對(duì)比例7提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖。

圖10 對(duì)比例7提供的鍍層表面形貌掃描電鏡圖

2.11 鍍層與銅基表面結(jié)合力

(1)彎曲試驗(yàn)

用銅作為鍍件基材，電刷鍍后反復(fù)彎曲銅片，直至折斷。根據(jù)斷裂面處鍍層是否與基體一起斷裂、有無起皮現(xiàn)象來判斷鍍層與基體的結(jié)合力。

圖11為實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的彎曲情況。如圖所示，斷裂面處鍍層與鍍件一起斷裂，在斷面上沒有出現(xiàn)起皮、鍍層脫落等現(xiàn)象，說明鍍層與鍍件基體的結(jié)合力良好。

(2)劃痕試驗(yàn)

用硬質(zhì)劃刀在鍍件上用力劃幾條相距各2 mm的平行線，并保證劃刀的刃口劃到基體金屬以下。用膠帶緊貼在斷口處，再撕起，重復(fù)十次，以兩劃線之間鍍層有無任何部分脫離基體來判斷鍍層與基體的結(jié)合力。

圖11 實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的彎曲情況

圖12為實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的劃痕情況。如圖所示，其兩兩劃線之間鍍層無任何部分脫離基體，說明鍍層附著力良好。

圖12 實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的劃痕情況

(3)熱震試驗(yàn)

將鍍件放入烘箱內(nèi)，在150℃下烘烤1 h，取出后快速風(fēng)冷至室溫，以鍍層表面有無起泡來判斷鍍層與基體的結(jié)合力。

圖13為實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的熱震情況。如圖所示，其鍍層表面沒有出現(xiàn)氣泡或脫離現(xiàn)象， 表明熱穩(wěn)定性良好。

圖13 實(shí)施例1提供的鍍層在鍍件上的熱震情況

3 試驗(yàn)分析

(1)從圖2和圖3中可以看出，當(dāng)未采用適當(dāng)電凈液(實(shí)施例2)或者未采用活化液(實(shí)施例3)進(jìn)行前處理時(shí)，鍍層的厚度會(huì)明顯降低，不能滿足對(duì)鍍層厚度的要求。

(2)從圖4中可以看出，當(dāng)刷鍍時(shí)間太短(對(duì)比例1)，鍍層厚度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求；從圖5中可以看出，電刷鍍時(shí)間太長(zhǎng)(對(duì)比例2)，鍍層厚度沒有明顯增加，而且由于是帶電工作，鍍層容易在空氣中氧化發(fā)黑，電刷鍍時(shí)間適中(實(shí)施例1)，鍍層較均勻且厚度能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

(3)從圖1(b)可以看出，鍍層分布均勻，覆蓋能力強(qiáng)，即使是鍍件的天然紋絡(luò)和缺口也被鍍層完整覆蓋，且鍍層致密光亮。該鍍層明顯優(yōu)于圖6-圖10所得的鍍層表面形貌特征。

(4)從圖6中可以看出，在微觀下鍍層晶粒較為粗大，不夠平整，有大量褶皺和空洞，可以看出咪唑的引入能有效控制銀沉積結(jié)晶的晶粒大小，有效提高鍍液的整平能力。

(5)從圖7中可以看出，圖7鍍層表面形貌比圖6要好很多，但微觀上依舊有褶皺存在且不平整，晶粒依舊較為粗大。

(6)從圖8中可以看出，鍍層表面多孔且鍍層結(jié)晶分布不均勻。這說明聚乙二醇的加入，一方面起潤(rùn)濕作用，降低鍍液和工件表面之間的表面張力，使電鍍過程中陰極產(chǎn)生的氫氣泡在鍍件表面迅速滑脫，大大降低由于氫氣泡滯留而引起的針孔的產(chǎn)生，尤其能避免碳鋼等基體產(chǎn)生氫脆；另一方面表面活性劑在鍍液中能提高鍍層的柔韌性，降低內(nèi)應(yīng)力。

(7)從圖9中可以看出，鍍層表面存在較多蝕坑，微觀上存在嚴(yán)重被腐蝕的現(xiàn)象。這說明鍍液pH值對(duì)絡(luò)合劑和Ag+形成配合物的還原過程影響很大，在弱堿性(pH=8)鍍液中絡(luò)合劑和Ag+的穩(wěn)定配位濃度高，且隨pH值增大，絡(luò)合劑與Ag+形成的配合物會(huì)更加穩(wěn)定。因此，鍍液在電化學(xué)沉積過程酸度的增大對(duì)刷鍍液的穩(wěn)定配合物濃度有較大影響。

(8)從圖10中可以看出鍍層較為細(xì)膩，但微觀上存在很多皺紋，說明稀土元素的引入能有效提高鍍液的整平能力和覆蓋能力。

(9)從圖11中可以看出斷裂面處鍍層與鍍件一起斷裂，在斷面上沒有出現(xiàn)起皮、鍍層脫落等現(xiàn)象，說明鍍層與鍍件基體的結(jié)合力良好。

(10)從圖12中可以看出其兩兩劃線之間鍍層無任何部分脫離基體，說明鍍層附著力良好。

(11)從圖13中可以看出其鍍層表面沒有出現(xiàn)氣泡或脫離現(xiàn)象，表明熱穩(wěn)定性良好。

4 結(jié) 論

(1)本文提供了一種電刷鍍工藝方法，包括對(duì)鍍件進(jìn)行打磨和拋光處理后，進(jìn)行電凈處理和活化處理，然后進(jìn)行電刷鍍處理后，再進(jìn)行鍍后處理等步驟。該工藝操作簡(jiǎn)單，易于操作，通過對(duì)電刷鍍工藝方法各步驟、刷鍍液組成以及用量的限定，使得刷鍍到鍍件表面的鍍層厚度、硬度可控，所得到的鍍層光亮、致密、附著力佳，綜合性能好，從而保證各批次產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，改善了現(xiàn)有技術(shù)中涂層厚度難以控制、產(chǎn)品批次質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

(2)本文提供了一種鍍層，通過上述電刷鍍工藝方法制成，該鍍層平整、光亮、致密、附著力佳且厚度、硬度可控，綜合質(zhì)量較佳。

(3)本文提供了一種電刷鍍工藝方法的應(yīng)用，鑒于上述電刷鍍工藝方法或鍍層所具有的優(yōu)勢(shì)，使得其在導(dǎo)電板中具有良好的應(yīng)用前景。