遍及國民經濟和國防建設的各個領域，大量金屬零部件因腐蝕而失效甚至報廢。據統計，每年由于腐蝕而報廢的金屬設備和材料，約相當于金屬年產量的20-40％，全世界每年因腐蝕而損耗的金屬達1億噸以上。至于因腐蝕造成的間接損失，雖然有時難以統計，但危害更大。

 

    本文簡要綜述對腐蝕零件具有針對性的先進再制造技術--化學鍍這一先進的表面工程技術，也是先進的特種加工技術的研究進展。重點介紹化學鍍二元、三元及納米復合鍍合金技術在異形和活動零件中的應用，系統分析與解決了零件再制造工程中的結構特點、鍍液選擇、施鍍設備、工藝流程、表面質量、鍍層性能和復合防護設計等方面的技術關鍵問題，獲得了再制造工程應用的鍍液、設備及優化的工藝，顯著提升了零件再制造工業化的質量和規模，拓寬了化學鍍技術的應用領域。

 

    文/黃燕濱 儀忠源 巴國召 周科可

 

    再制造化學鍍技術發展

 

    再制造工程是正在發展的一個新興研究領域和新興產業，再制造工程運用先進表面技術，復合表面技術等多種高新技術、產業化生產方式、嚴格的產品質量管理和市場管理模式，使廢舊產品得以高質量的再生，創造新的價值，是符合國家可持續發展的一項系統工程。零件的再制造是研究最早的領域，在國外已經形成了規模相當大的產業，但在國內尚處于起步階段。特種加工技術是直接借助電能、熱能、聲能、光能、電化學能、化學能以及特殊機械能等多種能量或其復合施加在工件的被加工部位上以實現材料切除的加工方法，從而實現材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等的非傳統加工方法統稱為特種加工。

 

    化學鍍技術是先進的表面工程技術， 也是先進的特種加工技術，通過在零件表面鍍覆金屬材料等，提高零件的耐蝕和耐磨性能，以改善表面性能，使其在高溫、高壓、高速或腐蝕環境下長期而可靠地工作，并且化學鍍鍍層厚度均勻致密，無明顯的邊緣效應，施鍍之后無需對零件再加工，可直接應用。化學鍍操作方便、工藝設備簡單、鍍層質量優異，但對鍍液、工藝有嚴格的要求，只有正確地實施鍍前處理、施鍍操作、鍍后處理各部分工藝才能得到質量合格的鍍層。化學鍍再制造的工藝流程是：舊機入庫→拆解→清洗→檢測分選→鍍前處理→化學鍍→鍍后處理→裝配→整機測試→包裝→出廠，工藝流程如圖1。
 

 

    整個工藝流程中，腐蝕零件檢驗及分類是其中較為關鍵的步驟。通過檢驗， 對于腐蝕損傷過于嚴重，不適合化學鍍技術處理的零件，要應用其他再制造技術處理，或者報廢處理。腐蝕損傷不嚴重的零件，要先進行退鍍，然后才能進行化學鍍處理。

 

    化學鍍技術的處理工藝

 

    二元化學鍍技術

 

    自1 9 4 6 年美國國家標準局的A . Brenner和C.Ridden提出了沉積非粉末狀鎳的方法以來，國內外研究部門對化學鍍作了深入地研究，但化學鍍技術形成與理論完善只有近20-30年的歷史。由于化學鍍Ni-P鍍層具有優異的力學、工藝和加工性能，在零件的再制造方面得到廣泛的應用，但化學鍍Ni-P合金鍍層是多種綜合因素綜合作用的結果，鍍液中各成分及施鍍工藝之間既相互促進又相互制約。

 

    提高鍍層的厚度可增加鍍層的耐蝕性能，零件單一Ni-P鍍層難以有效控制鍍層孔隙，因此提出了復合鍍層設計方案。采用了雙層化學鍍鎳技術，對ZMP（中磷鍍液）、ZHP（高磷鍍液）雙層化學鍍鎳ZDP體系利用正交試驗進行了工藝優化， 獲得了具有優異性能的雙層化學鍍鎳新工藝，結果見表1，經過性能測試，驗證了復合鍍層的耐蝕性能優于單一的Ni-P鍍層， 結果見表2。
 

 

    工業化現場施鍍裝置見圖2。主要由聚丙烯鍍槽、外循環電加熱器、溶液攪拌、循環過濾流量泵、鍍液自動添加裝置 、電加熱控制柜等組成。ZMHP系列鍍液實現了快速穩定的工程化應用。

 

    根據考核統計，經過化學鍍技術處理的零件的防腐效果優秀率達到81.3%，輕度腐蝕即良好率占14%，嚴重生銹占4.7%。綜上所述，零件應用化學鍍Ni-P合金鍍層技術的防腐效果良好見圖3。
 

 

圖2　工業化現場施鍍裝置圖



圖3　車輛化學鍍處理零件
 

 

    三元化學鍍技術

 

    隨著科學技術的突飛猛進，人們對功能性鍍層的要求越來越多樣化。單純的二元Ni－P合金已越來越難以滿足工程的要求，通過添加合金元素獲得三元或多元Ni－P基合金鍍層來改善合金鍍層的性能。在惡劣工況下工作的關鍵零件蝕耐磨性要求較高，二元Ni-P鍍層不能完全滿足其要求，而三元化學鍍鎳技術通過合金化的方法，能夠調整和改變材料的微觀結構，從而改善其物理化學性質，甚至獲得一些新的特性，見表3。
 

 

    三元化學鍍鎳技術通過合金化的方法，能夠調整和改變材料的微觀結構，從而改善其物理化學性質，甚至獲得一些新的特性。如Ni－Cu－P具有良好的耐蝕性、非磁性和穩定性，而且當Cu含量足夠高時，有良好的導電性；Ni－Mo－P、 Ni－W－P是極好的薄膜電阻材料，其耐蝕性也很高；Ni－Co－P 則為優良的磁記憶膜。三元化學鍍鎳合金層克服了二元化學鍍鎳合金層的許多缺點，有較好的綜合性能。表3列舉了各種三元合金鍍層的性能特點：

 

    三元化學鍍鎳合金層克服了二元化學鍍鎳合金層的許多缺點，有較好的綜合性能，它的發展將會促進化學鍍技術的飛躍，也將更好地應用于零件防腐與再制造工程應用中。

 

    復合化學鍍技術

 

    微納米顆粒復合化學鍍技術是根據材料的結晶理論和復合材料強化理論，利用微納米顆粒的優異性能，獲得具有良好綜合機械性能的復合鍍層，發揮化學鍍技術在零件防腐中的技術優勢。在化學鍍Ni-P 鍍液中加入n-ZrO2、納米Si、納米Al2O3、SiC、金剛石粉等微納米材料，由于顆粒本身的性質，其鍍層比普通化學鍍有更優異的耐蝕性、耐磨性和抗高溫氧化能力，微納米顆粒復合化學鍍技術不僅具有傳統化學鍍技術的工藝優點，而且獲得的復合鍍層，其綜合性能更加優異。

 

    納米復合鍍層是納米材料應用研究中極具活力的研究方向之一。以納米顆粒為代表的納米硬粉本身具有較高的硬度和良好的熱穩定性，可以有效地提高鍍層的硬度和耐磨性。納米顆粒的存在對于鍍層內位錯的移動和微裂紋的擴展有一定的阻礙作用，它還會影響內應力的分布，引起鍍層晶粒的細化，并使鍍層中的裂紋有減少、變小的趨勢。從這個意義上講，微納米顆粒在復合鍍層中的應用，能夠全面提升單一鍍層的綜合性能。

 

    對納米化學復合鍍技術的研究表明， 在不影響鍍層耐蝕性的基礎上添加納米顆粒的鍍層，能夠提高鍍層的耐磨性，這可在更苛刻的條件下應用化學鍍技術，使其在零件再制造中有更廣泛的用途。

 

    二元化學鍍Ni-P鍍層良好的耐蝕、耐磨性能和表面質量，使得該技術在零件再制造中已得到廣泛的應用，在一定條件下滿足了裝備的使用要求，但需進一步提升鍍層性能；三元化學鍍Ni-W-P、Ni-Cu-P鍍層具有更優異的耐蝕和耐磨性能，可在更惡劣的工況下工作，這對零件再制造提供了更有效的質量保證；納米化學復合鍍層具有了特殊力學性能和表面質量，可以滿足復雜、苛刻的工作條件，為零件再制造提供了技術儲備。