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低温镀铁技术的发展与应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-16  浏览次数:731

 孙凯,杨森,安宁

(1.辽宁工程技术大学实验实训中心,辽宁阜新123000,

2.辽宁工程技术大学矿业技术学院,辽宁兴城125100,

3.四川建筑职业技术学院土木系,四川德阳618000)

摘要: 低温镀铁技术是上世纪80年代发展起来的一项新兴电镀技术,在工程上取得了越来越广泛的应用。介绍了低温镀铁技术的特点,简要回顾了低温镀铁技术的发展进程和国内外的应用现状,并结合其研究现状讨论了该技术的发展前景。

关键词:低温镀铁,应用现状,发展前景

中图分类号:TQ 153 文献标识码:A 文章编号:1000-4742(2011)05-0001-03

0前言

低温镀铁是指用不对称交流一直流电在较低温度(4℃即可开始镀)下进行的镀铁工艺。其原理是通过一定手段,使交流电两个半波不相等,通电后较大的半波使工件呈阴极极性,镀上一层镀层;另一个较小的半波使工件呈阳极极性,将部分镀层电解掉,这样逐渐增厚镀层。低温镀铁设备简单,所得镀层均匀,表面较平滑,结合强度高。

1 低温镀铁的特点

(1)低温镀铁层硬度高,通过工艺控制可调整硬度范围,洛氏硬度最高可达63~65。

(2)镀铁层与基体合成一体,镀层与基体结合强度较高。显微观察镀铁层的铁素体与基体铁素体呈连续分布。

(3)镀层表面有微裂纹,呈网状。有较好的储油性能和良好的耐磨性能。

(4)低温镀铁沉积速率快,约0.6~1.0 mm/h,镀层厚度一次可达2 mm。加之镀铁成本低,无毒,故可广泛应用。

2 低温镀铁技术的发展

国外最早于1846年就开始有关于镀铁的研究报道,最初应用于印刷铅板表面镀铁[2]。在印刷工业中所用铅版、铜版上镀一层很薄的铁,可提高其耐磨性,延长其使用寿命,同时能防止某些印刷颜料的作用。当时采用的为硫酸盐镀铁法,这种镀铁液沉积速率很慢,应用面窄。到了1908年,有学者开始对氯化物镀铁工艺进行了研究,结果在室温下得到的镀层硬而脆、内应力高、结合力差且易脱落,因此只适用于高温电镀。此镀液体系后经改进,形成了高温氯化物直流镀铁工艺,并在磨损件修复中得到了广泛的应用;但高温镀铁需要复杂的加热和保温设备,镀液挥发性较大,而且由于是酸性溶液,对环境污染很严重,并且镀层硬度和耐磨性能较差[1]。至上世纪60年代末,由于电子技术的发展,一些国家在镀铁技术中采用了不对称电镀电源[2],使氯化物镀铁技术得到了发展,镀层的硬度及耐磨性能也有了较明显的提高。近几年来,大部分国家已把镀铁的研究转到了非晶态镀层、耐蚀性镀层和磁性镀层等方面。

我国是在上世纪60年代从苏联引进了直流镀铁技术,用于修复因磨损等造成尺寸超差的机械零件[3]。当时由于镀液温度一般都在80℃以上,镀液成分难以控制,在镀前的阳极刻蚀及电镀过程中产生的酸雾对人员及环境均产生较严重的影响,而且镀层硬度低(布氏硬度为200~400),耐磨性能差,使用范围受到很大限制。1975年,国内首次出现了一种不对称交流一直流镀铁工艺,同时为了使镀层与基体结合牢固,镀前采用质量分数为30%的硫酸进行阳极刻蚀活化,因施镀温度仅为25~50℃,故称为低温镀铁工艺[4]。此工艺设备简单,符合我国国情,其镀层的洛氏硬度可达50,具有良好的耐磨性,沉积速率可达0.15~0.30 mm/h,电流效率达90%以上,一次镀厚能力达2.0~3.5 mm,且可连续镀覆;镀液原材料价廉易购、成本低,引起了广泛的注意,并对镀液及镀层性能进行了研究,在国内很快得到了发展和应用。由于在用硫酸进行阳极刻蚀活化时,处理液容易对操作人员及环境造成危害,不久就出现了经盐酸腐蚀后直接用直流电小电流起镀的镀铁工艺和镀槽内对称交流电活化十不对称交流电起镀的无硫酸阳极刻蚀镀铁工艺。但是由于一些关键的技术问题,特别是工艺的稳定性差、镀铁层与基体的结合强度不高等一直没能很好解决,致使镀铁工件质量下降。所以在上世纪70年代末期,镀铁工艺一度出现低潮,许多厂家被迫停产转产。

进入上世纪80代后,董文胜等[5-6]研究出一种无阳极刻蚀的镀铁工艺,并成功地应用于机械零件(如曲轴、轴类)以及平面类零件的修复,镀层与基体结合牢固,采用拔销法测定镀铁层的结合强度可达360 MPa。在各种铁基材料(包括碳素钢、铸铁、铸钢、合金钢)上施镀,均能取得稳定、可靠的镀层。由于取消了镀前的阳极刻蚀工序,不仅极大减轻了对环境的污染,同时还降低了劳动强度,成品率达到99%以上,这标志着国内的镀铁技术已发展到稳定、可靠的实用阶段。

3低温镀铁的研究现状

近几年来,随着社会需要日益增加,加之随着对镀铁理论研究的深入,低温镀铁技术也不断发展,其应用领域不断拓宽。国内早期的镀铁修复多集中在农业机械及汽车等运输工具上使用的曲轴及其他轴类零部件,目前已进入到了修复船舶、内燃机车、油田、矿山、冶金机械上的柴油机曲轴、汽轮机转子、缸套、十字头等大型零部件的阶段。

目前国内低温镀铁技术一个主要的研究方向是强化镀层,提高其热稳定性。其中宋修福[7]通过向镀液中加入蛇纹石纳米微粒的方法,获得优越的复合镀层,镀层的显微硬度达到了6000 MPa左右。而杨森,刘忆等[8-11]通过向镀液中添加稀土铈的方法,获得了显微硬度达到8340 MPa的复合镀层,并且详细研究了pH值、电流密度、温度以及镀液中铁的质量浓度对低温镀铁工艺和性能的影响。

宋邦才等[12]研究了刷镀铁工艺,在优化的镀液配方及工艺条件下,可获得良好的镀铁层。采用铁屑和三氯化铁配制镀液,成本低、配制速率快、所得镀层硬度高、结合力好。黄小婷等[13]开发了一种刷镀铁液的配方,经优化后的镀液中获得的镀层的最大厚度达1 mm,洛氏硬度在40~50之间,结合力、抗氧化性良好。张浩等[14]研究了周期反向脉冲电镀对镀铁层性能的影响。结果表明:在相同的电流密度下,周期反向脉冲镀铁层可深入铜圈1.6 cm,镀层强度达38 kN,硬度高,韧性好,延伸率达3%;电流效率高,沉积效率达86%,深镀能力强。

4低温镀铁的发展前景

目前镀铁技术仍有很大的潜在市场。一般情况下,大多数需要镀覆的部位往往都是零部件的外表面;但像车、船用汽缸套、曲轴等零部件,其内表面往往受到较严重的磨损,且数量巨大。国内用镀铁方法修复重要零部件的企业已具相当规模。

可以预见,进一步提高镀铁层的耐蚀、耐热、耐磨等性能是低温镀铁技术的主要发展趋势。在镀液中添加适量的合金元素是有效途径之一。另外无刻蚀低温镀铁技术有诸多优点,因此无论是在理论研究还是在实际应用方面都有很大的发展空间。只要解决相关的技术问题,镀铁技术将会有更广泛的工业应用前景。

参考文献:

[1]付平。无刻蚀镀铁及复合镀的工艺研究[D].青岛:青岛科技大学,2005.

[2]李庆伦,于晓中,汪红,等。低温镀铁技术的发展[J].电镀与涂饰,1998,17(12):41-43.

[3]扈心坦,镀铁技术在国内的发展[J].电镀与环保,1995, 15(5):8-13.

[4] 田华。电镀铁及Fe-SiC复合电镀工艺的研究[Dl.青岛:青岛科技大学,2006.

[5]温仕浩,董文胜,朱宝骐,柴油机曲轴的复合修理技术[J].大连海运学院学报,1994,20(4):111-112.

[6]董文仲,董文胜,董文波,等。船机曲轴无刻蚀镀铁新工艺研究[J].中国修船,1995(6):15-19.

[7]宋修福。低温镀铁及自修复材料复合镀的研究[D].大连:大连海事大学,2010.

[8]刘忆,杨森,殷锦捷,等。低温镀铁时电流密度对镀层性能的影响[J].电镀与涂饰,2008,27(2):9-11.

[9]殷锦捷,杨森,铁含量对低温镀铁工艺及性能的影响[Jl.电镀与环保,2008,28 (1):14-15.

[10]杨森,殷锦捷,刘忆,等。温度对低温镀铁工艺及性能的影响[J].电镀与环保,2008,28(2):24-25.

[11]杨森。pH值对低温镀铁层性能的影响[J].电镀与环保,2010,30(1):6-7.

[12]宋邦才,赵文轸。刷镀铁工艺研究与应用[Jl.材料保护,2004,37(12):31-32.

[13]黄小婷,杨莉,蔡刚毅,等。厚型电刷镀铁液配方的开发[J].郑州纺织工学院学报,1999,10(4):70-73.

[14]张浩,蒋林华,陈施英,等,周期反向脉冲对镀铁性能的影响[Jl.材料保护,2006,39(2):7-10.

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