复合电镀加工技术探讨

5.3.5.1 复合电镀加工的特点

复合电镀加工是用电镀方法使金属和固体微粒共沉积获得复合材料的工艺过程。不同的镀层金属（或合金）和分散颗粒组合以及不同组合比例、不同镀液成分和浓度以及不同工艺条件，使复合镀层具有不同的功能特性。复合电镀的特点是：无需加热电镀，对被镀基体金属或合金的原始组织、性能不产生影响，工件不变形；无论是化学稳定性高的固体颗粒，还是各种有机物质和一些易分解的颗粒或纤维，都可以作为不溶性颗粒分散到镀层金属中，形成各种类型的复合镀层。在同一镀覆金属或合金中可沉积一种或数种性质各异的固体颗粒，同一固体颗粒也可沉积在不同的镀覆金属或合金中，从而获得多种多样的复合镀层。改变镀液中固体颗粒含量与共沉积条件，可使镀层中颗粒质量分数在0～50%内连续变化（镀层性质相应变化），复合电镀技术为改变和调节镀层性能，满足不同要求提供了极大的可能性和多样性。许多零件的功用是通过它的表面层体现出来的，如耐磨或减摩性。采用某些特殊功能的复合镀层取代整体材料，如在软金属基体上镀适当硬度复合镀层，可节约材料费用。适当设计阳极、夹具和施镀参数，可在复杂形状零件上或零件局部位置上镀得均匀复合镀层。与其他复合材料制备技术比较，复合电镀操作简单、易控制、能耗小且成本低。

采用电镀法制取的复合镀层种类很多。为获得某一或某些特殊功能，现已开发并获得应用的复合镀层见表5.3-19。一般镀层金属与复合微粒的种类不同，镀层中微粒含量与分布不同，复合镀层的性能差异很大。按照使用功能，复合镀层分为：抗磨、减摩、耐高温、耐蚀复合镀层等。

表5.3-19 复合材料镀层的种类

（续）

5.3.5.2 超硬材料复合电镀加工

超硬材料电镀是复合电镀加工之一，其镀层属抗磨复合镀层，它以金属为结合剂，以超硬材料（金刚石或立方氮化硼）的磨粒为固体微粒，通过金属与磨粒共沉积作用，把超硬磨料固结在金属镀层中。超硬材料电镀制品具有产品质量稳定、生产成本低、经济效益大等优点，在生产、生活各领域广泛应用。

1.超硬材料复合电镀加工的特点

超硬材料复合电镀加工有以下特点：

1）可以使磨料保持原有特性。

2）磨料在被镀金属表面上“自由生长”，随零件形状而变化，可以制造高精度、复杂形状及特薄的制品。

3）可以制造高浓度磨料制品，浓度可达200%以上（工作层中含有0.878g/cm³金刚石磨料时浓度为100%），这给使用带来一系列的好处。

4）可用小型简单的普通电镀设备制造，制造工艺和操作方法与电镀金属相同，设备简单，操作方便，制造成本低。

5）使用后或电镀中出现次品、废品，基体和超硬磨料可以分离与回收。

6）可实现单层或多层磨料电镀，可采用外镀法或内镀法等，使之满足不同用途的要求。

7）在超硬材料电镀制品中（无论是单层、还是多层电镀），磨料浓度都非常高，通常占工作层体积50%以上，电镀金属层不但对超硬磨料有粘接作用，而且还有化学吸附作用，对磨料有着强大的把持力，通常镀层金属厚度仅几微米就能将100～200μm的磨粒“粘住”。

8）超硬材料电镀制品与烧结制品相似，工作时用多点进行切削，其使用效果十分显著。

9）多层电镀制品的耐磨性特别好，加工磨利性（损耗磨料及其锐利性的能力）非常强的非金属硬脆材料时，可显出独特的优越性，如切割含碳化硅99%（体积分数）的再结晶制品时，电镀金刚石切割锯片比同规格铜结合剂烧结式金刚石锯片的切割面积高出15～20倍。

经过超硬材料复合电镀加工后的制品广泛应用于日常的生产和生活中，表5.3-20给出了几种常用超硬材料电镀制品的名称和用途。

表5.3-20 常用超硬材料电镀制品一览表

（续）

(www.xing528.com)

选择电镀超硬材料制品的制作工艺，要考虑它的使用特性，重点要考虑电镀层对超硬磨粒的固结能力和制品在使用中对被加工材料的适应性，使超硬磨粒在电镀层中既固结牢靠，又适应被加工材料要求。金刚石电镀制品加工对象主要是高硬度金属和非金属硬脆材料，超硬材料电镀制品在对被加工材料进行锯、切、钻、磨时，实际上是互相磨耗的过程，切削同时碎屑会反过来磨耗超硬磨粒和工作层。如果工件碎屑的磨利性弱，镀层被反磨削消耗少或者不消耗，镀层内的磨粒不能连续出刃（称为自锐性差），将表现为工作效率低或者不能再正常工作。如果碎屑的磨利性特强，镀层被碎屑反磨耗多，镀层消耗过快而把持不住超硬磨粒，此时虽然工作效率高，但电镀制品会因报废快而达不到预期效果。要针对不同加工对象，将镀层、磨粒、碎屑三者之间匹配到最佳状态。因此在加工不同材料时，应选择不同制作工艺制作的超硬材料制品才能获得理想的加工效果，详见表5.3-21。

表5.3-21 加工不同材料时超硬材料制品的选择

2.超硬材料复合电镀加工工艺

超硬材料复合电镀的工作层可用铜、银、镍、铬及其合金镀层，镍或镍钴合金作为复合电镀工作层较好，镀层耐高温，硬度高，抗磨损，有延展性，适合刀具等基体要求；能在多种金属基体上直接得到复合镀层，电镀工艺简单；采用合适的镀液，能实现快速沉积，取得较厚的镀层甚至电铸；镀层表面色泽美观、耐腐蚀，适合商品和多种用途需要。

超硬磨料复合电镀的镀液多为氨基磺酸盐镀镍（或镀镍钴合金）液，镀液应保持较高透光性，以便观察沉积状况。镀液要析氢少，以免析氢时产生的大量气泡导致沉落在镀件表面的超硬磨粒脱落，析氢会使镀件表面碱性升高快，产生碱式盐或盐类夹杂在镀层中，造成镀层发脆、掉块。镀液要有较高电流效率，以提高沉积速度，尤其多层磨粒电镀，镀层厚，缩短电镀时间尤为重要。镀液必须有较好的分散能力和覆盖能力，以使各部位的磨粒埋入率均等。电镀液中加入适宜的添加剂，利用其吸附作用，可增加阴极的过电位，减小基体与溶液的界面张力，可获得细晶镀层，提高镀层的硬度、耐磨性和光亮度。

与其他电镀制品一样，超硬材料电镀制品的金属基体表面在电镀前要经历机械处理、除油、酸洗（浸蚀）等，镀前处理效果直接影响工作层与基体金属的结合力。

电镀前，基体金属和超硬材料的镀前处理要完全彻底，直至欲镀表面无水珠，只有连续水膜为止。最后必须进行化学或电化学弱浸蚀，使欲镀表面露出全新的活化组织。迅速将浸蚀后的基体金属带入电镀槽，用冲击电流短暂预镀，然后恢复至正常电流空镀，再复合电镀超硬磨料。被镀表面各处粘满一层磨料后，再进行镀厚（提高结合力），可在原镀槽或移至专用镀槽内进行。为了避免尖端效应，镀厚时要施加阴极保护措施，镀厚的工艺条件要控制在电镀工作层（镍或镍钴合金）要求的范围。当镀层厚度几乎埋没磨料，重复上述过程，可得到多层磨料电镀制品。

超硬磨料主要的沉积方法见表5.3-22。

表5.3-22 超硬磨料主要的沉积方法

5.3.5.3 纳米复合刷镀技术

纳米材料是近几年才出现的新型材料，具有不同于微观和宏观物质的许多介观特性。由于材料的超细化，使其在许多方面表现出独特的优势，具有比普通材料高得多的强度与硬度。纳米电刷镀技术是在传统电刷镀技术的基础上发展起来的先进表面工程技术，通过把具有特定性能的纳米颗粒加入到电刷镀液中得到含纳米颗粒的复合电刷镀溶液，在刷镀过程中，复合镀液中的纳米颗粒在电场力作用下或在络合离子作用下与金属离子共同沉积在基体表面，获得纳米颗粒弥散分布的复合电刷镀层，进而提高装备零件的表面性能。

纳米复合刷镀技术和刷镀的基本原理相同，都是利用金属离子的阴极还原反应。纳米复合刷镀与普通刷镀的区别主要在于：纳米复合刷镀要在镀液中加入一定量的不溶性纳米微粒，并使其均匀地悬浮在镀液中，这些不溶性纳米微粒能够吸附镀液中的正离子，发生阴极反应时，与金属离子一起沉积在工件上，获得纳米复合镀层。其余一些没有吸附正离子的不溶性固体微粒，也随着镀液送到工件表面，它们虽不参与阴极反应，却在阴极反应时像杂质一样被镶嵌在镀层中，即纳米颗粒与刷镀金属发生共沉积，形成纳米复合刷镀层。与金属及合金刷镀层组织相比较，纳米复合刷镀层组织更加细小、致密，其镀层表面粗糙度值更小。由于存在大量的硬质纳米粒子，且组织细小致密，因此其硬度、耐磨性、抗疲劳性能等均比相应的金属刷镀层或合金刷镀层好。

纳米复合刷镀层由于具有较高的硬度、良好的耐磨性和抗接触疲劳性能，决定了纳米复合刷镀技术可以对服役条件较苛刻的机械部件表面进行修复和表面强化。现在，纳米复合刷镀技术不仅在飞机、舰船、重型机械车辆等机械装备的耐磨件和密封件的修复与表面强化中表现优异，而且在汽车发动机、农用拖拉机再制造，以及废旧机床数控化再制造中得到成功应用，展示出了广阔的应用前景。

纳米复合刷镀技术用于再制造的典型场合主要包括：

1）杆、轴、轴承、轴瓦类零件的密封配合表面。

2）壳体、箱体、衬套类零部件密封或配合表面。

3）板类零部件表面。

4）零部件孔、槽等内表面。

5）齿轮（尤其是大齿轮）表面。

例如：用普通机床再制造为数控机床，其导轨是经纳米复合刷镀恢复的，再制造的数控机床性能指标完全满足新品要求，取得了很好的经济技术效益。又如，某重型车辆轴头配合表面发生严重磨损，采用纳米复合刷镀技术进行修复，不仅使该零件避免了报废，而且实际使用表明，经纳米复合刷镀修复后的该零件的使用性能和寿命均优于新品。

纳米复合刷镀技术是采用纳米高新技术改造、提升传统刷镀技术的一个成功范例。采用纳米复合刷镀技术制备的复合镀层比传统金属及其合金镀层表现出更优异的综合性能。纳米复合刷镀可以解决再制造过程中传统刷镀技术无法解决的难题，属再制造工程的关键技术之一，必将在提高机械零部件的可再制造性及再制造产品的质量方面发挥重要作用。