魏宇祥，王 殿

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

化學(xué)鍍鎳鐵氟龍工藝是在傳統(tǒng)化學(xué)鍍鎳工藝基礎(chǔ)上，衍生出的一種新型復(fù)合工藝，可用于形狀復(fù)雜的精密零件表面處理。化學(xué)鍍由于其鍍層均勻性好、一致性好、不易脫落、可用于非金屬材料表面等特點(diǎn)，有著電鍍不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在鍍層種類上，鎳鐵氟龍鍍層（Ni-PTFE）是一種復(fù)合鍍層，如圖1所示，由于PTFE（聚四氟乙烯）顆粒均勻地分散在鍍鎳基體內(nèi)部，因此比普通鐵氟龍涂層更加堅(jiān)硬（鍍層硬度HV200-900），且具有非黏著性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)、耐磨性和耐腐蝕等特點(diǎn)，在電子、航空、航天、模具、儀器等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用[1，2]。

目前，國(guó)內(nèi)鍍鎳鐵氟龍?jiān)O(shè)備存在設(shè)計(jì)不完善、故障率較高等問題。本文以化學(xué)鍍鎳鐵氟龍工藝為基礎(chǔ)，對(duì)工藝槽體、陰極移動(dòng)、溫控系統(tǒng)和循環(huán)過濾系統(tǒng)等關(guān)鍵部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過流場(chǎng)和電場(chǎng)仿真進(jìn)行理論論證，最終提升了設(shè)備性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，降低故障率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖1 鍍層模型

1 鍍鎳鐵氟龍工藝

鍍鎳鐵氟龍工藝流程：工件上掛—化學(xué)除油—純水洗—酸洗除銹—水洗—活化—純水洗—化學(xué)鍍鎳鐵氟龍—純水洗—干燥—下掛[3]。

在鍍前處理中，掛具應(yīng)選擇帶有絕緣層的金屬掛具，避免雜質(zhì)離子污染鍍液[4]；化學(xué)除油和酸洗除銹分別用于去除工件表面殘留的油污、銹跡和氧化膜；然后進(jìn)行表面活化處理，使工件表面獲得可以直接進(jìn)行化學(xué)鍍的表面狀態(tài)。完善的前處理過程能夠有效提高工件表面的潔凈度和鍍層結(jié)合力，為化學(xué)鍍鎳鐵氟龍做好鍍前準(zhǔn)備。

在化學(xué)鍍鎳鐵氟龍工藝中，工藝溫度為88 ℃±3 ℃，pH 值為4.6～4.9，所采用的鍍液成分組成如表1 所示。化學(xué)鍍后，工件表面的鍍層均勻致密，呈暗黑色，如圖2 所示。

表1 化學(xué)鍍鎳鐵氟龍鍍液組分

圖2 化學(xué)鍍制前后對(duì)比

2 鍍鎳鐵氟龍?jiān)O(shè)備

本文從工作實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了化學(xué)鍍鎳鐵氟龍自動(dòng)化單機(jī)設(shè)備。該設(shè)備主要包括工藝槽、陰極移動(dòng)機(jī)構(gòu)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、試劑添加系統(tǒng)、陽(yáng)極保護(hù)裝置、管路系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及排風(fēng)系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件如圖3 所示。

圖3 設(shè)備關(guān)鍵部件組成

2.1 鍍鎳鐵氟龍工藝槽

工藝槽是設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，由于化學(xué)鍍鎳鐵氟龍過程是自催化的化學(xué)反應(yīng)，鍍液對(duì)溫度、pH 值、雜質(zhì)、槽體材質(zhì)及內(nèi)表面光潔度、溶液均勻性等都具有較高的敏感性。同時(shí)，鍍液還原性較強(qiáng)，傳統(tǒng)鍍槽易在槽壁沉積鎳或因鍍液受熱不均勻而出現(xiàn)鍍液自然分解的現(xiàn)象，造成浪費(fèi)，成本高、效率低。因此設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、功能穩(wěn)定的槽體至關(guān)重要。

傳統(tǒng)槽體設(shè)計(jì)通常有以下幾種類型：（1）耐酸搪瓷槽；（2）內(nèi)表面噴涂鐵氟龍涂層的金屬槽[6]；（3）NPP（聚丙烯）塑料槽[7]。這三種槽體與鍍液接觸的部分均為非金屬材質(zhì)，可避免鎳沉積，但在長(zhǎng)期使用過程中，搪瓷槽、金屬槽表面的防護(hù)層易磕碰損壞并剝落，導(dǎo)致裸露出的金屬基體沉積鎳；聚丙烯塑料槽由于承受較高的工藝溫度（85～95 ℃），容易變形，焊接部位易滲漏，槽體壽命較低。

綜合考慮工藝槽的使用壽命和可靠性，設(shè)計(jì)采用鏡面不銹鋼材質(zhì)制作，其內(nèi)腔拐角處采用圓弧或大倒角平滑過渡，整體施加直流電源陽(yáng)極保護(hù)。這樣可有效避免槽壁鎳沉積，延長(zhǎng)鍍液壽命。該槽體的結(jié)構(gòu)包括：槽體內(nèi)腔、水浴夾層、保溫層、溢流槽及循環(huán)管、電極保護(hù)桿、電極液位等，如圖4 所示。需注意，槽內(nèi)應(yīng)定期進(jìn)行硝酸泡洗、鈍化，且所有導(dǎo)電裝置均設(shè)計(jì)為防腐接線，防止酸液腐蝕和水汽短路。

圖4 工藝槽

槽體設(shè)計(jì)必須具備的條件：

（1）整體采用表面光潔的鏡面不銹鋼制作，內(nèi)腔焊縫均打磨平整，可有效防止槽內(nèi)壁因表面不平整而引起鎳沉積；內(nèi)腔折彎部分采用平滑方式過渡，溶液循環(huán)高效、無死角；內(nèi)腔底部帶有5°傾角，利于排液。

（2）水浴夾層內(nèi)設(shè)置回流管和溢流口，與槽外水浴槽、循環(huán)泵配套使用。水浴加熱可保證鍍液均勻受熱，避免因局部過熱而分解。槽體最外側(cè)設(shè)置巖棉保溫層。

（3）溢流槽和循環(huán)管。與槽外循環(huán)過濾機(jī)配套使用。溢流口在內(nèi)槽上部，循環(huán)管均布于槽底，使溶液循環(huán)均勻高效。

（4）陽(yáng)極保護(hù)[8]。槽內(nèi)四周設(shè)四支不銹鋼桿做陰極，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，直流電源輸出為恒壓+0.9 ～+1.1 V 時(shí)，可有效防止槽體上鎳沉積。通過Ansys有限元電場(chǎng)仿真，可直觀看出槽壁的電壓分布情況，如圖5 所示。

圖5 槽壁電壓分布

從電壓分布圖看出，受陰極桿排布影響，槽壁四個(gè)角上的正電壓以折彎處為中心均勻向周圍遞減分布，拐角處作為槽體易沉積鎳的敏感部位，得到了有效的電極保護(hù)。

2.2 循環(huán)過濾系統(tǒng)

通過安裝槽外液下泵和槽內(nèi)循環(huán)管路，采用溢流循環(huán)的方式，使循環(huán)充分，可保證處于懸浮狀態(tài)的PTFE 微粒均勻散布于工件表面附近，隨著化學(xué)鍍鎳層的形成而鑲嵌其中，形成復(fù)合鍍層。

相比于傳統(tǒng)電鍍?cè)O(shè)備，鍍鎳鐵氟龍工藝需循環(huán)速度可調(diào)，即液下泵電機(jī)配置變頻功能，使得鍍液中PTFE 懸浮顆粒的流動(dòng)速度需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，速度太快則難以保證其嵌入鍍鎳層的粒子數(shù)量。

圖6 鍍液循環(huán)CFD 仿真

如圖6 所示，通過CFD 軟件對(duì)鍍液循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行流體仿真，分別對(duì)圓弧拐角和直角拐角槽體進(jìn)行循環(huán)對(duì)比分析，觀察流動(dòng)跡線速度圖可以發(fā)現(xiàn)：在相同進(jìn)出口壓力下，相比于直角拐角的內(nèi)槽，圓弧拐角能使槽液循環(huán)更加平穩(wěn)、有序，底部槽液循環(huán)也更加充分，避免了循環(huán)死角，并在局部產(chǎn)生渦旋，有利于溶液離子濃度的擴(kuò)散；從循環(huán)速度上看，圓弧拐角的鍍液平均流速略高，其水頭損失較小，循環(huán)效率高。

值得注意的是，鍍鎳鐵氟龍槽在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，也需要對(duì)溶液進(jìn)行低速攪拌，防止PTFE 懸浮顆粒沉降。

2.3 溫控系統(tǒng)

在鍍鎳鐵氟龍工藝中，鍍液溫度的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。鍍層沉積速度幾乎隨著溫度呈指數(shù)增大，酸性鍍鎳鐵氟龍工藝溫度為88 ℃±3 ℃，當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)，反應(yīng)緩慢；溫度太高時(shí)，沉積速度失控，鍍液分解，因此不建議采用槽內(nèi)放置加熱器的方式加熱[4]。

相比先前集中水浴加熱方式，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立水浴方式加熱，即一個(gè)工藝槽單獨(dú)配置一個(gè)外部水浴槽，通過外部水浴槽加泵的循環(huán)溢流模式，保證藝槽受熱均勻。其次，采用“雙加熱”模式，即設(shè)置外部水浴槽加熱器和工藝槽水浴層加熱器，由于溫度探頭檢測(cè)反饋后、再水浴加熱具有升溫滯后性，所以“雙加熱”模式可以快速將槽內(nèi)任意點(diǎn)溫差控制在±1 ℃內(nèi)。此外，當(dāng)外部水浴槽加熱器損壞時(shí)，工藝槽水浴層的加熱器也可作為備用。這種獨(dú)立水浴的雙加熱方式使得溫度控制更加精準(zhǔn)、反應(yīng)更加及時(shí)。

2.4 陰極移動(dòng)系統(tǒng)

酸性鍍鎳鐵氟龍過程中會(huì)伴隨氫氣析出，因此通常配置陰極移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)水平和豎直兩個(gè)方向的移動(dòng)，保證化學(xué)鍍過程中零件表面的氣泡脫離，并對(duì)溶液起到一定的攪拌作用。

如圖7 所示，水平運(yùn)動(dòng)采用尼龍滾輪加支撐軌的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、防腐性好、成本低；豎直運(yùn)動(dòng)為在對(duì)稱側(cè)的重心位置安裝雙導(dǎo)桿氣缸，運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)豎直方向動(dòng)作頻率可調(diào)。

圖7 工藝調(diào)試槽體

3 結(jié)束語

由于化學(xué)鍍鎳鐵氟龍工藝對(duì)設(shè)備提出了較高的要求，本文結(jié)合工藝實(shí)際，對(duì)槽體、陰極移動(dòng)、溫控系統(tǒng)、循環(huán)過濾等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過仿真進(jìn)行了理論論證。所設(shè)計(jì)的鍍鎳鐵氟龍?jiān)O(shè)備在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性均有較大的提升，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化應(yīng)用。