超聲波在電鍍技術(shù)中應(yīng)用

何 龍， 徐 婷， 譚業(yè)發(fā)， 譚 華， 尤 峻

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

超聲波在電鍍技術(shù)中應(yīng)用

何 龍， 徐 婷， 譚業(yè)發(fā)， 譚 華， 尤 峻

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

超聲波技術(shù)應(yīng)用于電鍍中可以強(qiáng)化電鍍過(guò)程、改善鍍層質(zhì)量和優(yōu)化鍍層性能，獲得優(yōu)質(zhì)鍍層。介紹了超聲波在鍍前零件清洗中的機(jī)理和應(yīng)用，概述了超聲波在電鍍金屬鍍層和納米微粒復(fù)合鍍層中的研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用，指出了超聲波電鍍技術(shù)中需進(jìn)一步解決的問(wèn)題，并展望了其應(yīng)用前景。

超聲波;電鍍;空化作用;納米微粒復(fù)合鍍層

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備向著高精度、高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件的壽命和可靠性提出了更高的要求。電鍍作為表面處理技術(shù)的重要分支，在機(jī)械零部件表面強(qiáng)化和表面改性方面顯示出極大的應(yīng)用潛力，特別是在機(jī)械設(shè)備防腐蝕、耐磨損及抗高溫氧化等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。電鍍過(guò)程中引入超聲波技術(shù)可利用其空化作用強(qiáng)化離子沉積過(guò)程、加快沉積速率、細(xì)化晶粒、改善鍍層質(zhì)量和提高鍍層性能［1-4］。近年來(lái)，隨著超聲設(shè)備使用日益普及，超聲波在醫(yī)療診斷、零件質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，超聲波電鍍技術(shù)在制備功能鍍層、機(jī)床刀具以及機(jī)械防腐領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展［5-8］。本文介紹了超聲波在電鍍零件清洗中的應(yīng)用，敘述了超聲波電鍍金屬鍍層、納米微粒復(fù)合鍍層方面的研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用實(shí)例，指出了超聲波電鍍中有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題，為超聲波電鍍技術(shù)進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 超聲波在電鍍技術(shù)中的應(yīng)用

超聲波電鍍是近年發(fā)展起來(lái)的一種電鍍新工藝，超聲波在電鍍過(guò)程中主要用于電鍍前對(duì)基體進(jìn)行超聲清洗以及電鍍中強(qiáng)化電沉積過(guò)程，從而達(dá)到加快電鍍速度、改善鍍層質(zhì)量和提高鍍層性能的目的［9-10］。

1.1 超聲波在鍍前零件表面清洗中的應(yīng)用

超聲波清洗是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的清洗技術(shù)，已經(jīng)在醫(yī)療儀器、電鍍工具生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，超聲清洗主要是利用超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波、微射流等沖擊表面，形成了剪切作用，使附著在零件表面的污物逐層除去，超聲空化在固體與液體界面上產(chǎn)生的高速微射流能增強(qiáng)攪拌作用，加速可溶性污垢的溶解，直到基體完全清洗干凈為止。電鍍前對(duì)基體進(jìn)行超聲清洗，可以去除影響電鍍的氧化物和油膜，使得基體與鍍層之間結(jié)合更好，提高鍍件的質(zhì)量［11-13］?；粲钕璧龋?4］對(duì)超聲波清洗在復(fù)合電鍍金剛石鉆頭預(yù)處理中的作用進(jìn)行了研究，采用水基清洗液三氯乙烯作為超聲波清洗液，用f為22～23kHz的超聲波進(jìn)行超聲波浸蝕清洗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)超聲清洗的鉆頭表面潤(rùn)濕接觸角小，污垢殘留最少，采用超聲波加酸洗工藝清洗零件的雜質(zhì)殘留物下降了0.2%以下。劉曉東等［15］采用由OP乳化劑、6501清洗劑等組成的水基清洗液，在聲強(qiáng)0.03W/cm2，室溫條件下對(duì)復(fù)合電鍍金剛石鉆頭基體超聲清洗2min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合電鍍前經(jīng)過(guò)超聲清洗的鉆頭基體與沉積粒子的結(jié)合能力提高，可以提高復(fù)合電鍍金剛石鉆頭使用壽命。王洪奎［16］研究成果表明，采用OP乳化劑清洗劑對(duì)待鍍零件進(jìn)行超聲波清洗后，產(chǎn)品曲線花紋深處的污染物得到徹底清除，同時(shí)避免產(chǎn)品表面劃傷，鍍18K或24K金后，保證了花紋圖形的清晰度和一致性。趙立新等［17］研究了超聲波清洗的頻率、溫度和時(shí)間對(duì)鍍錫鈍化膜耐蝕性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)超聲波清洗時(shí)，鍍層耐腐蝕性最差，超聲波清洗工藝參數(shù) f=59kHz，θ=35～45℃，t=10～15s時(shí)，鍍錫板的微觀表面均勻平整，耐蝕性有明顯提高，超聲清洗效果明顯;Bogdan Niemczewski［18］研究了水基二烯烴清洗液濃度對(duì)超聲空化強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在清洗θ為60℃的條件下，采用4% ～10% 的 Na2CO3、Na2SiO3·5H2O 和 Na3PO4·12H2O清洗液空化強(qiáng)度最大，超聲清洗效果最好。超聲波的功率、頻率及聲場(chǎng)分布等因素都會(huì)對(duì)超聲清洗效果產(chǎn)生影響，超聲清洗中，不同頻率的超聲波顯示出不同的清洗特性，低頻有利于大污垢、較高強(qiáng)度的清洗，而高頻則有利于縫隙、間隙和深孔的清洗［19-20?，因此實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)污染程度和零件精密程度選擇超聲清洗參數(shù)。

1.2 超聲波在金屬鍍層制備中的應(yīng)用

超聲波條件下制備的鍍層具有晶粒精細(xì)致密、硬度高、耐腐蝕性好和內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于鎳、銅等單質(zhì)金屬鍍層和合金鍍層的制備，采用超聲波可以提高生產(chǎn)效率，改善鍍層表面質(zhì)量，優(yōu)化鍍層性能［21-25?。

王秀芝等［26-27］分別在超聲波和無(wú)超聲波條件下制備鎳鍍層和復(fù)合電鍍金剛石磨具，研究超聲波對(duì)鎳鍍層性能和復(fù)合電鍍金剛石磨具的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電鍍鎳過(guò)程中引入超聲波，可以提高鍍層硬度，超聲波 P為 200W時(shí)，硬度最大達(dá)到510HV;在超聲波作用下，鎳鍍層的晶粒細(xì)小，鍍層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，鎳鍍層晶粒細(xì)化、加工硬化和存在壓應(yīng)力是超聲波電鍍鎳層硬度提高的主要因素;超聲波可以提高鍍鎳層對(duì)金剛石顆粒的包裹能力，提高金剛石磨具的加工性能。Vasudevan等［28］在瓦特鍍鎳過(guò)程中引入f為22kHz、P為0～500W的超聲波，研究其對(duì)鎳鍍層性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用超聲波可以減少析氫從而提高了沉積速度和允許使用的電流密度，并且極大的提高陰極電流效率，降低鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力，提高耐磨性能以及抗疲勞強(qiáng)度，顯微硬度由350HV提高到450HV，所獲得的鍍層表面粗糙度由0.96μm降低到0.56μm。Jensen等［29］研究了高頻超聲波強(qiáng)化鎳離子沉積的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瓦特型鍍鎳液中，采用頻率為1MHz的超聲波，三維溝槽底部和溝壁上鎳鍍層厚度均勻，超聲射流和駐波對(duì)鎳鍍層形貌有顯著的影響。

利用超聲波電鍍技術(shù)在AZ91D鎂合金表面電鍍銅，觀察銅鍍層表面質(zhì)量，無(wú)超聲波電鍍所得銅鍍層表面晶粒粗糙，結(jié)合力較差;而利用超聲波電鍍技術(shù)所得銅鍍層表面晶粒均勻、平整，結(jié)合力強(qiáng)，耐蝕性較好;掃描電子顯微(SEM)觀察顯示80W超聲功率下得到的鍍層表面比40W超聲功率鍍層表面平整［30］。趙鵬等［31］研究了超聲波對(duì)泡沫銅結(jié)構(gòu)及性能影響，施加功率為300W的超聲波使銅層晶粒細(xì)化，組織致密，且表面粗糙度低，避免了電鍍銅表面的結(jié)瘤現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度可提高2倍以上，可減少機(jī)械加工成型時(shí)的斷裂現(xiàn)象。Hong等［32］在有無(wú)超聲波作用條件下，以鈦合金為基體，比較在水溶液和有機(jī)溶液中制備銅鍍層的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波減少了銅層的內(nèi)應(yīng)力。Chen等［33］在超聲波條件下分別利用直流電流和脈沖電流在盲孔中電鍍銅，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波電鍍可以減少陰極表面附近液層的擴(kuò)散層厚度，提高鍍層質(zhì)量。長(zhǎng)寬比小于3∶1的盲孔，電鍍中無(wú)論是否應(yīng)用超聲波，用脈沖電流即可獲得完整鍍層;長(zhǎng)寬比大于3∶1的盲孔，采用超聲波攪拌好于機(jī)械攪拌，可以提高陰極附近粒子濃度，有利于粒子的沉積，獲得完整鍍層。

利用酸性氯化物鍍液在低碳鋼上鍍鋅的研究結(jié)果表明，超聲波作用除了可以提高鍍層的硬度外，還可顯著增強(qiáng)低碳鋼表面鋅鍍層的抗腐蝕性能，主要因?yàn)槌暱栈饔脺p少了鍍層的孔隙率，使得鋅鍍層更加致密［34］。

Takashi等［35］利用超聲波在銅基體上制備了銥鍍層，測(cè)試鍍層表面質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鍍液中加入5mmol/L的丙三醇，電鍍過(guò)程中應(yīng)用超聲波頻率為20kHz時(shí)制備的鍍層比無(wú)超聲波條件下制備鍍層的表面裂紋少，內(nèi)應(yīng)力小，而且將陰極電流效率提高了10%。鍍層無(wú)論是否使用丙三醇作為添加劑，超聲波都可以減少鍍層的內(nèi)應(yīng)力。

超聲波作用下制備的錫-鈰合金鍍層光亮，呈銀白色，結(jié)晶更均勻細(xì)致，以Sn(101)晶面為主，擇優(yōu)取向明顯，無(wú)超聲波作用下所得鍍層以Sn(101)和Sn(112)晶面為主，擇優(yōu)取向較弱;超聲波作用下所得錫-鈰合金鍍層的綜合性能優(yōu)良，結(jié)合力強(qiáng)，可焊性理想，尤其抗氧化性能和耐蝕性能更優(yōu)于無(wú)超聲波作用下所得的鍍層;超聲波加快電極過(guò)程，優(yōu)化鍍液性能，提高了電沉積速率，有利于錫-鈰合金共沉積的形成［36］。超聲波電鍍Ni-Fe合金的研究結(jié)果表明，頻率為24.8 kHz超聲波條件下制備的鍍層中Fe含量明顯高于37.9 kHz條件下獲得的鍍層，但鍍層的內(nèi)應(yīng)力增加，在鍍液中加入糖精，可以減小內(nèi)應(yīng)力［37］。研究還發(fā)現(xiàn)，超聲波影響Ni-Co合金電沉積層機(jī)械性能和Co含量，隨著超聲波功率的增加，Ni-Co合金中鈷含量減少，合金鍍層的硬度顯著增加，韌性也有所提高［38］。

1.3 超聲波在制備納米微粒復(fù)合鍍層中的應(yīng)用

納米材料是近年發(fā)展起來(lái)的新型材料，以其優(yōu)良的性能在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它可以作為吸波隱性材料及光反射材料;可制成量子器件、非線性電阻、永磁吸波材料及磁光元件;制備出超硬、高強(qiáng)及高韌性材料，解決陶瓷材料脆性而難以加工的問(wèn)題。利用復(fù)合電鍍技術(shù)可以制備如Ni-ZrO2、W-Ni等具有特殊性能的納米復(fù)合鍍層，在復(fù)合電鍍過(guò)程應(yīng)用超聲波可以提高鍍層中納米顆粒含量，改善鍍層性能，提高納米微粒復(fù)合鍍層的質(zhì)量［39-44］。

1)增加復(fù)合鍍層中納米微粒含量 利用超聲波空化效應(yīng)可以減少納米微粒的團(tuán)聚，增加復(fù)合鍍層中納米微粒的含量。吳蒙華等［45］采用超聲電沉積方法在20鋼基體上制備了鎳-納米微粒碳化硅復(fù)合鍍層，通過(guò)掃描電鏡和能譜儀研究超聲波對(duì)復(fù)合鍍層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲功率為300W時(shí)，得到的復(fù)合鍍層中SiC納米微粒含量較高;同時(shí)復(fù)合鍍層中的鎳晶粒得到了細(xì)化，取向也由擇優(yōu)取向趨于隨機(jī)取向。D.Lee等［46］采用電流密度200A/dm2，電鍍 θ為50℃，超聲聲強(qiáng)為70～120W/cm2工藝條件，分別在Si基體上制備出Cu-Al2O3和Cu-CeO2納米微粒復(fù)合鍍層，研究了超聲波對(duì)納米微粒含量和鍍層質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)表明，鍍層制備過(guò)程中不應(yīng)用超聲波時(shí)納米微粒只有2.4%，引入聲強(qiáng)為120 W/cm2的超聲波時(shí)，納米微粒為6.2%，且分布均勻，超聲波對(duì)Cu-Al2O3和Cu-CeO2納米微粒復(fù)合鍍層起到細(xì)化晶粒，改善表面質(zhì)量，減少團(tuán)聚，增加了鍍層中納米顆粒的含量。

2)提高納米微粒復(fù)合鍍層性能 吳化等［47］采用超聲波分散技術(shù)在純銅板上制備含有Si3N4納米微粒鎳基復(fù)合鍍層，在ρ(Si3N4)為40g/L條件下，未經(jīng)超聲分散和經(jīng)過(guò)超聲分散獲得的鍍層硬度分別為713HV和920HV，鍍層磨損質(zhì)量分別為2.5mg和1.4mg，由于超聲波可以加速機(jī)械攪拌，復(fù)合鍍層中納米微粒分散均勻，提高了復(fù)合鍍層顯微硬度和耐磨性。C.Zanella等［48］分別在直流和脈沖電流條件下制備的純鎳和Ni-SiC復(fù)合鍍層，研究了超聲振動(dòng)對(duì)鍍層性能的影響，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在采用頻率為1Hz的脈沖電流和超聲波共同作用下制備的復(fù)合鍍層w(SiC)達(dá)到6%，高于未應(yīng)用超聲波時(shí)的4%，鍍層顯微硬度由375HV增長(zhǎng)至400HV，Ni-SiC復(fù)合鍍層的表面粗糙度為0.83μm優(yōu)于不使用超聲波時(shí)的1.9μm，同時(shí)電沉積過(guò)程中應(yīng)用超聲波可以減少Ni-SiC復(fù)合鍍層的孔隙率，同時(shí)提高鍍層的耐腐蝕性能。Cobley等［49］研究了超聲波對(duì)納米Au-SiC復(fù)合鍍層的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的超聲波功率(20 850 kHz和1 176kHz)條件下，頻率高的超聲波增加了納米Au-Sic顆粒的覆蓋和分散，而且可以獲得更好的機(jī)械性能，提高電子元件承受極高溫度的能力。Chang等［50］采用瓦特鍍液，利用脈沖電流制備了(Ni-Co)-Al2O3復(fù)合鍍層，研究了不同超聲波功率(0～160W)對(duì)復(fù)合鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度以及顆粒積聚程度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波功率為96W時(shí)鍍層顆粒精細(xì)、取向一致，(Ni-Co)-Al2O3復(fù)合鍍層中 w(Al2O3)為6.5%，顯微硬度達(dá)到450HV，均高于功率為0、160W時(shí)數(shù)值。超聲波可以提高(Ni-Co)-Al2O3納米微粒鍍層的綜合性能。Dietrich［51］在超聲波條件下制備(Ni-Co)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也表明鍍層的顯微硬度提高了50%。

2 展望

雖然超聲波電鍍可以細(xì)化晶粒、改善鍍層表面的粗糙度，提高電鍍效率，得到性能更佳的鍍層，但目前仍存在有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題，如何更好地利用超聲波電鍍技術(shù)，使之在工程中發(fā)揮更大的作用，還需要在以下幾個(gè)方面作深入研究:

1)深入研究超聲波強(qiáng)化電鍍的機(jī)理 目前的研究工作主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，今后應(yīng)該對(duì)超聲電鍍微觀作用機(jī)理深入研究，建立電鍍機(jī)理模型，解決超聲波在鍍液中傳播時(shí)分布不均勻，超聲介入方式對(duì)鍍層性能影響等問(wèn)題，增強(qiáng)在不同電鍍領(lǐng)域的通用性。

2)加強(qiáng)對(duì)超聲波電鍍工藝研究和超聲電鍍?cè)O(shè)備的研發(fā) 目前超聲波電鍍技術(shù)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，今后可以著重對(duì)超聲電鍍的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，制定優(yōu)化的工藝條件，研制性能優(yōu)良的超聲電鍍裝置，實(shí)現(xiàn)超聲波電鍍產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

電鍍過(guò)程中應(yīng)用超聲波是在不改變鍍液成分、電鍍參數(shù)條件下，快速提高電鍍效率和改善鍍層性能的一種新方法。機(jī)械零部件表面鍍層可以起到減摩耐磨、防腐蝕等作用，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，因此超聲波電鍍技術(shù)在實(shí)現(xiàn)快速電鍍和新型復(fù)合電鍍材料的制備領(lǐng)域有著廣闊的研究應(yīng)用前景。

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Application Progress of Ultrasonic in Electroplating Technology

HE Long，XU Ting，TAN Ye-fa，TAN Hua，YOU Jun
(Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

High quality electroplating coatings can be obtained via application of ultrasonic which can strengthen electroplating process，improve quality and optimize property for the coatings.In this paper，mechanism and application of ultrasonic in pretreatment cleaning were introduced.Research progress and engineering application of ultrasonic in electroplating for metal coating and nano particles composite coating were summarized.Problems of ultrasonic electroplating which should be solved in further were pointed out.Also the application prospect was predicted.

ultrasonic;electroplating;cavitation;nano particles composite coating

TQ150.5

A

1001-3849(2011)07-0029-06

2011-02-10

2011-03-23