无级变速电刷镀装置设计

刘航+++杨雨晨+++杨宏

摘 要：应用无级变速和JLT-200A系列智能刷镀电源，采用普兰迪微型直流隔膜泵等制备无级变速电刷镀装置。在碳钢表面复合镀证明，该电刷镀装置结构紧凑，体积小，性能稳定，对环境污染小，使用方便。

关键词：无级变速；电刷镀；复合镀；设计

1 概述

电刷镀是借助电化学方法，以浸满镀液的镀笔为阳极，使金属离子在负极工件表面上放电结晶，形成金属覆盖层的工艺过程。同普通电镀和化学镀相比较，电刷镀技术具有电流密度大、操作设备简单、镀层沉积速度快、适应性强、质量好等优点[1]，因此在现代表面工程中获得了广泛的应用。复合镀层是表面工程技术中较为活跃的研究热点之一，也是复合材料领域中一个崭新的研究方向[2]。复合电刷镀则是悬浮在刷镀液中的固体颗粒被镀笔带到沉积表面，被生长的基质金属所捕获，最终形成复合镀层[3]。随着刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚，直至达到所需的厚度。石墨作为一种自润滑材料，溶沸点高，膨胀系数小，摩擦系数小，同时具有良好的化学稳定性。Grp/Ni复合镀层在摩擦面的工作过程中，存在于基质金属中的石墨颗粒随着基质金属的磨损，将不断地脱落，补充到磨损表面，从而在摩擦面上形成一种润滑膜，从而起到了减摩、耐磨作用[4]。

应用自制的无级变速电刷镀装置在45钢表面制备了Grp/Ni复合镀层。采用金相显微镜、扫面电镜、硬度试验和耐磨性试验等，研究了不同电压、温度、转速和石墨添加量等电刷镀工艺条件下，Grp/Ni复合镀层的显微组织、形貌特征、硬度及耐磨性能。

2 无级变速电刷镀装置设计

电刷镀通常包括专用直流电源，镀笔及供液、集液装置，以及刷镀转台。

2.1 专用直流电源

电刷镀专用直流电源不同于其他电镀所用的电源，由整流电路、正负极性转换装置、过载保护电路及安培计等几部分组成。本实验使用JLT-200A系列智能刷镀机。刷镀电源如图1所示。

2.2 刷镀笔

镀笔是电刷镀的重要操作工具，由阳极、绝缘手柄和散热装置组成。根据实际刷镀零件的尺寸差异，可以选用不同类型的镀笔以及镀笔前端的石墨块。石墨块的表面积通常为被镀面的1/3。为了贮存电镀溶液，防止阳极与被镀件直接接触短路，过滤阳极溶解下来的石墨粒子，阳极表面还需用脱脂棉和针织套进行包裹。

2.3 供液、集液装置

电刷镀时，根据被刷镀零件的结构和大小，可以采用不同的方式给笔供液，如浇淋式、蘸取式、和泵液式。关键是要做到连续供液，用以保证金属离子的电沉积能够正常进行。而且流淌下来的溶液一般采用塑料盘之类的容器收集，以供循环使用。本实验采用直流隔膜泵供液。采用普兰迪微型直流隔膜泵，如图2所示。

2.4 无级变速刷镀设备

将以上部分包含在内的无级变速电刷镀设备，本实验设备的主要优点主要有：

（1）配有变速调节系统，可在实验过程中精确调节镀件转速；

（2）配有小型机床卡盘，能夹持不同直径的镀件；

（3）配有微型直流隔膜泵，实现了电镀液的循环；

（4）解决了镀件通电问题，实现了电接触点与镀件的分离。

3 无级变速电刷镀装置在钢表面电刷镀实验

实验基材是45号，45号钢是常用的中碳结构钢。经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性。45钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢。本实验选择尺寸为Φ40mm×4mm的圆饼试样。应用自制的无级变速电刷镀装置在45钢表面制备了Grp/Ni复合镀层。

3.1 电刷镀Grp/Ni复合镀层的表面形貌

图3（a）、（b）、（c）、（d）所示分别是刷镀电压为 8V、10V、12V、14V 时，Grp/Ni复合镀层的形貌特征。从图中明显看出，当刷镀电压为 12V 时，复合刷镀层表面光滑、平整，无现麻点、起泡的现象、无脱落等现象，更没有被氧化烧焦的地方。镀层不仅整体晶粒细小，而且沉积速度也相对较快，此时镀层的力学性能为最佳。随着刷镀电压的增加，导致电流密度不断增大，使得Ni2+更容易沉积到工件表面，更容易长大。当电刷镀的电压过低时，镀层的沉积速度会明显的下降，耗费人力和物力，更会严重影响Grp/Ni复合镀层的最后质量。当刷镀电压过高时，伴随着电源输出的电流密度的增大，进而导致镀液、镀层、镀笔发热量增大。将会使得镀层表面變得比较干燥，不但会使镀液的蒸发量增大，浪费电刷镀液，刷镀笔的阳极也会因为温度的增加导致烧损加剧，增加更换的频率，而且也会使得镀层的表面变黑，甚至更严重的是使得镀层直接脱落。

3.2 电压对镀层硬度的影响

镀层一般都比较薄，所以进行硬度检测用显微硬度计（显微硬度计HVS-1000），加2.942N的力。结果表明，在10～12V范围内，随着电压的升高，镀层硬度逐渐增大，且在12V时镀层硬度较高，大小约为HV635。

3.3 电压对摩擦系数的影响

对镀层进行磨损试验的主要目的是检验镀层抵抗磨损的能力能否满足零件使用时对耐磨性能的要求。加载载荷20N，试验时间5min，实验发现，随着刷镀电压的增大，试样表面的摩擦系数在减小，可得出在本次试验中耐磨性的峰值出现在14V附近。

3.4 温度对镀层组织与性能的影响

分析刷镀温度为20℃、30℃、40℃、50℃时的Grp/Ni复合镀层的表面形貌可知道，随着温度的增加，提供足够的能量，溶液中各成分的活性越强，使得Ni2+更容易沉积到工件表面，更容易长大。但温度过大，会使镀层表面发黑，镀层表面变得粗糙。

4 结束语

（1）无级变速电刷镀装置结构紧凑，体积小，性能稳定，对环境污染小，使用方便。

（2）无级变速电刷镀Grp/Ni复合镀层结合力良好，能预防粘着磨损的发生，降低摩擦因数，提高耐磨性，满足实际使用要求。

参考文献

[1]钱苗根.现代表面技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]解念锁.梯度功能材料的制造方法及应用[J].陕西工学院学报， 2002，18（2）：4-7.

[3]龚海华，靳惠明.脉冲电镀Ni-SiC纳米复合镀层性能研究[J].化学工程与装备，2011，40（1）：32-33.

[4]于杨，解念锁.先进表面工程技术及应用研究[J].科技创新导报，2009（31）：78.

作者简介：刘航（1996，04-），男，陕西西安人，本科生，研究方向是金属材料表面强韧化技术。