什么是机械电镀？

据估计，全世界每年因腐蚀而报废的金属材料和设备的数量约为金属年产量的四分之一到三分之一。可见，研究金属的腐蚀与防护是非常重要的。其中电镀和热浸镀应用广泛。然而，这两种工艺在应用中存在能耗大、污染严重等缺陷。尤其对于高强度工件的电镀，效果并不理想。由于电镀中的氢脆，工件的机械强度受到很大影响；而在热镀中，由于温度过高(≥450℃)，钢的高温退火是有害的。这些问题的存在促使人们不断探索新的防腐技术。

机械电镀技术是近二三十年来欧美日等发达国家开始进入工业应用的表面防护新技术。锌层、锡层、镉层、铝层以及这些金属的混合层都可以通过机械电镀获得。在混合层中，锌和镉、锌和铝、锌和锡、镉和铝可以以各种比例沉积，从而提供优异的腐蚀保护。每个金属沉积层都有许多抗腐蚀的优点。也可以用机械方法沉积其它柔软的延展性金属粉末，如铜、黄铜、铟、金、银和铅。这种高性能涂层可在户外、工业和海洋环境中提供牺牲阳极保护，可保护10-30年或更长时间。近年来，机械电镀以其低能耗、低成本、工艺简单、配方多样、操作方便、生产效率高、无氢脆、环境污染等待时间少等优点，越来越受到金属零件行业的重视。作者近十年来致力于机械电镀技术的研究，在镀层表面光亮度、复合镀层的选择、中性盐雾试验时间的延长等方面取得了良好的进展。

1机械电镀工艺

机械电镀工艺是将活化剂、金属粉末、冲击介质和一定量的水混合成浆料，与工件一起放入滚筒中的工艺。借助干辊旋转产生的机械能，在活化剂和冲击介质机械碰撞的同时作用下，在铁基表面逐渐形成锌涂层。显然，这种工艺的原理不同于热浸镀和电镀。在室温下进行时，高温下没有冶金反应，没有热镀形成的枝晶组织和金属化合物，避免了高温退火对工件强度和性能的影响。在此过程中，没有电场直接作用于工件表面，因此电镀过程中不存在还原反应，从根本上避免了氢脆的产生和危害。

典型的机械电镀工艺可分为四个阶段:(1)表面预处理:这一阶段主要是去除工件表面的油污和氧化物，以露出金属基体进行电镀。(2)闪镀:为了防止铁基氧化，促进镀层与基体的紧密结合，镀前往往在经过预处理的工件表面形成一层薄的金属层，通常为铜层，这一过程只需30-90s，习惯上称为“闪铜”。(3)电镀:闪镀后进入电镀阶段。电镀过程中所需的金属粉末和活化剂的量主要取决于工件的表面积和涂层的厚度。例如，在总表面积为1m2的工件上，25？m锌层，大约需要200g锌粉。(4)后处理:镀后分离-漂洗-干燥-钝化-封闭都属于这个阶段。电镀后，通常通过振动筛和磁选机将工件从介质中分离出来。分离出的介质可以返回到滚筒中重新使用，而工件被冲洗、干燥和装箱。如有必要，工件可进一步钝化或用有机物封闭，以提高耐腐蚀性。

机械镀锌的工艺可分为脱脂→漂洗→酸洗(或抛丸)→漂洗→闪镀→机械镀→分离→漂洗→烘干→钝化等。

2机械电镀设备和原材料

机械电镀设备的典型工作主机是一端开口或半开口的多边形滚筒。其主要作用是提供机械冲击力，使滚筒内的金属粉末、活化剂和水迅速形成均匀的混合浆料，从而保证被镀零件在滚筒内翻转、旋转，在冲击介质的作用下能够镀出所需的镀层。镀桶多为八角形，直径与轴向长度之比不大于1:3；工作位置与水平位置成20-30度。电镀过程中使用的冲击介质不仅要提供冲击能量，还要起到缓冲作用，以减少重工件之间的冲击和锋利的切屑或边缘对镀层的损伤。所以除了有一定的强度和良好的耐磨性外，表面还要光滑有棱角。目前最常用的是玻璃珠，大小在0.5-4mm之间，有多种规格。混合比例取决于工件的形状、尺寸、重量和涂层材料。粒径大的介质太多，涂层表面不平整，在缝隙和凹陷处不易形成涂层；而小粒径介质太多，冲击力不够，涂层附着力下降。

机械电镀过程中添加的各种化学添加剂，总称为活化刑。其主要作用是帮助金属粉末在水中分散，稳定镀液的pH值，提高镀层的性能质量。因此，活化剂通常由多种化学物质组成。为了保证涂层的质量，提高涂层的均匀性和厚度，上述金属粉末和相应的活化剂一般分批加入，间隔3-5分钟。加料后，强化冲击5-10 min，使涂层结构更加均匀致密，最终形成所需涂层。活化剂的比例取决于耐盐雾时间、涂层厚度、工件结构、表面性能等要求。目前机械电镀工艺的改进和发展方向主要是合金化金属粉末，寻找高效分散剂，提高致密性、光亮性和电镀效率，降低成本，基本延长耐蚀时间。

3涂层性能特征

机械涂层是一种由均匀扁平的金属颗粒组成的涂层，如图2所示。按涂层厚度可分为两类:一类是25.4-88.9？m，称为MG(机械镀锌)，可以替代热浸镀产品；另一种小于25.4？m，称为MP(机械电镀)，可以替代电镀产品。这两种涂层的性能基本相同，只是厚度和选择不同。机械镀膜的特点是:镀层外观为均匀的银白色，但颜色不如电镀，有微小的凹凸点；涂层具有良好的均匀性、附着力和涂覆能力。这对于一些有深孔、凹槽和螺纹的工件尤其重要；涂层的耐蚀性良好，通常用中性盐雾试验来衡量。图2是用325目电炉锌粉制备的传统机械镀锌层I的表面形貌。涂层中少数锌粉颗粒由球形变为椭球形，较大的锌粉颗粒有较大的塑性变形倾向。而较小的颗粒填充在大颗粒之间的间隙中或者夹在变形的颗粒之间。图3是作者用片状锌粉制备的机械镀锌层II的表面形貌。发现片状锌粉的活性明显增强，电镀效率提高。涂层表面平整度明显提高，片状锌粉层层叠加，形成排列致密的涂层。亮度也明显提高，钝化效果优于涂层I。用去离子水配制5%氯化钠溶液，在35℃进行中性盐雾试验。涂层II达到1000小时无红锈，接近国内文献报道的机械镀锌长耐蚀性的达克罗涂层。

两张图片显示，颗粒之间有细羊毛连接，这是惰性金属的粘结作用，与锌粉颗粒焊接或与其他夹杂物混合，填充空隙，形成机械涂层。由于机械镀锌中加入了电位比金属锌更正确的金属离子M2+，在酸性镀液环境中会发生化学反应:M2++Fe→Fe2+ 10m，生成的M会以细刷的形式出现在锌粉颗粒表面。M的产生会导致锌粉颗粒表面和涂层表面电荷的变化，促进它们之间的相互吸附。此外，M作为新相容易附着在锌粉颗粒上成核长大，会促进锌粉颗粒的团聚和吸附。

图2机械镀锌表面的SEM(2000×)形貌I图3机械镀锌表面的SEM(2000×)形貌II

机械电镀技术的发展、现状和趋势

机械电镀的研究始于20世纪50年代。1953美国Peenplate公司获得第一项专利技术。20世纪60年代，机械电镀开始用于工业生产。但当时仅限于垫圈、垫片、弹簧等小工件的镀锌，电镀时间长，效率低。锌粉的利用率只有20%-30%。70年代末到80年代，随着技术的提高；随着活化剂性能的提高，机械镀锌广泛用于各种金属零件的镀锌，如螺栓、螺母、钉子、水泥钉、可锻铸铁管件等。同时，电镀时间缩短，效率显著提高。现代机械电镀工艺，电镀时间进一步缩短，金属粉末利用率可达90-95%，30-4 min即可完成整个过程，厚度可在10-100 μm之间任意调节，国外专门制定了机械电镀的相应标准，如美国ASTM B635-钢铁表面机械沉积镉和锡合金镀层标准；b695-钢表面机械沉积锌涂层的标准；b696-钢等表面机械沉积镉涂层的标准。目前国外的机械电镀技术已经从单纯的机械镀锌发展到镀镉、锡、铜、银、铅、铋、铟等金属以及黄铜、镉锡、锡锌、锌镉的合金。从而进一步提高涂料的性能，应用范围更广。

我国对机械电镀的研究始于20世纪80年代中后期。但主要限于机械镀锌，应用范围很小，与国外相比，差距很大。主要原因是对机械电镀形成的不光亮镀层认识不到位，对化学镀产生的优异氢脆和热镀锌产生的高温退火认识不正确。虽然我国在1999颁布了钢铁产品机械镀锌的部颁标准，但机械镀锌工艺在我国机械零部件加工企业中仍不多见，主要分布在浙江、山东、福建、上海、江苏等沿海出口加工企业，镀层也只是单组分镀锌层，加工镀层厚度通常在20-60微米以内。涂层厚度小于10微米的超薄涂层和涂层厚度为60-110微米的超厚涂层的成分、表面光洁度、钝化和耐蚀性是今后的重点研究内容。相信随着我国机械加工业的日益国际化，我国基础设施建设的需求和环保意识的加强，机械电镀产品将逐步取代部分电镀和热镀锌产品。机械镀锌具有污染少、能耗低、镀层均匀、厚度易控制、无脆效、工艺简单、操作方便、机械性能和耐蚀性好等特点，具有广阔的发展前景。