电镀修复技术及其应用

电镀是利用电解的方法，使金属或合金在零件基体表面沉积，形成金属镀层的一种表面加工技术。

常用的电镀修复技术有槽镀和电刷镀。槽镀时金属镀层种类繁多，设备维修中常用的有镀铬、镀铁、镀镍、镀铜及其合金等。

6.5.1　电镀

（1）电镀的基本原理

电镀装置如图6.12所示。图中被镀零件为阴极，与直流电源的负极相连，金属阳极与直流电源的正极连接，阳极与阴极均浸入镀液中。

图6.12　电镀装置示意图

电镀液由主盐、络合剂、附加盐、缓冲剂、阳极活化剂、添加剂等组成。主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐，它的作用是提供金属离子。

当在阴极与阳极间施加一定电压时，阳极发生如下反应：从镀液内部扩散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，被还原成金属M，即

Mn+ +ne→M

另一方面，在阳极界面上发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+，即

M-ne→Mn+

上述电极反应是电镀反应中最基本的反应。由于电子直接参加化学反应，称为电化学反应。

电镀过程是镀液中金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属离子并在阴极上进行金属沉积的过程。

（2）镀铬

镀铬层的性能和应用主要体现在：

1）镀铬层的性能

镀铬层具有以下特性：

①硬度高、耐磨性好

镀铬层可获得的硬度为400～1 200 HV，温度在300 ℃以下硬度无明显下降。滑动摩擦系数小，约为钢和铸铁的40%。抗黏着性好，耐磨性比无镀铬层提高2～50倍。

②与基体结合强度高

镀铬层与钢、镍、铜等基体金属有较高的结合强度。镀铬层与基体金属表面的结合强度高于自身晶间结合强度。

③耐热、耐腐蚀，化学稳定性好

由于铬的熔点远高于铁的熔点，所以铁质材料的金属零件表面的镀铬层耐热性得以提高；又因为铬的化学性能比较稳定，镀铬层不易氧化而且耐腐蚀。

2）镀铬层的应用

按用途不同，镀铬层可分为硬铬层、多孔铬层、乳白铬层、黑铬层和装饰铬层等。用于零件修复的镀铬层主要是硬铬层和多孔铬层。

①硬铬层

硬铬层具有很高的硬度和耐磨性，常用于模具、量具、刀具刃口等耐磨零件，也用于修复磨损件。

②多孔铬层

多孔铬层表面有无数网状沟纹和点状孔隙，能吸附一定量的润滑油，具有良好的润滑性，用于主轴、撑杆、活塞环、汽缸套等摩擦件的镀覆。

③乳白铬层

硬度稍低，结晶细小，网纹较少，韧性较好，呈乳白色，主要用于各种量具，适用受冲击载荷零件的尺寸修复和表面装饰。

修复不同类型的零件，镀铬层的厚度也不相同。用于模具、切削刀具刃口的镀铬层，厚度一般小于12 μm；用于液压缸中的柱塞、内燃机汽缸套的镀铬层，厚度一般为12～50 μm；用于防腐、耐磨但不重要的表面的镀铬层厚度，一般可在50 μm以上。

3）镀铬工艺

镀铬的一般工艺过程如下：

①镀前表面处理

A.镀前加工

去除零件表面缺陷及锐边尖角，恢复零件正确的几何形状并达到表面粗糙度要求（一般取Ra≤1.6 μm）。如机床主轴，镀前一般要求加以磨削，但磨削量应尽量小。

B.绝缘处理

不需要镀覆的表面要作绝缘处理，通常先刷绝缘性清漆，再包扎乙烯塑胶带，工件的孔要用铅堵牢。

C.镀前清洗

镀前应该用有机溶剂、碱溶液等将零件表面清洗干净，然后用弱酸腐蚀，一般使用10%～15%的硫酸溶液腐蚀0.5～1 min，以清除零件表面的氧化膜，使表面显露出金属的结晶组织，增强镀层与基体金属的结合强度。

②电镀

将工件上挂具吊入镀槽，以工件作为阴极，铅或铅锑合金为阳极进行电镀。根据镀铬层种类和要求选定电镀规范，按时间控制镀层厚度。

修复磨损零件经常使用的镀液成分为铬酐（CrO3）150～250 g/L，硫酸1～2.5 g/L，3价铬2～5 g/L，工作温度为55～60 ℃，电流密度为15～50 A/dm2。

③镀后检查和处理

A.镀后检查镀层质量

观察镀层表面色泽以及是否镀满，测量镀后尺寸、镀层厚度及均匀性。若镀层厚度不够，可重新补镀；若镀层有起泡、剥落等缺陷，需退镀后重新电镀。

B.热处理

对镀层厚度超过0.1 mm的较重要零件，应进行热处理，以消除氢脆，提高镀层韧性和结合强度。热处理一般在热的油和空气中进行，温度为150～250 ℃，时间为1～5 h。

C.磨削加工

根据零件技术要求，进行磨削加工。镀层薄时，可直接镀到尺寸要求。

（3）镀铁

镀铁层的成分是纯铁，它具有优良的耐磨性和耐蚀性，适于对磨损零件作尺寸补偿。修复性镀铁采用不对称交流-直流低温镀铁工艺。

不对称交流-直流低温镀铁工艺是在较低温度下以不对称交流电起镀，逐渐过渡到直流镀。不对称交流是指将对称交流电通过一定手段使两个半波不相等。通电后较大的半波使工件呈阴极极性，镀上一层金属，较小的另一半波使工件呈阳极极性，只将一部分镀层电解掉。若为两个相等的半波，镀层甚至基体金属将被电解掉。

1）低温镀铁的特点

①能在常用金属材料（如碳钢、低合金钢、铸铁等）表面上得到力学性能良好的镀层。镀层与基体结合强度可达到200 MPa以上，硬度为45～60 HRC，并且具有较高的耐磨性。

②沉积效率高，一次镀厚能力强。每小时可使工件直径加大0.40～0.90 mm，一次镀厚可达2 mm。

③成本低，污染小。

2）低温镀铁的应用

由于镀铁层的细晶粒结构和表面呈网状，而使其硬度高、储油性能好，具有优良的耐磨性，可用于修复有润滑的一般机械磨损条件下工作的间隙配合副的磨损表面。由于镀铁层的结合强度高、硬度高，因而能够满足一般部位工件的使用要求，可用于修复过盈配合副的磨损表面和用于补偿零件加工尺寸的超差。另外，当零件的磨损量较大又需要耐腐蚀时，可用镀铁层做底层或中间层，补偿磨损的尺寸，然后再镀防腐蚀性能好的镀层。但镀铁层的热稳定性较差，当镀铁层被加热到600 ℃，冷却之后硬度会下降。镀铁不宜用于修复在高温、腐蚀环境、承受较大冲击载荷、干摩擦或磨料磨损条件下工作的零件。

（4）镀镍、镀银、电镀合金

镍具有很高的化学稳定性，在常温下能防止水、大气、碱的侵蚀。镀镍的主要目的是防腐和装饰。镀镍层的一些力学性能和耐氯化物腐蚀性能优于镀铬层，应用更为广泛。例如：造纸、皮革、玻璃等制造业用轧辊表面镀镍，可耐腐蚀、抗氧化；滑动摩擦副表面镀镍，可防擦伤。镀镍层根据用途可分为暗镍、光亮镍、高应力镍、黑镍等。镀镍层的硬度因工艺不同可为150～500 HV，暗镍硬度为200 HV左右，而光亮镍硬度可接近500 HV。在机械维修中，光亮镍可用于修复磨损、腐蚀的零件表面。

镀光亮镍时，电镀液主要分为硫酸300～350 g/L、氯化镍40～50 g/L、硼酸40～50 g/L、十二烷基硫酸钠0.1～0.2 g/L，为提高硬度可添加适量的含硫有机化合物。温度为50～55 ℃，pH=3.8～4.4，电流密度为2～10 A/dm2，阳极为电解镍或铸铁镍。

（5）镀铜

镀铜层较软，延展性、导电性和导热性好，常用于镀铬层和镀镍层的底层、减磨层以及热处理时的屏蔽层等。

（6）电镀合金

电镀时，在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为电镀合金。电镀合金可获得许多单金属镀层所不具备的优异性能。在待修零件表面可电镀锡-锡合金（青铜）、铜-锌合金（黄铜）、铅-锌合金等，作为修补层和耐磨层使用。

6.5.2　电刷镀技术

电刷镀是在工件表面快速沉积金属的技术，其本质是电镀。电刷镀时，依靠一个与阳极接触的垫或刷提供所需要的电解液，垫或刷在工件（阴极）上移动而得到所需要的镀层。

电刷镀主要用于修复磨损零件表面和局部损伤，而且能够改善零件表面的耐磨、耐蚀和导电等性能，还可完成槽镀难以完成的项目等。

电刷镀的结合强度高，镀层厚度可以控制，设备和工艺简单，可现场修复，能够满足多种维修性能的要求。电刷镀技术发展迅速，已得到广泛应用。

（1）电刷镀工作原理

电刷镀工作原理如图6.13所示。镀笔与电源的正极连接，作为电刷镀的阳极，将处理好的工件与电刷镀的负极连接，作为电刷镀的阴极。镀笔以一定的相对速度在工件表面上移动，并保持一定的压力。在镀笔与工件接触部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下向工件表面迁移，从工件表面获得电子被还原成金属原子，这些金属原子沉积结晶形成镀层。随着刷镀时间的延长，镀层逐渐增厚，直至达到所需厚度。

图6.13　电刷镀工作原理示意图

（2）电刷镀设备

电刷镀设备包括电刷镀电源、镀笔及辅助工具。

1）电刷镀电源

电刷镀电源由整流电路、安培小时计或镀层厚度计正、负极转换装置、过载保护电路及各种开关仪表等组成。

①整流电路

整流电路供给无级调节的直流电压和电流，一般输出电压范围为0～30 V，电流范围为0～150 A。经常将电流和电压分为以下几个等级配套使用：15 A、20 V，30 A、30 V或60 A、35 V和100 A、40 V等。

②安培小时计

安培小时计的作用是通过直接计量电刷镀时所耗的电量来间接指示已镀镀层的厚度。

③正、负极转换装置

正、负极转换装置用来完成任意选择正极或负极的操作，以满足电镀过程中不同工序的要求。

④过载保护电路

过载保护电路的作用是在电流过载或发生短路时快速切断电流，保护电源、设备和工件。

2）镀笔

镀笔主要由阳极、散热手柄体、绝缘手柄组成，如图6.14所示。

图6.14　镀笔结构图
1—阳极；2—O形密封圈；3—螺母；4—散热手柄体；5—绝缘手柄；6—导电杆；7—电缆线插座

①阳极

镀笔的阳极材料选用高纯度细结构石墨或铂-铱合金。依据被镀零件的形状，将阳极制成圆柱形、平板形、瓦片形等不同形状。阳极用棉花和针织套包裹，用来储存镀液，防止阳极与工件直接接触，过滤石墨粒子。

②散热手柄体

散热手柄体一般选用不锈钢制作，尺寸较大的也可选用铝合金制作。散热手柄体一端与阳极连接，另一端与导电杆连接。

③绝缘手柄

镀笔上的绝缘手柄常用塑料或胶木制作，套在用纯铜制作的导电杆外面，使导电杆一头与电源电缆接头连接。

3）辅助工具

辅助工具包括能够装填工件并按一定转速旋转的机器和供液、集液装置。可以用卧式车床带动工件旋转，使用镀液循环泵连续供给镀液，用容器收集流淌下来的溶液供循环使用。

（3）电刷镀溶液

电刷镀溶液是电刷镀技术的关键。电刷镀溶液按不同用途分为镀前表面处理溶液、镀液、钝化液和退镀液。

1）镀前表面处理溶液

镀前表面处理溶液的作用是除去镀件表面油脂和氧化膜，以便获得结合牢固的刷镀层。镀前表面处理溶液有电净液和活化液，表6.8列出了它们的基本性能、主要用途和工艺要求，供选用时参考。

表6.8　镀前表面处理溶液的基本性能、主要用途和工艺要求

续表

2）镀液

电刷镀时使用的金属镀液很多，根据化学成分可分为单金属镀液、合金镀液和复合金属镀液。电刷镀溶液在工作过程中性能稳定，中途不需调整成分，可以循环使用，无毒、不燃、腐蚀性小。表6.9列出了机械维修中常用的刷镀液的主要特点、主要用途及工艺参数，供使用时参考。

表6.9　常用刷镀溶液的主要特点、主要用途及工艺参数

3）钝化液和退镀液

①钝化液

主要用于刷镀铝、锌、铬层后的钝化处理，生成能提高表面耐蚀性的钝态氧化膜。有铬酸钝化液、硫酸盐及磷酸盐钝化液等。

②退镀液

主要用于退出镀件不合格镀层或损坏的镀层。退镀液品种较多。使用退镀液时，应注意对基体的腐蚀问题。

（4）电刷镀工艺

电刷镀工艺过程包括镀前处理、镀件刷镀和镀后处理。

1）镀前表面处理

镀件在刷镀之前应进行表面处理，包括表面修整、表面电净处理和活化处理。

①表面修整

表面修整是使用机械加工的方法去除工件表面的毛刺、疲劳层、磨损层，使表面光洁平整，并修正几何形状，表面粗糙度Ra值一般不高于1.6 μm。当镀件表面有油污时，应使用清洗剂清洗。镀件表面有锈蚀物时，应使用机械方法清除。

②表面电净处理

表面电净处理是在表面修整基础上，用镀笔蘸电净液，通电后使电净液成分离解，形成气泡，撕碎工件表面油膜，去除表面油脂。电净时，镀件一般接电源负极，但对于某些容易渗氢的钢件，则应接电源正极。

电净时工作电压和时间应根据镀件材质和表面形状而定。电净之后用清水冲洗干净，表面应无油迹和污物。

③表面活化处理

表面活化处理是使用活化液通过腐蚀作用去除工件表面氧化膜，以便提高镀层结合力。

活化时，镀件接电源正极，用镀笔蘸活化液反复在刷镀表面刷抹。低碳钢活化后，表面呈均匀银灰色，无花斑。中碳钢和高碳钢用2号活化液活化至表面出现黑色，再用3号活化液活化至表面呈银灰色。活化后，工件表面用清水彻底冲净。

2）镀件刷镀

镀件刷镀应当先刷镀过渡层，再刷镀工作层。

①刷镀过渡层

刷镀过渡层的作用是改善基体金属的可镀性和提高工作镀层的稳定性。

常用的过渡层镀液有特殊镍溶液和碱铜溶液。特殊镍溶液（SDY101）用于一般金属，特别是钢、不锈钢、铬、铜和镍等材料上做底层，一般刷镀为2 μm。碱铜溶液间（SDY403）常用在铸钢、铸铁。锡和铝等材料上做底层，碱铜过渡层厚度限于0.01～0.05 mm。

刷镀过渡层应按规范操作，镀好后用清水冲净。

②刷镀工作层

根据镀件选用工作镀液，按工艺规范刷镀到所需厚度。刷镀同一种镀层一次连续刷镀厚度不能过大，因为随着镀层厚度的增加，镀层内残余应力随之增大，可能使镀层产生裂纹或剥离。单一刷镀层一次连续刷镀的安全厚度列于表6.10中，供刷镀时参考。

表6.10　单一刷镀层一次连续刷镀的安全厚度

当需要刷镀较厚的镀层时，可采用多种性能的镀层，交替刷镀来增加镀层厚度，这种镀层称为组合镀层。但组合镀层的最外一层，必须是所选的工作镀层。

3）镀后处理

镀件刷镀完成后，应进行镀后处理，清洗干净残留镀液并干燥，检查镀层色泽有无起皮、脱层等缺陷，测量镀层厚度。若镀件不再机械加工，应涂油防锈。