自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用

1、自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用費敬銀.王衛(wèi)康,梁國正.辛文利,劉江宏(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,甘肅蘭州710072)摘要傳統(tǒng)的電刷鍍鎳技術(shù)以使用不溶性陽極(石墨)為特征,但存在鍍液組成不穩(wěn)定,導(dǎo)致鍍層性能不斷變化,使產(chǎn)品質(zhì)量難以保證.對4種鍍鎳溶液(特殊鎳,快鎳,Watts鎳,自補償全光亮超快鎳)的性能進行了分析,測試.結(jié)果表明:全光亮超快鎳鍍液具有自補償特性,各項性能指標(biāo)均高于常規(guī)的電刷鍍鎳溶液,是一種沉積速度快,鍍厚能力強,鍍層硬度高,施工方便,成本低廉的新型電刷鍍鎳溶液,特別適合刷鍍超厚耐磨鍍層.該技術(shù)已

2、成功應(yīng)用于超音速風(fēng)洞表面的強化,并可替代傳統(tǒng)的電刷鍍鎳技術(shù)進行設(shè)備維修或功能性表面處理.關(guān)鍵詞自補償光亮電刷鍍鎳;風(fēng)洞;表面強化;應(yīng)用中圖分類號TQ153.1文獻標(biāo)識碼A文章編號10011560(2006)060005050引言風(fēng)洞是用于測試飛機,導(dǎo)彈等飛行器翼形設(shè)計,制造質(zhì)量高低的關(guān)鍵裝備.過去,一直采用涂覆有機涂層法對翼形風(fēng)洞實驗段的內(nèi)表面進行防腐蝕,耐沖刷處理.然而,在高速氣流的沖刷作用下,有機涂層的剝落常常導(dǎo)致不良后果.對于氣體流速更高的超音速風(fēng)洞而言,仍采用涂刷有機涂層的方法對實驗段的內(nèi)表面進行防腐蝕,耐沖刷處理,必將嚴(yán)重影響其使用效果.電刷鍍作為一種新的表面改性技術(shù),已在新產(chǎn)品的表

3、面強化,磨損件的尺寸恢復(fù),特殊零件的功能性表面處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用.但常規(guī)電刷鍍技術(shù)使用高純石墨作不溶性陽極,不使用由鍍層金屬制成的可溶性陽極,其主要原因是刷鍍時陽極電流密度很高,金屬陽極易發(fā)生表面鈍化,導(dǎo)電性變差,甚至不導(dǎo)電,鍍層沉積速度低.電刷鍍作業(yè)存在的最大的問題是,刷鍍過程中所形成的鍍層消耗掉的金屬離子不能通過金屬的陽極溶解得到補充,隨著刷鍍的進行,鍍液的組成,鍍層的結(jié)構(gòu)與性能均發(fā)生變化J.當(dāng)鍍液組成變到一定程度后,盡管鍍液中仍含有待鍍的金屬離子,鍍液將不能再繼續(xù)使用,鍍液的利用率不到60%Ls,gJ.在種類繁多的電刷鍍?nèi)芤褐?鍍鎳溶液的消耗收稿日期20051130量最大,目前很

4、少有使用具有自補償特性的電刷鍍鎳溶液j,即使是電刷鍍行業(yè)國際知名的賽來創(chuàng)(Seleetron),達立克(Dalie),波音(Boeing)工業(yè)公司,仍然在使用不溶性陽極電刷鍍鎳技術(shù)j.具有自補償特性的電刷鍍鎳溶液,以可溶性鎳陽極代替石墨陽極,通過鎳陽極的溶解補充刷鍍形成鍍層所消耗掉的Ni,從而提高了鍍液及鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定性,并使刷鍍成本大幅度降低.具有自補償特性的電刷鍍鎳溶液的關(guān)鍵是在很高的陽極電流密度下能保證鎳陽極在該鍍液中正常溶解,不出現(xiàn)表面鈍化現(xiàn)象.本工作針對超音速風(fēng)洞實驗段內(nèi)表面防腐蝕,耐沖刷的使用要求,研制了一系列具有自補償特性的光亮鎳電刷鍍?nèi)芤?電刷鍍出了硬度高,全光亮的鎳鍍層;重點

5、介紹了鍍液必備的電化學(xué)特性,組成特性,施鍍特點以及鍍層性能的測試和評價方法.1試驗方法1.1材料及設(shè)備試樣材料為20碳鋼,尺寸為,/4ommX40mm(刷鍍部分為qb40mmx10mm).試驗設(shè)備:DSD.30A直流電刷鍍電源;DHZIA型電化學(xué)綜合測試儀;LZ3204型xY函數(shù)記錄儀;HX.1000顯微硬度計;TR200粗糙度i見0定儀.自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用刷鍍?nèi)芤?電凈液;2號活化液;3號活化液;特鎳液;快速鎳液;Watts鎳液,;光亮底鎳液;自補償全光亮超快鎳液.1.2刷鍍工藝流程工件表面磨光一丙酮擦洗一電凈一水洗一2號液活化一水洗一3號液活化一水洗一光

6、亮鍍底鎳一自補償全光亮超快鎳冰洗干燥一性能評估.1.3性能測試方法1.3.1鍍液(1)陰,陽極極化曲線.以三明無線電二廠的DHZIA型電化學(xué)綜合測試儀,上海大華儀表廠LZ3-204型XY函數(shù)記錄儀作鍍液極化曲線測試系統(tǒng).用純鎳作輔助電極和研究電極,用23Z型飽和甘汞電極作參比電極.掃描速度為2.5mV/s,測試溫度與鍍液溫度相近,除Watts鎳在(502)下測試外,其余鍍液均在(25土2)oC下測試.被測鍍液分別為特殊鎳鍍液(1號),快速鎳鍍液(2號),Watts鎳鍍液(3號),自補償全光亮超快鎳鍍液(4號).(2)陰極電流效率.用電量一增重法測量.(3)自補償特性.取自補償全光亮超快鎳鍍液5

7、00mL,每刷鍍2A?h電量后,取樣測量鍍液的pH值,分析鎳離子含量.測試過程中始終保持鍍液的體積不變,若由于水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致溶液體積減少則補加蒸餾水.(4)沉積速度.與常規(guī)評價沉積速度的方法不同,本研究分別測定了不同種類鍍液刷鍍時的陽極電流密度(.,)和與該電流密度相對應(yīng)的陰極電流效率(E.),并用JXE的大小作為表征鍍液沉積速度高低的判據(jù).(5)鍍厚能力.在經(jīng)過適當(dāng)前處理的20碳鋼上,分別一次性刷鍍0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6mm厚的鍍層,測定表面粗糙度,結(jié)合力等,根據(jù)測量結(jié)果,給出鍍厚能力高低的參考數(shù)據(jù).(6)耗電系數(shù).用電量一測厚法測量鍍液的耗電系數(shù)cA?h/(dm?

8、m).在0mm40mm的圓棒料上,每刷鍍5A-h的電量(AQ),用千分尺測量一次鍍層厚度的增加量(),并根據(jù)耗電系數(shù)的定義式C=aQ/(?S)計算鍍液的耗電系數(shù).1.3.2鍍層(1)結(jié)合力.按GB527085的試驗方法,用彎曲,磨削試驗法檢驗鍍層與基體的結(jié)合力.(2)粗糙度.用粗糙度測量儀分別測量基體表面的粗糙度(R),鍍鎳后的表面粗糙度(R),并用粗糙度相對變化的分?jǐn)?shù)(f-JR)/RX100%評價鍍鎳層粗糙度的高低.其數(shù)值越低,說明粗糙度變化越小,鍍液的性能越好.(3)硬度.按GB/T434291試驗方法測定鍍層的硬度.2結(jié)果與分析2.1鍍液性能2.1.1陰,陽極極化曲線對4種具有代表性的鍍

9、鎳溶液進行陰,陽極極化曲線測定:(1)特殊鎳(底鎳)鍍液,常用來刷鍍底層,以提高鍍層與基體的結(jié)合力;(2)常用快速鎳鍍液,用作恢復(fù)尺寸或用作面層;(3)Watts鎳鍍液是電鍍鎳生產(chǎn)中常用的基礎(chǔ)鍍鎳溶液;(4)自補償全光亮超快鎳鍍液是一種新型的具有自補償特性的全光亮超快速電刷鍍鎳溶液.4種鍍液的陰,陽極極化曲線測量結(jié)果見圖1和圖2.0圖14種典型鍍液的陰極極化曲線圖24種典型鍍液的陽極極化曲線從圖l可以看出,即使在較低的陰極過電位下,自補償全光亮超快鎳鍍液(4號)就已經(jīng)具有高于其他鍍液的還原速度,這是該鍍液比其他鍍液具有更快沉積速度的試驗依據(jù).當(dāng)陰極過電位繼續(xù)增大時,在l,2,3號鍍液中,研究電

10、極表面產(chǎn)生的氣泡越來越多,說明以氫氣形式析出的副產(chǎn)物越.lllllllll0一.一._|ll一一一._0:.c三.l一0一0懈.0.一囊曩_彬瓣柑搿幫螄艫00囂黲搿孵搿黲移辨臻黔自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用多,電流效率越低.而4號鍍液中只有少量的氣體產(chǎn)生,說明副產(chǎn)物少,電流效率高.另外,從極化測量結(jié)束后試樣的表面狀態(tài)看,1,2,3號鍍液沉積出的鎳層則呈灰色或灰褐色,表面粗糙或沉積物呈粉狀,而4號鍍液沉積出的鎳層則呈光亮的銀白色.從圖2可以看出,在2號鍍液中,鎳陽極一直處于陽極鈍化狀態(tài),這說明常規(guī)快速鎳液刷鍍,不能用純鎳作陽極.雖然在較低的陽極過電位下,1,3號鍍液的陽

11、極電流密度隨著過電位的增加略有增加(呈現(xiàn)出一定的陽極活性),但很快就由活化狀態(tài)進入陽極鈍化狀態(tài),差別僅在于其維鈍電流密度比2號鍍液略高一些.在4號鍍液中,鎳陽極始終處于陽極活性狀態(tài),陽極電流密度隨陽極極化過電位的增大而迅速增加,這便是該鍍液具有自補償特性的本質(zhì)特征.2.1.2陰極電流效率任意一種鍍液的陰極電流的效率都會受到鍍液溫度,電流密度以及其他工藝參數(shù)的影響,所以在電流效率測定過程中,必須保證測量條件與使用條件的一致性.針對不同種類鍍液的使用特點,分別在不同的溫度下考察了電流密度對陰極電流效率的影響規(guī)律.表1給出的電流效率數(shù)據(jù)則是正常使用溫度下的結(jié)果.表1鍍液電流效率隨電流密度變化的規(guī)律%

12、注:#電流密度大于該值后,研冤電極的表面鑊層起皮;電流密度大于該值后,研究電極的表面鍍層呈粉末狀.從表1可知,常規(guī)電刷鍍鎳溶液(1號,2號)的電流約為40%,當(dāng)電流密度較高時,鍍層起皮或粉化.因此,在可以形成良好鍍層的電流密度范圍內(nèi),其陰極電流效率不高.雖然3號鎳鍍液在低電流密度下有較高的電流效率,但電流密度稍高,鍍層就開始粉化,不能用作電刷鍍鎳溶液.而自補償全光亮超快鎳鍍液,即使在高達250A/din電流密度下,也有很高的電流效率(80%).自補償全光亮超快鎳鍍液的沉積速度約是其他鍍液的510倍.2.1.3全光亮超快鎳鍍液的自補償性為了進一步證明自補償全光亮超快鎳鍍液的自補償特性,取鍍液50

13、0mL,每刷鍍2A?h的電量,取樣分析鎳離子的濃度,并測量鍍液的pH值,結(jié)果見表2.表2全光亮超快鎳鍍液的Ni,pl-I值隨使用程度而變化的規(guī)律從表2可知,在全光亮超快鎳鍍液中,一定范圍內(nèi)Ni的濃度隨使用程度(總電量,A?h)的增加而略有增加,pH值也略有上升,但變化的幅度很小.這可歸因于陰極電流效率略小于100%(有少量氫氣析出,H濃度略有降低),陽極正常溶解(約為100%,除了鎳的陽極溶解外,沒有其他的物質(zhì)在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)).通過對全光亮超快鎳鍍液自補償特性的分析,測試可知,用該鍍液刷鍍,可以金屬鎳作可溶性陽極,刷鍍過程中形成的鍍層所消耗掉的Ni可以通過鎳陽極的溶解來補充.因鍍液中Ni

14、的濃度變化甚微,鍍液的組成和鍍層性能很穩(wěn)定.全光亮超快鎳鍍液pH值在4.55.0內(nèi),呈弱酸性,對工件或設(shè)備不會產(chǎn)生明顯的腐蝕,也不會造成鋼鐵件的表面鈍化.實踐證明,對于鍍層不太厚的工件(<0.3mm),即使不鍍底層,經(jīng)活化后直接鍍自補償全光亮超快鎳,也可以保證鍍層與基體的結(jié)合強度滿足使用要求.2.1.4沉積速度影響沉積速度的因素很多(如陰陽極的接觸面積,電流效率,刷鍍電壓,鍍液溫度,供液方式等),當(dāng)它們不確定時,沉積速度的高低也就無從談起.因此,比較客觀地表征沉積速度高低的參數(shù)應(yīng)該是,正常刷鍍條件下,將陽極電流密度(.,)和與之對應(yīng)的陰極電流效率(E)綜合考慮,用JE的大小來表示沉積速度

15、的高低才有明確的含義.常規(guī)的電刷鍍鎳溶液,其陽極電流密度一般小于50A/din,與其對應(yīng)的陰極電流效率小于50%.而自補償全光亮超快鎳鍍液為50250A/din,與之對應(yīng)的電流效率高于85%,所以它的沉積速度最高,可是常規(guī)電刷鍍鎳溶液的5l0倍.修復(fù)一臻鞲豢一000西潞0沿自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用個超差0.2mm的工件(大多數(shù)待修工件的超差尺寸都在此值范圍內(nèi))只需要十幾分鐘,既減輕了操作強度,又提高了生產(chǎn)效率.2.1.5鍍厚能力在經(jīng)過前處理的20碳鋼上,使用自補償全光亮超快鎳鍍液分別一次性刷鍍0.1,0.2,03,0.4,0.5,0.6mm厚的鍍層.根據(jù)鍍層粗糙度

16、變化的幅度及是否剝落來判斷鍍液的鍍厚能力.當(dāng)鍍層厚度小于0.3mm時,鍍層的粗糙度與基體的粗糙度相當(dāng),粗糙度變化小于15%;打磨鍍層至露出基體材料,鍍層也不剝落;當(dāng)鍍層厚度大于0.3mm時,鍍層的粗糙度隨厚度的增加而略有增加,但鍍層邊緣的毛刺呈圓球狀,打磨鍍層至露出基體,鍍層也不剝落.如果在刷鍍過程中,間斷地用水砂紙蘸鍍液打磨試樣,一次可刷鍍1mm以上厚的鍍層.因此,對于大多數(shù)需要恢復(fù)尺寸的工件,一次刷鍍就能滿足厚度要求.2.1.6耗電系數(shù)為了便于對鍍層的厚度進行實時控制而引入耗電系數(shù)概念,并將其作為評價電刷鍍?nèi)芤盒阅艿囊豁椈緟?shù).耗電系數(shù)是指在1dm上均勻地電沉積1m厚的金屬鍍層所消耗的電

17、量.測試表明,自補償全光亮超快鎳鍍液的耗電系數(shù)是0,081A-11/(dm-m),小于其他種類電刷鍍鎳溶液的耗電系數(shù),7.這是因為相對于其他種類的電刷鍍鎳溶液而言,自補償全光亮超快鎳鍍液具有最高的陰極電流效率.常規(guī)電刷鍍鎳溶液的耗電系數(shù)隨刷鍍時間的增加而增大7J,而全光亮超快鎳鍍液在整個刷鍍過程中,耗電系數(shù)幾乎不發(fā)生變化(因為鍍液的組成變化甚微),這為實現(xiàn)精確刷鍍奠定了基礎(chǔ).2.2鍍層性能2.2.1結(jié)合力測試表明,單邊厚度小于0.3nlm的鍍鎳試樣,均能通過彎曲和磨削試驗;單邊厚度大于0.3mm的試樣能通過磨削試驗,部分彎曲試樣的頂部有裂紋主要是鍍層的硬度太高,韌性有所下降之故.2.2.2粗糙

18、度測試表明,當(dāng)鍍鎳層厚度小于0.3mm時,鍍層的粗糙度與基體的粗糙度相當(dāng),粗糙度變化小于15%;鍍層厚度大于0.3mm的試樣,隨著厚度的增加,粗糙度略有增加,但鍍層邊緣的毛刺呈圓球狀,粗糙度的相對變化率仍小于30%(不包括邊緣部分).這說明使用自補償全光亮超快鎳鍍液刷鍍出的鍍層光滑平整,特別適合于刷鍍超厚鍍層.2.2.3硬度鍍層硬度隨刷鍍電壓的升高而增加,最高值可達850HV,最低值也在650HV以上,達到或超過硬鉻層的硬度,遠高于常規(guī)電刷鍍鎳層的硬度.7_,這是因為在自補償全光亮超快鎳刷鍍過程中,電流密度高,形成的晶核細小,位錯密度大.鍍層硬度增加,耐磨性提高,這也為用該鍍液對超音速風(fēng)洞表面

19、強化奠定了基礎(chǔ).2.3其他特點(1)鍍液無毒,腐蝕性弱.自補償全光亮超快鎳鍍液由無毒無副作用的物質(zhì)制成,對皮膚無刺激,對人體無害.鍍液在貯存和刷鍍過程中無有害氣體(如C1:,NH,等)放出,不發(fā)生其他化學(xué)變化.因此,不會造成環(huán)境污染,也不會造成鍍液失效,既改善了勞動條件,又延長了使用和貯存期.超音速風(fēng)洞的表面強化處理是在1999年完成的,當(dāng)時使用的鍍液至今仍然正常,各項性能指標(biāo)均未發(fā)生變化.,(2)運輸,攜帶,使用方便,成本低廉.自補償全光亮超快鎳鍍液可以制成固體制劑,使用時只需加水(蒸餾水或去離子水)溶解即可,因而運輸,攜帶,使用都十分方便.使用時,若水分蒸發(fā),少量流失造成鍍液體積減少,加水

20、至原體積后仍可正常使用;若有固體顆粒或懸浮物混入鍍液,過濾后即可繼續(xù)使用.由于鍍液可以重復(fù)使用,刷鍍過程中消耗的只是鎳陽極,故使用成本只是現(xiàn)有電刷鍍鎳技術(shù)的1/51/106,7,10.3應(yīng)用實例針對超音速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)和使用特點,利用研制的高硬度,全光亮電刷鍍鎳技術(shù),對其總面積達5Om的內(nèi)表面進行了防腐蝕,耐沖刷改性處理.由于鍍鎳層硬度高,鍍厚能力強,一次刷鍍就可以滿足其使用要求,從根本上解決了風(fēng)洞長期以來在待機或使用中存在的腐蝕和剝落問題.自補償全光亮超快鎳電刷鍍技術(shù)不僅可以用于超音速風(fēng)洞實驗段內(nèi)的表面改性,還可以用于其他大型,異型設(shè)備零部件的現(xiàn)場不解體修復(fù)及表面自補償光亮電刷鍍鎳技術(shù)及其在超音

21、速風(fēng)洞表面強化中的應(yīng)用強化.該技術(shù)的研制成功及其所采用的研究方法,對進一步研究,開發(fā)具有自補償特性的其他鍍種具有借鑒作用.4結(jié)論(1)自補償全光亮超快鎳鍍液具有沉積速度快,鍍厚能力強,鍍層硬度高,施工方便等特點,克服了傳統(tǒng)電刷鍍鎳溶液沉積速度慢,鍍厚能力差,鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點,優(yōu)于傳統(tǒng)的電刷鍍鎳技術(shù),可以在設(shè)備維修或功能性表面處理方面發(fā)揮更大的作用.(2)自補償全光亮超快鎳鍍液具有自補償性,各項性能指標(biāo)均高于常規(guī)電刷鍍鎳溶液.(3)自補償全光亮超快鎳鍍液使用成本低,約為傳統(tǒng)電刷鍍鎳技術(shù)的1/51/10.參考文獻1VanekDL.SelectiveelectrofinishingJ.MetalFinishing,2002,100(1):345358.2DiniJW.Brushplating:recentpropertydataJ.MetalFinishing.1997,95(6):8893.常州市晶福涂料有限公司常州市春雷金屬清洗劑廠求購技術(shù)-ul,常溫除油表面活性劑2.低成本彩色磷化劑或粉的默-3.低泡表面活性劑,4.黑磷化配方5.高溫錳系配方6.錳系表調(diào)