CN101922002A - 化学复合镀槽 - Google Patents
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Abstract
一种化学复合镀槽，包括槽体(2)，其特征是所述的槽体(2)为中空的双层结构，在槽体(2)的中空结构中加注有为内层镀槽中的镀液加热的介质或安装有为内层镀槽中的镀液加热的电加热元件(3)；在槽体(2)的内层镀槽中至少安装有1个防止镀液中的微细颗粒沉淀的搅拌桨(4)；在槽体(2)的内层镀槽的内壁上沿镀槽深度方向安装有至少3片用于改变镀槽中镀液流场特性、提高镀液湍流强度的挡板(1)。本发明结构简单，能明显改善镀槽中镀液的流场特性，提高镀液的湍流强度，促使镀液在镀槽中的无规则流动，显著提高镀液中微细颗粒的分布均匀性，提高镀覆质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面处理装置，尤其是一种利用化学方法在零件表面沉积镀覆保护层或耐磨层的化学镀槽，具体地说是一种化学复合镀槽。
背景技术
众所周知，化学复合镀是在化学镀溶液中加入各种功能性不溶微粒，使之与镍磷合金共沉积从而获得不同物理化学性质镀层的一种工艺。它在保持原有基质金属镀层性能的基础上，结合复合粒子的特性，既强化了金属镀层的性能，又对原镀层性能进行了改善。共沉积的微细颗粒，特别的亚微米、纳米级颗粒的比表面积很大，自发减小表面积的倾向使其在化学复合镀液中极易团聚、沉降。因此，微细颗粒能否在化学复合镀液中均匀弥散分布是影响复合镀层性能的关键因素。目前，解决这一问题的方法是对微细颗粒进行一定的前处理工艺，使用分散剂对颗粒进行表面改性；在此基础上，镀覆过程中采取一定的搅拌措施，确保微细颗粒在复合镀液中均匀分布与有效分散。
目前，化学复合镀工艺在实际生产中的大规模应用还较少。市面上针对化学复合镀的专用镀槽极少，大多以化学镀槽替代。由于化学镀与复合镀工艺的差异，在化学镀槽中没有专用的搅拌装置，一般使用循环泵带动镀槽中镀液的低速循环交换。镀液这种定向、低速、循环的流动方式，并不能满足化学复合镀工艺的实际要求。化学复合镀液中添加的惰性颗粒，容易在镀液中团聚，继而在镀槽底沉积，这既导致颗粒在镀液中分布不均，又容易堵塞循环泵的管道。实践表明：复合镀液中固相颗粒的分布均匀性及分散状态，严重影响复合镀层中颗粒的沉积量与分布状态，直接决定了复合镀层的性能。因此，发明一种适用于化学复合镀工艺的镀槽装置，使得固相颗粒在镀液中均匀分布与有效分散，具有重要的现实意义与经济效益。
发明内容
本发明的目的是针对目前使用普通化学镀槽代替化学复合镀槽造成固相 颗粒在复合镀液中的分布均匀性差，微细颗粒必须借助分散剂才能分散，且分散效果较差的问题，设计一种可以显著提高固相颗粒在复合镀液中的分布均匀性与有效分散，从而解决颗粒在镀液中严重团聚，在镀槽中快速沉降问题的复合化学镀槽。
本发明的技术方案是：
一种化学复合镀槽，包括槽体2，其特征是所述的槽体2为中空的双层结构，在槽体2的中空结构中加注有为内层镀槽中的镀液加热的介质或安装有为内层镀槽中的镀液加热的电加热元件3；在槽体2的内层镀槽中至少安装有1个防止镀液中的微细颗粒沉淀的搅拌桨4；在槽体2的内层镀槽中安装有至少3片用于改变镀槽中镀液流场特性的挡板1。
所述的加热介质为热水、蒸汽或热处理油，所述的加热介质借助于槽体2的外槽体上开设的换液通孔在槽体2的中空结构中循环流动。
所述的挡板1为平板结构、带孔结构、带槽结构或齿条状结构。
所述的挡板1的一端安装在与槽体2外形相配的挡板圈5上且在挡板圈5上的位置可调，挡板圈5定位在槽体2上。挡板1与槽体2的内壁之间最好留有空隙，挡板1的下端既可处理悬浮状态，也可插装在槽体2内底上的定位凹槽或凹孔中。
所述的搅拌桨4由电动驱动装置驱动，搅拌桨4上的叶片形状为一字桨、十字桨、涡轮桨、平叶桨或其组合。
本发明的有益效果：
1、本发明通过搅拌桨和挡板的双重作用，明显改善了镀槽中镀液的流场特性，提高了镀液的湍流强度，促使镀液在镀槽中的无规则流动，显著提高镀液中微细颗粒的分布均匀性。
2、本发明通过综合作用显著提高了镀槽中镀液的雷诺切应力，有利于镀液中团聚态的微细颗粒的分散，降低镀液中颗粒的粒径，减少颗粒在镀槽底部的沉降。
3、制备的复合镀层中颗粒的沉积量显著提高，且分布均匀、致密，复合镀层的性能大大改善。
附图说明
图1是本发明的镀槽的三种常见的结构示意图。
图2是本发明的槽体的三种常见的结构示意图。
图3是本发明的搅拌桨的三种常见的结构示意图。
图4是本发明的三种常见的挡板的结构示意图。
图5是本发明的镀槽添加挡板前后的镀液流动的整体形状示意图。
其中图5(a)是无挡板时的镀液流动的整体形状示意图；图5(b)是为有挡板时的镀液流动的整体形状示意图。
图6是本发明的镀槽添加挡板前后的镀液的流线图。
其中图6(a)是无挡板时的镀液的流线图；图6(b)是有挡板时的镀液的流线图。
图7是本发明的镀槽添加挡板前后的平均湍流强度比较示意图。
图8是本发明的镀槽添加挡板前后镀液中湍流脉动量随转速的变化示意图。
其中图8(a)为镀槽添加挡板前后镀液中uv方向的湍流脉动量随转速的变化示意图；图8(b)为镀槽添加挡板前后镀液中vw方向的湍流脉动量随转速的变化示意图；图8(c)为镀槽添加挡板前后镀液中uw方向的湍流脉动量随转速的变化示意图。
图9是本发明的镀槽有挡板和无挡板时镀液中金刚石粒径分布示意图。
其中图9(a)是镀槽有挡板和无挡板时镀液中微粒的特征值为D10时的金刚石粒径分布示意图；图9(b)是镀槽有挡板和无挡板时镀液中微粒的特征值为D50时的金刚石粒径分布示意图；图9(c)是镀槽有挡板和无挡板时镀液中微粒的特征值为D90时的金刚石粒径分布示意图；图9(d)是镀槽有挡板和无挡板时镀液中微粒的特征值为Dav时的金刚石粒径分布示意图。
图10是本发明的化学复合镀的工艺流程示意图。
图11是镀槽中无挡板和有挡板金刚石复合镀层的横截面SEM图。
其中图11(a)是镀槽中无挡板时金刚石复合镀层的横截面SEM图；图11(b)是镀槽中有挡板时金刚石复合镀层的横截面SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示。
一种化学复合镀槽，包括挡板1、槽体2、加热介质或装置3和搅拌桨4，所述的槽体2为中空的双层结构，内层镀槽和外层镀槽之间通过加强筋相连，在槽体2的内层镀槽和外层镀槽之间的中空结构中加注有为内层镀槽中的镀液加热使之恒温的加热介质或安装有为内层镀槽中的镀液加热使之恒温的电加热元件3，加热介质可为循环流动的热水、蒸汽或热处理油，所述的加热介质可借助于槽体2的外槽体上开设的换液通孔和循环泵在槽体2的中空结构中循环流动；槽体2的形状可为圆柱形(图2a，图2b)、矩形(图2c)或多边体形，相应的整个化学镀槽的形状也可为圆柱形(图1a，图1b)、矩形(图1c)或多边体形，槽体2的大小可从200毫升到20立方米。在槽体2的内层镀槽中至少安装有1个防止镀液中的微细颗粒沉淀的搅拌桨4，每个镀槽中安装的搅拌桨4的数量可根据镀槽的大小设置，数量可从1个到10个，在确保流场均匀的前提下，在镀槽中规则或不规则排布，搅拌桨上叶片形状可以为一字桨(图3a)、十字桨(图3b)、涡轮桨(图3c)或平叶桨，每个搅拌桨4还可同时安装多个叶片，叶片之间的排列次序可调，不同种类 的桨叶可混搭使用；在槽体2的内层镀槽的安装有至少3片用于改变镀槽中镀液流场特性的挡板1，挡板1的形状、尺寸可调，挡板1与镀槽内壁之间最好留有一定的间隙，以增加湍流效果，挡板1的安装方向最好是其长度方向与镀槽深度方向一致，挡板1的长度可从100mm到1000m，宽度从5mm到200mm，厚度从0.5mm到10mm，形状可以是规则几何形状薄板或异形板，挡板1上可分布规则或不规则排列的孔、槽(图4c)，也可为不分布孔或槽的平板结构(图4a)，还可为一边为齿条结构(图4b)，挡板1在镀槽中位置可调，原则上呈规则对称排列。具体实施时挡板1的一端安装在与槽体2外形相配的挡板圈5上(如图4所示)且在挡板圈5上的位置可调，挡板圈5定位在槽体2的上端面上(可通过螺钉定位)。挡板1与槽体2的内壁之间最好留有空隙，挡板1的下端既可处于悬浮状态，也可顶在槽体2的内底部或插装在槽体2内底上的定位凹槽或凹孔中。
本实施例未涉及部分如电气控制部分、恒温装置、零件挂架结构、搅拌桨驱动装置、加热装置等均与现有技术相同，或可采用现有技术加以实现。
以下是利用本发明的化学镀槽进行的一系列实验，从中可看出本发明通过增加挡板后所具有的明显的优点，以进一步体现本发明的创造性。
实例一：数值仿真——比较镀槽添加挡板前后的流场特性。
通过计算流体力学的软件对镀槽添加挡板前后的流场特性进行了数值仿真。镀槽结构为图1(a)，镀槽形状为圆柱形，大小为φ2×2(m3)，挡板1的形状为普通薄板，大小为0.25×1.65(m2)，厚度为0.01m，数量为4片，挡板1沿镀槽的轴心均匀分布，如图2(a)。搅拌桨为普通一级一字形桨，桨径为0.55m，如图3(a)。图5、图6及图7分别为在相同搅拌强度下，镀槽添加挡板前后镀液的整体流动特征、镀液流线及平均湍流强度的比较。镀槽添加挡板前，镀液在镀槽中形成明显漩涡，流线呈规则的螺旋形；添加挡板1后，漩涡消失，镀液流线趋于复杂，呈无规则状；镀槽添加挡板1后，镀液的平均湍流强度明显大于无挡板时的情况，提高约15％。图8为不同搅拌转速下，镀槽添加挡板前后，镀液在各剪切方向的湍流脉动量比较。剪切方向上镀液的湍流脉动量越大，说明镀液作用于固相颗粒的剪切力越大，越有利于镀液中“团聚态”颗粒的分散。由图8知，在不同搅拌转速下，镀槽添 加挡板时镀液在各剪切方向的湍流脉动量均大于镀槽无挡板时的情况，尤其是在高速搅拌时，这种优势更加明显。由此可知，在镀槽中添加挡板，确实能起到改善镀液流场均匀性，提高镀液湍流强度与湍流脉动量，有利于固相颗粒在镀液中的均匀分布与有效分散。
实例二：镀槽添加挡板前后的颗粒粒径比较
为了验证镀槽中添加挡板确实有利于镀液中金刚石分散的观点，利用JL9200激光粒度仪测定添加挡板前后镀液中金刚石的粒径分布。根据粒度仪的样品池大小，镀槽形状为圆柱形，大小取φ75×60(mm3)，如图1(b)，挡板1的形状为薄板，侧边上开有不等距的方槽(齿条形)。挡板1的大小为50×12mm2，厚度为1mm，数量为6片，挡板1沿镀槽的轴心均匀分布，如图4(b)。搅拌桨为普通三级斜桨，桨径为25mm，如图3b。配置金刚石含量为1g/L的复合镀液，金刚石平均粒径为0.5μm，分别测定搅拌转速为200、400、600、800rpm时，镀槽添加挡板1前后镀液中金刚石的粒径分布。图9为实验中所测得的添加挡板前后镀液中金刚石的粒径分布，可以看出：镀槽添加挡板确实有利于金刚石颗粒在镀液中的分散。在不同转速下，添加挡板后，镀液中微粒的特征值D10(图9a)、D50(图9b)、D90(图9c)、Dav(图9d)都小于添加前的情况。搅拌速度为400rpm时，镀槽中添加挡板后，镀液中50％的金刚石微粒粒径(D50)在2.94μm以下，而没有挡板的镀槽中的金刚石微粒D50为3.69μm，两都相差达0.75μm，图9b；而添加挡板前后镀液中金刚石的平均粒径(Dav)分别为4.4μm和3.58μm，两者相差达0.82μm，图9d。这就充分说明：镀槽添加挡板，改善镀液流场特性，提高镀液湍流强度和雷诺切应力，有利于金刚石在镀液中的有效分散。
实例三：镀槽添加挡板前后所制备的复合镀层的性能比较
实验中，我们在镀槽添加挡板前后的情况下，分别制备了镍-磷-纳米金刚石复合镀层，镀槽形状为长方形，大小为0.25×0.20×0.20(m3)，如图1(c)，挡板1形状为薄板，中间上开有不等直径的圆孔(图4c)。挡板1大小为0.17×0.03m2，厚度为0.005m，在镀槽中的分布如图1(c)。搅拌桨为普通二 级涡轮桨，桨径为0.055m，如图3(c)。其中镀液中金刚石含量均为6g/l。化学复合镀的工艺流程由前处理、施镀操作、镀后处理等组成(图10)。图11是在扫描电子显微镜(SEM)下观察到的金刚石镀层横截面形貌。添加挡板后，镀层中共沉积的金刚石颗粒含量显著提高，分布均匀；大部分金刚石颗粒的分散效果较好，除了少数几处团聚体的直径超过1μm外，其他的金刚石团聚体的粒径远小于0.5μm。而没有添加挡板的镀槽中制备的镀层中，只有少数一些金刚石，而且团聚比较厉害，粒径基本上在1μm以上。表1、表2分别为镀槽添加挡板前后，所制备的金刚石复合镀层的显微硬度。所有镀层经相同热处理后，镀槽添加挡板时所制备的复合镀层，其显微硬度远远高于镀槽无挡板时的情况。由此可知，镀槽中添加挡板，改善镀液流场特性，能显著提高颗粒在镀液及镀层中分布的均匀性，大大提高复合镀层的性能。
表1镀槽添加挡板前，多批次试样的显微硬度
表2镀槽添加挡板后，多批次试样的显微硬度
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种化学复合镀槽，包括槽体(2)，其特征是所述的槽体(2)为中空的双层结构，在槽体(2)的中空结构中加注有为内层镀槽中的镀液加热的介质或安装有为内层镀槽中的镀液加热的电加热元件(3)；在槽体(2)的内层镀槽中至少安装有1个防止镀液中的微细颗粒沉降的搅拌桨(4)；在槽体(2)的内层镀槽中安装有至少3片用于改变镀槽中镀液流场特性、提高镀液湍流强度的挡板(1)。
2.根据权利要求1所述的化学复合镀槽，其特征是所述的加热介质为热水、蒸汽或热处理油，所述的加热介质借助于槽体(2)外槽体上开设的换液通孔在槽体(2)的中空结构中循环流动。
3.根据权利要求1所述的化学复合镀槽，其特征是所述的挡板(1)为平板结构、带孔结构、带槽结构或齿条状结构。
4.根据权利要求1或3所述的化学复合镀槽，其特征是所述的挡板(1)的一端安装在与槽体(2)外形相配的挡板圈(5)上且在挡板圈(5)上的位置可调，挡板圈(5)定位在槽体(2)上。
5.根据权利要求1所述的化学复合镀槽，其特征是所述的搅拌桨(4)由电动驱动装置驱动，搅拌桨(4)上的叶片形状为一字桨、十字桨、涡轮桨、平叶桨或其组合。
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