电刷镀技术在模具制造与修复中的应用

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模具在国民经济中具有极其重要的作用，目前，我国模具技术不能完全适应现代工业发展的需要，水平比发达国家落后近20年。主要问题是制造周期长、寿命短、精度低，生产只能满足需要量的一半左右，所以当前迫切的问题是提高模具寿命。而提高模具寿命最简单、最经济、最现实的方法是采用电刷镀技术。
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　　电刷镀技术在我国研究开发、应用推广已有二十多年历史，这一新技术解决了许多国家重点工程中的维修等关键问题，创造直接经济效益30亿元以上。电刷镀技术曾获得国家科技进步一等奖，是国家连续三个五年计划重点推广的新技术。
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　　1. 电刷镀的应用情况
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　　电刷镀技术在模具制造及失效修复中，应用广泛。对于一些大型、不易搬动的模具，由于电刷镀的设备比较简单，工艺灵活，携带方便，可以去现场进行表面刷镀。对于模具型腔局部缺陷，或使用后有磨损的部位也可采用表面刷镀进行修补。由于修复周期短，经济效益大，修复费用一般只占工件成本的0.5%～2%，而且修复后表面的耐磨性、硬度、表面粗糙度等都能达到原来的性能指标，因此起到表面强化的目的。将电刷镀技术应用于模具，可使汽车零件（如曲轴、连杆、齿轮等）的热锻模寿命提高20～100%，其主要原因是电刷镀层有良好的红硬性、耐磨性和抗氧化能力；电刷镀也可大幅度提高冷作模具的寿命，这归功于电刷镀层有高的硬度和良好的抗粘着性能 ；采用非晶态电刷镀层，可使各种冷热模具的使用寿命进一步提高寿命50～200%。
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　　2. 电刷镀的基本原理

2 {2 I* n3 u/ g$ _% {" W$ r( S　　电刷镀技术需采用专用的直流电源设备，电源的正极接镀笔，作为刷镀时的阳极；电源的负极接工件，作为刷镀时的阴极。镀笔通常采用高纯度细石墨块作阳极材料，石墨块外面包裹一层棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力。在镀笔与工件接触的部位，镀液中的金属离子在电场的作用下扩散到工件表面，并在表面获得电子被还原成金属原子，沉积结晶形成镀层，随着刷镀时间的增长，镀层增厚，从而达到镀覆及修复的目的。电刷镀的设备主要包括电源装置、镀笔与阳极以及各种辅助材料。
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　　3. 电刷镀电源装置

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0 i0 N, [- p7 U, \1 L* [8 ^　　电刷镀电源是电刷镀工艺过程中的主要设备，它由主电路和控制电路组成。
　　电刷镀的表面准备及温度控制
　　刷镀前模具零件需进行表面准备，使待镀的工件显露出新鲜、洁净的基体，以便与镀层结合得足够牢靠。表面准备包括镀前表面加工、表面脱脂及表面除锈等。在刷镀模具的整个过程中，模具和镀液都应在40～50℃下进行操作。


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4. 电刷镀溶液
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8 j) J& a' O3 u0 I+ b) [+ K0 s1 q　　电刷镀技术的关键是电刷镀液的配方。
1 G' R9 a# X5 x9 P3 G# ?) c7 J; m　　◆ 表面预处理溶液
　　表面预处理溶液主要有电解脱脂的电净液和对表面进行电解刻蚀的活化液。
　　◆ 模具常用电刷镀溶液
　　① 特殊镍
: [  B" m" \, L  i" \5 ^1 a, H' C　　硫酸镍395～397g/L 氯化钠14～16g/L
8 A# }1 y3 g/ T: Y- d5 G6 q　　乙酸68～70g/L 盐酸20～28g/L
7 c: A3 c! z" x, U: m7 H8 R　　② 镍-钨D合金镀液
　　硫酸镍395g/L 钨酸钠23 g/L
, W( d+ `! V& Z( W7 r% _　　硼酸31 g/L 柠檬酸42 g/L
% z( U2 Y0 [9 d# w: l/ s5 `3 |　　硫酸钴2 g/L 无水硫酸钠6.5 g/L
# E( u6 Y' E4 X+ q2 X9 d3 y　　硫酸镁2 g/L 硫酸锰2 g/L
9 N- f" [; y6 n, r' N$ }　　冰醋酸20mL/L 甲酸35 mL/L
5 c* s$ d/ |, H( Y' D0 t  Q0 e  n2 @5 I　　氟化钠5 g/L 十二烷基硫酸钠0.01～0.001g/L
　　除了镍-钨合金外，近年来发展的镍-钴合金由于硬度高达550HBW，耐磨性好，镀层应力低，也特别适合模具表面的刷镀。
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　　实例1: 电动机轴孔冲模的电刷镀修复处理
0 X1 ~; |- j& [. z& V3 D' z　　冲模下模刃口加工超差0.1mm，材料为Cr12，淬火后进行尺寸修复。首先用特殊镍镀打底层，然后镀镍钨D为工作层。其工艺操作如下：
  D$ E5 U% V" z6 V# H  ~. g　　（1）用有机溶剂丙酮脱脂。
& g, k9 t/ h0 K9 V( Y$ J6 i( E　　（2）用电净液脱脂，模具零件接负极，工作电压12～15V，时间15～30s，刃口处表面水膜均匀摊开不呈珠状。
" ^8 [# Z( k* S( [4 D　　（3）以清水彻底冲洗。
　　（4）用铬活化液活化，模具零件接正极，工作电压12～15V，时间10～30s ；然后将电压降低到10～12V，时间10～20s，使工件表面呈银灰色。
　　（5）用特殊镍镀液镀底层，无电擦拭3～5s，模具零件接负极，工作电压18～20V，闪镀3～5s，然后工作电压降至15V，阴阳极相对运动速度10～15m/min，镀层2mm。
　　（6）用镍钨D镀液镀工作层，工作电压为10～15V，阴阳极相对运动速度6～20m/min。镀层厚度直到规定尺寸。工作前，镀液温度应加热至30～50℃。
　　实例2: 组合模具尺寸恢复和表面强化
　　材料为T10A钢，经多年使用后，单面磨损0.2mm，为恢复尺寸且表面强化，首先镀打底层（特殊镍），然后镀镍—钨D合金作为耐磨表面。T10A属于中碳钢，其操作工艺如下：
8 {( \! g6 |* N# ^: ]) {) F$ W' D　　（1）用砂纸和油石打磨表面。
6 C8 y! a8 H# ~7 s4 M　　（2）用有机溶剂擦拭。
　　（3）用电净液脱脂，模具工作零件接负极，工作电压10～14V，阴阳极相对运动速度4～8m/min，电净时间尽量短，以减少模具工作零件渗氢量，模具工作零件表面上水珠均匀摊开，无干斑。
: |) x3 y. t" `% @  E　　（4）用清水彻底清洗。
; b2 ?% M1 f3 |　　（5）用盐酸、氯化钠配制的活化液活化，模具工作零件接正极，工作电压10～14V，阴阳极相对运动速度6～8m/min，活化时间应根据镀笔和模具工作零件被镀面大小而定，一个部位的接触时间为30～60s，模具工作零件表面呈均匀的黑灰色即可。
+ d0 M* S# z" l　　（6）用清水彻底清洗。
, q2 g! X" j2 W, }) W5 k　　（7）用硫酸、硫酸铵配制的活化液活化，模具工作零件接正极，工作电压18～25V，一个部位的接触时间为30～60s，使模具工作零件表面呈银灰色为止。
　　（8）用清水彻底清洗。
( E0 d+ t' m5 u; @5 |　　（9）与例1中的(5)相同。
7 j$ ^  r8 O. e) |4 b　　（10）与例1中的(6)相同。

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　　5. 电刷镀技术研究的新进展
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) L( ~- P; s+ p　　◆ 电刷镀非晶态镀层
　　一般的电刷镀层是晶态的，如果采用特殊镀液，使刷镀时沉积的金属离子在镀层中进行不规则排列，即可获得无定形结构的非晶态镀层。这种镀层具有优异的物理、化学和力学性能，是提高模具寿命的经济方法。表1为非晶态电刷镀在模具上的应用效果。
　　在常温条件下，应用刷镀的方法，使用Co-Ni-P系列合金刷镀液，可以获得非晶态刷镀层。其中以低Co++浓度加入含铌添加剂的镀液获得刷镀层，性能最为优异。该镀层在常温和高温度下均具有较高的硬度和良好的耐磨性。

　　◆ 电刷镀复合镀层
4 v; `! v+ m+ A; |9 l( z1 w: I0 p　　复合刷镀是复合电镀的一种，其本质是通过电化学沉积在工件基体表面获得复合材料（复合镀层）。目前镍基镀液复合刷镀用的较多，例如在快镍镀液中加入二硫化钼作自润滑涂层；加入三氧化二铝作耐磨和防腐涂层，加入金刚石微粉作高抗磨涂层。
　　热锻模应用Ni-Co-ZrO2复合电刷镀，镀层有良好的耐磨性、抗粘着、抗高温氧化和耐高温疲劳等性能，与基体结合良好，可使寿命提高。研究证实，复合镀层的强化机理主要是细晶强化和第二相粒子强化，其强化作用取决于第二相颗粒弥散情况及其被基体金属嵌合的牢固程度。
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' I  k% G! {$ r1 Z4 _& l: _　　◆ 稀土添加剂的研究
　　稀土元素的加入，能在镀层表面形成一层富稀土合金层，该稀土合金层在大气中氧化，形成牢固的保护层，提高镀层的抗氧化和抗腐蚀能力。
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! r9 X+ |0 V* \) B电刷镀具有其阳极与零件接触、阳极与选定的局部表面相对运动、使用很大的电流密度等三个基本特点，可明显使模具表面粗糙度变细，降低磨擦系数，提高抗氧化能力，脱模效果好，成本低，经济效益显著，适于在各类工厂特别是中小型企业推广应用。