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  等级：功行圆满 文章：62 积分：543 注册：2008-11-25 |
钕铁硼电镀设备特性谈[摘要] 从滚筒、生产线、电镀电源等方面阐述了钕铁硼产品电镀使用的设备与普通设备的不同之处，指出钕铁硼电镀设备的设计与制作均应符合钕铁硼产品的特殊性，否则无法满足钕铁硼产品电镀高品质的要求。
[关键词] 钕铁硼电镀;电镀设备;滚筒 稀土钕铁硼永磁材料以其优良的磁性能自1983年一经问世即得到长足的发展[1]，目前已广泛应用于机电、通讯、仪表、计算机、医疗器械等众多领域。但由于钕铁硼磁体电位较负，表面极易氧化，故在使用前必须进行严格的防腐处理，否则会直接影响整机的使用性能和寿命。我国是个钕铁硼大国，但也是个弱国，其原因较多的时候并非磁体的磁性能差，而是表面处理水平低下。所以，表面处理技术在钕铁硼产品生产中占有举足轻重的地位。电镀做为一种成熟的金属表面处理手段，在钕铁硼磁体防腐领域应用较为广泛。钕铁硼电镀相对于普通零件电镀，它的特殊性表现在难于获得结合力好的镀层、难于协调镀层厚度与磁性能的关系、镀层表面容易受损等。钕铁硼电镀设备同样具有与普通设备不同的特殊性，设备做为槽外控制镀层质量的手段在钕铁硼电镀中的地位尤显重要。这一点必须得到充分的认识，否则，即使使用再先进的电镀工艺也难于获得理想的合格镀层。本文将从以下几点阐述钕铁硼电镀设备的特殊性。 1 滚筒 钕铁硼产品以小零件居多，故一般采用滚镀的方法，并且多以卧式滚镀为主。众所周知，卧式滚镀设备的关键部件是滚筒，滚筒的好坏直接关系到所镀产品质量的优劣。在钕铁硼电镀中更是如此，滚筒是整个设备的最重要部分，只有选择合适的滚筒才能镀出高品质的产品。 1.1 滚筒尺寸 选择一个合理的滚筒尺寸是钕铁硼电镀设备的重中之重。这句话毫不夸张，比如在早些年，曾有不少钕铁硼电镀企业在选用设备时一味追求豪华、自动化程度高、设备产能大等，而忽视了最根本的滚筒尺寸的合理性。所以镀出的产品质量低下，合格率不高，市场销售不畅，并时常伴有退货、索赔等事件发生。 钕铁硼材料是个多相组织，每相的电位各不相同，尤其晶粒边界的富Nd相电位最低，与其它各相间形成原电池，发生电化学腐蚀。并且其腐蚀速度远大于普通钢铁零件。所以，钕铁硼零件在进到滚筒后，应尽可能快地使其沉上镀层以阻止其表面氧化进程。镀层沉积的速度越快，零件表面的氧化程度就越小，镀层与基体间的结合力就越好。那么，从滚筒的角度考虑，怎样才能使镀层的沉积速度加快呢？众所周知，零件在滚筒内只有翻滚至露在表面层与溶液充分接触，才能有机会被沉上镀层，倘若翻滚至流动的零件内层，则零件上只有电流通过而电化学反应基本停止[2]。所以，做为钕铁硼电镀的滚筒，应该更多地提供零件露在表面层与溶液充分接触的机会，这个机会越多，镀层沉积速度就越快，结合力就越好。而能够更多地提供这个机会的滚筒只有小滚筒。 小滚筒由于容积小，滚筒装载量少，零件在滚筒内的堆积情况较轻，零件的混合周期（零件从表层转入内层再转回表层的时间）短[3]，则与溶液充分接触的机会多，受镀的机会也就多。而装载量大的滚筒，由于零件的堆积情况严重，零件有较多的时候不能与溶液充分接触，不与溶液充分接触电化学反应就会停止，但零件自身的氧化却不会停止。零件堆积情况越严重，表面氧化程度就越大。试想，在氧化了的零件表面上沉积的镀层，怎么能够保证其良好的结合力呢？另外，滚筒装载量大（尤其直径大），零件在滚筒内的翻滚强度就大，而由于钕铁硼材料较脆，则容易出现零件表面受损如“磕边”、“磕角” 等。所以，钕铁硼电镀在选用滚筒时，一定要遵循“小”的原则，只有小一些的滚筒才能保证镀层的高品质。多年的钕铁硼电镀实践也完全证明了这一点。甚至不少企业曾为此付出了惨重的代价，这个代价不单是直接的经济损失，更多的时候是企业长时间不能走上良性发展的轨道。 为了做出高品质的产品，钕铁硼电镀滚筒不宜太大，这已是个不争的事实。但滚筒装载量小，产量必然受到影响，这也是个实际情况。比如，一个规模稍大的钕铁硼生产企业一天的电镀量一般在1吨以上，而每个滚筒的装载量为3公斤，以3公斤/筒的装载量去完成1吨/天的生产任务，看来确非一件易事。所以，为了弥补小滚筒产能的不足，唯一的办法就是增加滚筒的数量。只有数量多的小滚筒才能满足钕铁硼电镀“质”和“量”的双重要求。目前国内钕铁硼生产企业的电镀滚筒大多如此，即使钕铁硼电镀技术比较先进的日资（或中日合资）、韩资（或中韩合资）企业也基本如此。 1.2 滚筒转速 钕铁硼产品中薄片零件较多，薄片零件由于“贴壁”现象容易使镀层出现发花、“滚筒眼”、厚度不均等质量问题。解决的办法是，零件在滚镀过程中应尽量少出现“结团”现象而多呈现“单体”状态。单体零件与溶液充分接触，则不会出现“贴壁”带来的镀层质量问题。提高滚筒转速是解决零件“贴壁”问题的好办法，滚筒转速快，零件翻滚好，互相粘贴的几率也就小。 但是，由于钕铁硼材料脆性大，如果零件在滚筒内的翻滚过于强烈，则会出现程度不同的表面受损现象。从这个角度讲，钕铁硼电镀滚筒的转速又不宜太快。滚筒转速慢，零件容易粘贴；滚筒转速快，表面又容易受损。看来，真是左右两难！最后，解决这个问题的办法还是在滚筒尺寸上。为了保证零件在滚筒内翻滚均匀，提高滚筒转速是必须的，但为了保证高转速下零件受损程度小，同时可使使用的滚筒直径缩小。滚筒直径小，零件翻滚跌落时的落差小，零件间相互磕碰的强度减轻，零件表面的受损程度自然也就减轻。也就是说，在滚筒转速即角速度不能减小的情况下，缩小滚筒直径可使零件在滚筒内运行的线速度减小。角速度大，零件翻滚充分；线速度小，零件受损程度小。这样，既解决了薄壁零件的“贴壁”问题，又使零件表面的受损程度减轻。 但是，滚筒直径缩小后，滚筒装载量必然受到影响，设备的产能将会降低。这时，可适当加长滚筒的长度，以尽可能增加滚筒的载重。这样，适合钕铁硼薄壁零件电镀的实际是一种细长型滚筒。并且，细长型滚筒在镀层的厚度波动性、提高电流效率等方面也同时具有优势。但是，并非滚筒越细越长就越好，滚筒长度与直径必须符合一定的比值，否则滚筒的机械强度将会受到影响。 另外，这种适合钕铁硼薄壁零件电镀的细长型滚筒，同样适合其它非片状钕铁硼零件（如磁钢等），而且还会收到意想不到的效果。原因是细长型滚筒与同等容积的粗短型滚筒相比，零件在滚筒内的摊开面积大，零件的混合周期短，当然受镀的机会也就多。但在镀非片状钕铁硼零件时，滚筒转速不用太快，以进一步减轻零件在滚筒内的受损程度。 所以，钕铁硼电镀滚筒的转速应该能够调节，以便使用时可根据情况选用不同的转速。常见的滚筒调速方式有两种。一种是变档调速，就是把常用的滚筒转速做成几个档位，然后可根据情况使用不同档位的转速。就象汽车的手动档变速器，驾驶员在行车时可根据道路行驶情况来变换不同的档位。另一种是无极调速，即设计一个最高转速，然后滚筒转速可在零至该转速之间连续调节。两种调速方式各有优缺点，变档调速档位清晰，转速波动小，但偶尔会有涉及不到的有用转速；无极调速转速可选余地大，适用情况多，但转速波动大，设备稳定性稍差。最好的方案是将两种调速方式结合起来，常规情况下使用变档调速，当使用变档调速涉及不到的转速时，可启动无极调速系统。一旦无极调速系统损坏，仍可以使用变档调速进行正常生产。 1.3 滚筒的透水性和可靠性 由于滚筒的封闭式结构，滚筒板成为影响滚筒内外离子交换的天然屏障。所以滚镀的电流阻力大，电流效率低，镀层厚度不均。想方设法改善滚筒的透水性能，滚筒板的屏蔽作用就会降低，电镀过程中消耗的金属离子就容易补充，滚镀的许多弊病也就减轻。钕铁硼电镀对滚筒的透水性能更是有要求，滚筒透水性能好，镀层沉积速度就快，零件表面的氧化程度就小，镀层结合力也就好。尤其对钕铁硼深孔零件（如磁钢），滚筒透水性能好，不仅可加快零件表面镀层沉积，还可使深孔内的镀覆能力得到提高。 改善滚筒的透水性能，如果仅从滚筒本身考虑，一般有两个途径：一是增加滚筒开孔率，二是减薄滚筒板厚度。滚筒开孔率高和滚筒板厚度薄，使得离子在进出滚筒时遇到的阻力小，滚筒的透水性便能得到改善。 但是，改善滚筒的透水性能，并不是一味增加滚筒开孔率和减薄滚筒板厚度，否则会影响滚筒的机械强度，滚筒的可靠性就会降低。尤其对于钕铁硼电镀，要求使用的滚筒不仅透水性能好，更要有良好的可靠性能。由上文分析知道，钕铁硼电镀使用的滚筒虽然尺寸小，但电镀量大，而且由于零件防护性要求高每筒的电镀时间又很长。所以，钕铁硼电镀的滚筒使用率非常高，使用时的疲劳强度也非常大。常见钕铁硼电镀企业节假日不休，二十四小时三班制生产，即使这样还有可能完不成生产任务。试想，倘若滚筒的可靠性不佳，怎么能经得住钕铁硼电镀的高强度使用呢？ 所以，钕铁硼电镀使用的滚筒既要透水性能好，又要疲实、耐用、可靠性高，要做到透水性与可靠性的和谐统一。 1.4 滚筒开门 钕铁硼电镀使用的滚筒开关门速度一定要快，这样可缩短零件进滚筒后在空气中的停留时间，以尽可能地减轻零件表面的氧化程度。另外，钕铁硼产品中薄片零件较多，所以滚筒开门一定要严密，否则很容易由于零件被夹、卡而成为次品。钕铁硼电镀的产品合格率要求很高，所以在设备制作中，任何一个容易给电镀带来隐患的方面都不允许忽视。常有钕铁硼生产企业由于电镀合格率不高而被退货或索赔，使企业蒙受不必要的损失。 2 生产线 钕铁硼产品的零件品种五花八门，电镀使用的滚筒尺寸小，数量多，而电镀生产量又大，产品质量要求又高，所以选择一种合适的生产线方式至关重要。 2.1 自驱动滚镀设备 国内钕铁硼电镀起步较晚，大约在20世纪80年代末至90年代初，当时并没有专用的滚镀设备。但多数企业都能够掌握钕铁硼电镀使用的滚筒尺寸要小的原则，而当时小型滚筒只有自驱动滚镀机，所以这种自驱动滚镀设备比较盛行。自驱动滚镀机即自带电机滚镀机，这种滚镀机的驱动电机一般位于滚筒的正上方，并通过齿轮传动带动滚筒旋转。由于是自带电机驱动装置，操作时受生产线流程的影响小，所以这种设备的灵活性比较强。钕铁硼电镀企业只要选择合适规格的滚筒，采用这种设备一般都能取得不错的效果。 但是，由于自驱动滚镀机的电机与滚筒连在一起，必然使自身的重量加重，并且这种设备多半是手工操作，规模化电镀生产时工人的劳动强度必然很大。另外，由于电机位于滚筒上方，电镀时遭受腐蚀的机会必然多，电机的损坏率比较高，正常的电镀生产将会受到影响。所以，若用于钕铁硼电镀生产，自驱动滚镀设备在电镀量不大时优势较明显，比如，投资少、上马快、操作灵活、电镀质量有保证等；但大批量生产时，这种设备的缺陷便会显现很多，比如，工人劳动强度大、生产管理困难、设备损坏率高、电镀质量不稳定等。 2.2 滚镀自动线 自驱动滚镀设备无法满足钕铁硼电镀规模化生产的要求，所以大约在20世纪90年代末，用于钕铁硼电镀的滚镀自动线便应运而生了。滚镀自动线自动化程度高，可减轻工人的劳动强度，设备美观、大方、高档，客商参观时显得企业品位高。但是，经过几年的实践证明，滚镀自动线并非钕铁硼电镀的理想设备。 （1）钕铁硼零件品种多，批量大，但单一品种批量小。并且品种不同，对镀层的要求也不同。所以，钕铁硼电镀要求使用的设备能够根据情况适时地作出变化，而自动线的灵活性不足，显然不易满足此要求。 （2）钕铁硼电镀采用镍—铜—镍工艺的较多。滚镀自动线的滚筒很容易由于清洗不彻底而给镍—铜—镍各槽溶液带来交叉污染。 （3）钕铁硼电镀企业的从业人员整体素质较差，对科技含量高的自动化设备难于灵活使用和掌握。 （4）设备投资大，周期长，维护费用高。 尽管如此，并非说钕铁硼电镀就不能用自动线。而是说，钕铁硼电镀的自动线应该根据钕铁硼产品的特殊性并结合工艺而专门设计、制造，不能简单地把普通的自动线拿起来就用。就象人们穿衣服一样，每个人都应该穿适合自己的衣服，难道只看着漂亮穿在身上就能合适吗？ 2.3多头滚镀设备 多头滚镀（机）设备指一个镀槽里配备有多个滚筒，多个滚筒共用一套电机驱动装置，一套驱动装置通过链条传动带动各个工位的滚筒转动。多头滚镀机一般有两头机、四头机或六头机等几种规格可供选择，然后根据生产量的大小和使用的工艺确定多头滚镀机的台数，并且还可根据情况对设备的数量作出增减。 多头滚镀机这种形式源自韩国，在我国最早出现于1999年末至2000年初。我国的设备与韩国设备的机械结构不尽相同，但表现形式基本一样。多头滚镀机也可以说是由自驱动滚镀机演变而来，所以保留了自驱动滚镀机的全部优越性。比如，设备灵活易变、可操控性强、镀层质量容易保证等。并且，多头滚镀机还克服了自驱动滚镀机的许多不足。比如，电机与滚筒分离后，工人劳动强度降低；设备的稳定性增加；单台采用一槽多筒，多台组成一组，多组编成一班，滚筒数量虽然众多，但管理起来也非很难。所以，这种多头滚镀设备很容易就被众多的钕铁硼电镀厂家所接受。 钕铁硼多头滚镀设备比自驱动滚镀设备有了较大的改进，但由于还是手工操作，在使用的滚筒数量较多的时候，仍然存在着工人劳动强度大的问题。所以，为了进一步减轻工人的劳动强度，可以考虑为多头滚镀设备配上槽边手控式悬壁行车。但是，由于目前现行的多头滚镀设备总体使用情况尚好，配上行车后是否会影响到设备的某些优势（如灵活性、可操控性等），还有待实践的进一步证明。 3 电镀电源 由于钕铁硼产品的防腐性能要求较高，所以表面镀层往往很厚。但镀层越厚，对磁体的磁屏蔽就越严重，零件的磁性能也就越差。所以，设法减薄镀层并提高防腐性能是钕铁硼电镀发展的重点之一。 使用脉冲电源得到的镀层致密、光亮、孔隙率低，在镀层厚度减薄的情况下防腐性能仍然很好。所以，国内不少钕铁硼电镀厂家曾在此方面做过工作，以期通过槽外控制的手段——电镀电源，来解决困扰钕铁硼电镀多年的镀层厚度与磁性能的矛盾问题。但结果发现，使用脉冲电源镀出的产品镀层结合力不良，而结合力不良是钕铁硼产品电镀的头号质量问题。分析认为：脉冲电流是一个通断直流电，导通时电流很大，关断时电流为零。由于钕铁硼材质的电位极负，所以有可能在脉冲关断期内零件表面发生氧化腐蚀而使镀层结合力下降。据此可知，为钕铁硼产品电镀提供的电流应该是一个连续的没有断电的直流电流。 但从理论上分析，不允许有断续电流应该只是在钕铁硼产品的电镀打底上，如果底层仍用直流而加厚层用脉冲，结果会怎么样呢？调整方案后重新试验。结果发现，镀层结合力问题得到解决，但防腐性能却没有明显的效果。那么，据此是否就可以认为脉冲电镀不适合钕铁硼产品呢？答案恐怕应该是个未知数。因为造成防腐效果不明显的原因可能会有很多，比如，脉冲参数选择是否合适，电镀工艺是否应该调整，试验条件是否严格，脉冲电源的品质是否过关等等。不能仅凭几次简单的试验就匆匆地做出结论。 所以，目前钕铁硼电镀使用的电源仍然是直流电源。早期使用单相全波硅整流电源的较多，这种电源没有滤波器，输出波形为连续的半周正弦波。最初并没有觉得这种电源有什么不妥，但后来引入开关电源之后发现，使用开关电源做出的产品，镀层结合力好，表面光洁度高。分析认为：单相全波电流虽然波形连续，但当电流接近正弦波波谷的位置时，可能会由于达不到金属离子的沉积电位而使电化学反应停止。电化学反应停止对普通产品的电镀可能影响不大，但对钕铁硼产品的电镀即意味着零件表面氧化腐蚀的开始。即使不是单相全波波形，只要纹波系数大就不可取。因为钕铁硼零件电镀的初始，同时进行着镀层沉积与表面氧化两个相互争锋的过程，镀层沉积快表面氧化程度就小，镀层沉积慢表面氧化程度就大。纹波系数大的波形电流大小交互更替，电流大的时候表面氧化慢，电流小的时候表面氧化快，镀层始终不能连续稳定地进行沉积。所以，为了排除电源波形引起的镀层质量问题，钕铁硼产品的电镀应尽量选用纹波系数小一些的电镀电源。不能象早期那样，随便拿来一台电源就用，结果出了问题还以为是前处理不当或溶液有了毛病，甚而至于一个问题可能好几年得不到解决。就象镀硬铬，随便拿来一台电源用就能取得满意的效果吗？ 开关电源纹波系数小，节电，用于钕铁硼电镀可以取得不错的效果。但钕铁硼电镀的特殊性要求，无论使用什么设备，都必须具有皮实、耐用、可靠性高的特点。否则，可能会由于设备损坏的原因使整滚筒的零件报废，而一滚筒钕铁硼产品的价格不会比一台电源低多少。显然，开关电源的稳定性稍显逊色。但是，如果一定要使用开关电源，应该设法对其不足进行补救：一是选择电源的功率余量要大，二是采用远控的方式使电源远离镀槽以减轻腐蚀，最好有专门的电源机房。三相桥式硅整流电源的波形虽然比开关电源稍差，但镀出的产品几乎与开关电源无异。而三相桥式硅整流电源的稳定性是所有电镀电源中最好的。所以，目前钕铁硼电镀行业使用的电源基本上还是以三相桥式硅整流电源为主。 总之，无论使用什么样的产品，社会的舆论宣传只能起到一定的导向作用，最终起决定作用的还是市场。市场总是在不断地淘汰不适合自己的产品，而使最终使用的产品趋于合理化。钕铁硼电镀也是如此，不管使用什么样的设备，都必须符合钕铁硼产品的特殊性，否则最终会被钕铁硼电镀市场所淘汰。我国的钕铁硼电镀行业经历了多年的风风雨雨，目前无论工艺还是设备都已基本趋于稳定。但是必须清楚地认识到，钕铁硼电镀行业的日子只能说刚刚达到“温饱”，目前甚至仍有不少企业还在过着“缺衣少食” 的生活。世界先进国家的钕铁硼电镀水平领先我们很多，我们也需要先进，我们也需要现代化，但现代化只能一步一步走，决不能搞“大跃进”，否则惨重的损失只能换来一个深刻的教训。所以，摆在我国钕铁硼电镀工作者面前的道路还会很长，很远，很艰难！ [参考文献] [1]肖耀福，岳平，王公平等.放电等离子烧结技术与新型NdFeB磁体[C].上海：第九届全国钕铁硼会议论文集，2002.67 [2]川崎元雄，小西三郎，土肥信康等著徐清发，李国英，潘晓燕译.实用电镀[M].北京：机械工业出版社，1985.220 信息来源：http://yuefazheng.spaces.live.com/ 收藏本页
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 2010-02-08 |      | ||||||
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