高能机械镀：新兴工艺的应用与挑战

1.高能机械镀工艺的基本原理

高能机械镀是把欲镀金属（颗粒状或细片状）、冲击介质和经过预处理的零件放入容器中，容器通常具有真空环境或有惰性气体保护，装置运动使冲击介质产生强烈机械能，欲镀金属和工件在机械能的作用下牢固结合在一起形成镀层，经后续热处理增加镀层结合强度而获得最终镀层。

高能机械镀过程介质获得高机械能是依靠加速度，这不同于传统的机械镀。因此，介质往往选用硬质耐磨的球状物质作为冲击介质。

高能机械镀后续热处理的作用是：释放镀层中部分能量，使镀层趋于稳定；产生烧结效果，增加镀层的强度^[37]。

高能机械镀与传统机械镀的区别在于：高能机械镀过程冲击介质具有较高的机械能，是传统机械镀过程介质能量的几十到几百倍，并且介质能量可根据需要人为在一个较大的范围内变动。高能冲击介质可使金属粉末扁化，还能完全摧毁工件表面的氧化膜使工件表面保持洁净^[37，38]。

高能机械镀的工艺流程为：工件→预处理（脱脂、除锈）→建立施镀环境（小件采用密封性容器，大件利用装夹使施镀环境密封）→选择是否保护性气氛→开启装置形成镀层→卸料→分离→热处理→贮运。

2.高能机械镀设备

高能机械镀设备的主要功能是通过机械运动（搅拌、振动、喷射、球磨、摩擦等）使冲击介质获得较大的机械能，促使欲镀金属在工件表面变形并形成金属镀层。

图1-3 搅拌型高能机械镀装置原理图

1—容器 2—转动轴 3—真空泵 4—冷却套 5—密封盖 6—密封圈 7—冲击介质 8—金属粉末 9—叶片 10—工件

图1-4 振动型高能机械镀装置原理图

1—容器 2—振动台 3—工件 4—真空泵 5—弹簧 6—密封圈 7—冲击介质 8—金属粉末 9—振动器

高能机械镀设备因产生高机械能的方法不同，所以出现多种类型的设备。根据机械能产生的方式大致分为四类：搅拌型（见图1-3）、振动型（见图1-4）、球磨机型（见图1-5）、喷射型（见图1-6）。搅拌型、振动型、球磨机型的设备通常包括三部分：动力部分（如图1-3中的转动轴及叶片、图1-4中的振动发生器及弹簧等）、容器部分（存放冲击介质、欲镀金属、工件）、保护气氛装置（真空泵或惰性气体的导入和排出部分，如图1-3、图1-4中的真空泵等）。搅拌型和振动型装置都采用了真空环境防止金属表面的氧化（欲镀金属粉末表面和工件表面）^[37]。球磨机型设备类似于行星高能球磨机，冲击介质选用钢球或金刚砂，在施镀过程中需要添加专用的活化剂，如铝粉、氯化锌、氯化铵等^[39]。喷射型设备类似于喷丸装置，冲击介质和欲镀金属粉末混合在一起，经输料系统传输到喷射器，然后快速喷射到工件表面上，使高机械能在瞬间转化为结合能而形成镀层^[40，41]。高能机械镀的辅助设备主要是热处理炉，热处理炉及工艺参数（温度、时间、气氛）的选择不仅要考虑工件的尺寸，还要注意欲镀金属的熔点温度、镀层中各化合物的熔点温度。例如，当采用高能机械镀获得Al的合金化镀层时，镀层中若形成Ni₃Al、Fe₃Al、TiAl等金属间化合物，比较各化合物、工件基体、欲镀金属铝的熔点温度，发现铝的熔点温度最低，故设置热处理温度为800～1300K^[37]。

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图1-5 球磨机型高能机械镀装置原理图

1—工件 2—筒子 3—金属粉末 4—冲击介质

图1-6 喷射型高能机械镀装置原理图

1—金属粉末 2—冲击介质3—工件 4—喷射器

3.高能机械镀工艺的特点及应用

（1）高能机械镀工艺的特点

1）镀层不产生氢脆，可实现清洁生产。

2）易获得合金化镀层WC、TiAl、TiC、SiAl等，实现镀层的复合化。

3）可以获得硬质金属镀层，如Fe、Ti、W、Zr等。

4）选择合适的设备可以施镀大尺寸工件。

5）不需要废水处理。

6）镀层厚度和均匀性难以控制。

（2）高能机械镀的应用 高能机械镀因产生高机械能的方式不同，工艺操作过程和设备也各有所异。与传统的机械镀相比，高能机械镀工艺的研究及应用发展缓慢，应用也不是很成熟。其中，喷射型高能机械镀工艺在太平洋沿岸各国和欧洲部分国家获得了应用，其发展核心是喷射物料，美国专利4714622^[42]和美国专利5548488^[43]中提到的喷射物料为钢丸和金属粉末的混合物，锌粉要求杂质（如铅等）的质量分数不超过0.2%，钢丸直径为0.4～0.8mm；日本专利^[44]提到的喷射物料是将金属粉末（如锌粉）用有机粘结剂粘结在钢丸表面，钢丸与被镀工件表面碰撞时金属粉末转移到工件表面逐渐形成镀层。但由于此工艺不易控制镀层的厚度和均匀性，喷射物料的制备比较复杂，于是在大批量的生产应用中还存在一些问题。