CN103255452B - 一种选择性金属电沉积装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学加工技术领域，一种选择性金属电沉积装置及其应用。一种金属电沉积装置，其特征在于：包括用于容纳电解液的储液槽和用于在电沉积过程中与阴极和阳极对应电连接的电源，超声电源，由支架支撑的超声辅助喷射装置，三坐标数控平台，三坐标数控平台包括动作执行机构、支架和计算机；储液槽外还设有为电解液提供喷射压力的蠕动泵以及控制电解液流量的控制阀；储液槽内设有保持电解液温度的温控器；超声辅助喷射装置底部有电解液喷嘴。本发明提高现有电沉积技术中的沉积层硬度、致密性以及电沉积速度，降低镀层残余应力，同时实现电沉积区域的可选择性以及实现简单形状零件的电沉积成形。<!--1-->
Description
技术领域
本发明属于电化学加工技术领域，具体设计为一种选择性超声辅助喷射金属电沉积装置。
背景技术
金属电沉积是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成具有一定性能的金属镀层的过程。
喷射电沉积是近年来发展起来的一种电镀新工艺，是以提高成形层的性能和成形精度为目标的局部高速电沉积技术，喷射电沉积快速成形具有复制精度和重复精度高、沉积速率快和沉积层的性能优良等优点。可对大型零部件实施局部电镀，可用于磨损或损伤部位的修复以及盲孔、深孔内的镀覆。喷射电沉积极大地提高了沉积的极限电流密度，可以使沉积过程在非常高的电流密度下进行，大大提高了沉积效率。由于喷射电沉积技术的选择性，利于精确成形，解决了精密零件制造的难题。
超声电沉积，就是在电沉积中加载超声，以获得普通电沉积不具备的一些优点的电沉积技术。与普通的刷镀和电镀相比，超声电沉积具有效率高、沉积速率快的优点；其镀层具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
现有的喷射电沉积技术仍然存在加工零件自动化程度低、电解液利用率低、沉积层厚度不均匀、电沉积速度慢以及材料性能差等问题。这些问题导致喷射电沉积以及超声辅助喷射电沉积技术在实际应用过程中对材料表面质量和性能的提高不大且加工质量不易控制，甚至使得零件报废，严重制约着技术的发展和在实际生产中的应用，所以到目前为止，大部分研究处于实验室阶段，远没有实现工业化。因此，有必要探索一种新的喷射电沉积装置，来提高喷射电沉积的工艺稳定性、可控制性以及提高镀层质量和电沉积速度，满足实现工业化的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择性超声辅助喷射电沉积装置，以及一种电沉积方法，提高现有电沉积技术中的沉积层硬度、致密性以及电沉积速度，降低镀层残余应力，同时实现电沉积区域的可选择性以及实现简单形状零件的电沉积成形。
为实现上述目的，本发明所提供的金属电沉积装置采用如下技术方案：一种金属电沉积装置，其特征在于：包括用于容纳电解液的储液槽和用于在电沉积过程中与阴极和阳极对应电连接的电源，超声电源，由支架支撑的超声辅助喷射装置，三坐标数控平台，三坐标数控平台包括动作执行机构、支架和计算机(凡数控动作机构均可，本方案选择步进电机数控系统)；储液槽外还设有为电解液提供喷射压力的蠕动泵以及控制电解液流量的控制阀；储液槽内设有保持电解液温度的温控器；超声辅助喷射装置底部有电解液喷嘴。
应用所述的金属电沉积装置的方法，其特征在于：电镀过程中，电镀阴极为金属板，阳极为超声辅助喷射装置，阴阳极之间为喷射出的电解液，电解液温度控制在20℃～90℃，流过阴阳极之间的平均电流为0mA～100mA,喷嘴移动速度设定为0～100mm·min-1；电沉积时超声频率为20KHz～100KHz，超声波功率为10～450W；电镀时间1～120分钟。
所述的超声电源提供超声电信号，超声电源与超声辅助喷射装置（本方案中该装置由压电换能器和变幅杆组成）用导线连接，由超声辅助喷射装置将电信号转化为超声波，将超声波直接作用于电解液，并将电解液从喷嘴高速喷出。蠕动泵为电解液提供压力，流量控制阀控制电解液流量。通过对流量控制阀的调整和喷嘴口径的选择，可调整喷射到镀件表面电解液的流速。
所述的喷嘴三坐标数控平台由计算机控制动作执行机构，可根据计算机设定的程序对喷嘴的位置和移动速度进行实时控制，用于确定形状的零件表面电镀区域，也可实现小尺寸、简单形状零件的加工制作。
所述的温控器，可以使镀液保持稳定的温度，克服由于超声波的局部加热作用造成的镀液温度上升而引起镀层质量下降的效果。
该装置即可用于金属表面的电镀，又可用于金属的化学镀。
本发明的有益效果是：本发明所提供的金属电沉积方法在金属电沉积过程中对电解液施加超声波，同时将电解液喷射到零件表面，这样当超声波作用于电解液时，由于超声波的有清洗、析氢以及搅拌作用。强大的冲击波能渗透到不同电极介质表面和空隙里，使电极表面彻底清洗；超声空化作用使氢进入空化泡或作为空化核，加快了氢气的析出；搅拌作用加强了离子的输运能力，减小了分散层厚度和浓度梯度，降低了溶液极化，加快了电极过程，优化了电沉积条件。电解液喷射有效地改善了传质过程，允许使用接近极限电流密度的电流密度进行沉积。沉积速度比一般槽镀速度高，沉积层的外观质量和内部组织形态都得到显著改善。超声喷射电沉积技具有效率高、沉积速度快的优点，其镀层具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，由于喷射电沉积的选择性，利于工件的精确成形。另外，以三坐标数控平台对喷嘴位置及移动速度进行精确控制、对电解液的流量和喷出速度进行调节以及温度控制都可以促进电极附近的离子传输，降低浓度差极化，使金属阳离子浓度均匀，改善镀层质量，提高工艺稳定性。运用数字化快速成形技术，可根据测得的零件偏磨损状况，可实现修复层的数控成形，从而确保零件尺寸的按需恢复。应用超声喷射电沉积再制造成形技术，有利于更加快速高效地修复被损零件和设备，快速恢复应用和生产。
本发明所提供的金属电沉积装置在储液槽中设置温控装置，在储液槽外设置向电解液施加超声波的超声辅助喷射装置，同时设有精确控制喷嘴位置及移动速度的三坐标数控平台。在电沉积过程中，首先将电源正极与阳极（超声辅助喷射装置）连接，负极与阴极（镀件）连接，镀件平放在储液槽内的支撑板上，这样在阴阳极之间形成电场，由温控装置对电解液温度实施控制，由超声辅助喷射装置对电解液施加超声波，并将电解液喷射到镀件表面。在三坐标数控平台的计算机内设定喷嘴的移动路线、移动速度等，同时设定电解液的温度。在电沉积过程中，通过超声波和喷射的协同作用增强电解液的超声空化效应和机械搅拌效应，提高电沉积速度，改善镀层质量，晶粒得到细化，其组织更加均匀致密、表面更平整。当电沉积装置按照三坐标数控平台的设置自动完成电沉积层后，切断电源，将镀件从储液槽中取出，整个电沉积加工过程完成。
附图说明
图1是本发明所提供的超声辅助喷射电沉积装置一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明所提供的金属电沉积方法的一种实施例，在金属电沉积加工过程中，将镀件水平放置在储液槽内的支撑板上，然后将电源正极与阳极（超声辅助喷射装置）连接，负极与阴极（镀件）连接，在电沉积过程中，由阳极和阴极在电解液中形成电场，对电解液施加超声波，并将电解液通过电解液喷射装置喷射到镀件表面；同时，通过温控装置使电解液温度保持稳定，在三坐标数控平台的计算机内设定喷嘴的移动速度及线路，流量控制阀调节电解液流量。在阴极电沉积金属材料的过程中，选择超声波功率、喷嘴口径、电解液循环流量以及阴阳极之间电流进行一下几种方案的匹配：
其中，方案一，超声功率0W，即不对电解液施加超声波，超声波频率为，流过阴阳极间的电流为50mA，喷嘴移动速度50mm·min-1；
方案二，超声功率90W，流过阴阳极间的电流为50mA，喷嘴移动速度50mm·min-1；
方案三，超声功率180W，阴阳极电流50mA，喷嘴移动速度50mm·min-1；
方案四，超声功率270W，阴阳极电流50mA，喷嘴移动速度50mm·min-1；
方案五，超声功率360W，阴阳极电流50mA，喷嘴移动速度50mm·min-1；
上述方法的电沉积过程中，对电解液施加不同功率的超声波，保持其他条件不变。五种方案，通过对有、无超声波以及不同超声功率条件下镀层的性能对比，得到超声波的引入对喷射电沉积镀层性能的影响以及不同超声功率对镀层性能的影响。
采用在喷射电沉积的电解液中直接施加超声波的电沉积方法，可提高的电沉积速度、工艺的稳定性以及镀层质量。
在45钢钢板上镀镍为例说明本方法的效果。试验中，在电镀阴极为45钢钢板，阳极为超声辅助喷射装置，阴阳极之间为喷射出的电解液，且阴阳极之间距离为50mm，电解液组成为:NiSO4为270g/L，NiCl2为45g/L，H3BO3为35g/LpH值为4.0，电解液温度控制在40℃，流过阴阳极之间的平均电流为50mA,喷嘴口径3mm，喷嘴移动速度设定为50mm·min-1。电沉积时超声频率为20KHz，电镀时间1小时。试样制作后，用X-350X射线应力测定仪、场发射扫描电子显微镜（SEM）以及пМТ-3型显微硬度计分别测定镀层表面残余应力、晶粒尺寸以及显微硬度，结果如下：
上述实验结果可以看出该装置的明显效果。在对喷射电沉积电解液加载超声波后，相比常规喷射电沉积来讲，在一定范围内，随超声功率的升高，镀层残余应力而降低，晶粒细化，显微硬度提高而且镀层质量稳定性提高。
图1所示，一种用于实施上述金属电沉积电沉积方法的金属电沉积装置的实施例，该实施例中的金属电沉积装置包括储液槽11，储液槽内11有支撑板10，金属镀件9平放在支撑板10上，储液槽11内注入电解液12，将阴极即金属镀件10与电源1的负极连接，阳极（超声辅助喷射装置）7与电源1的正极连接，在电沉积过程中，通过调整电源1的电流输出旋钮来调节流过阴阳极的电流。为控制电解液温度，在储液槽11内还设有在电沉积过程中对保持电解液温度的温控器16，电沉积过程中，可根据实际工况设定电解液的温度。由设在储液槽11内用于提供电解液压力的蠕动泵16和设在储液槽外的流量控制阀15、超超声辅助喷射装置8以及处于超声辅助喷射装置底端的喷嘴8完成镀液的喷射；流量控制阀14与超声辅助喷射装置通过导管13连接，超声辅助喷射装置7与喷嘴8通过螺纹连接。在电沉积过程中，通过调节流量控制阀14以及选择喷嘴8的口径控制喷嘴8喷出电解液的流速。储液槽11外设有在电沉积过程中向电解液施加超声波的超声辅助喷射装置7，超声电源2通过导线5与超声辅助喷射装置7连接，可根据实际工况需要，通过超声电源2选择超声波的功率。优选的，超声辅助喷射装置7施加在电解液上的超声波功率为240W，频率为20KHz。超声辅助喷射装置7由支架6支撑，支架6与三坐标数控平台刚性连接；三坐标数控平台由动作执行机构3和用于控制动作执行机构3的计算机4组成，实际电沉积过程中，根据金属镀件9表面的需要在计算机4内设定喷嘴8的移动路线以及移动速度。
上述实施例中电源的电流可控，由于超声波的引入，改变了原电沉积过程的电流密度，所以需要根据实际工况需要，手动控制流过阴阳极之间的平均电流。
上述实施例中，超声电源具有功率调节旋钮和频率调节旋钮，即可根据实际工况调节需要的超声波功率和频率。
上述实施例中，电解液喷嘴与超声辅助喷射装置螺纹连接，同时喷嘴在加工时直径系列化，有直径0.8mm、1mm、2mm、3mm等，通过更换不同直径喷嘴和手动调整电源输出电压以及调节喷嘴与镀件之间距离实现阴极与阳极之间平均电流的调节。
使用上述电沉积装置进行电沉积加工时，将电解液12添加在储液槽11中，用需做表面加工的金属导电材料作阴极9，并放置在储液槽11内的镀件支撑板10上，由储液槽中的蠕动泵15和设在储液槽外的流量控制阀14控制电解液的流量。由温控器16加热电解液，并使电解液保持稳定的温度。通过超声电源2和超声辅助喷射装置7向电解液施加超声波，通过超声电源2来调整超声波的功率和频率。同时，由计算机4和动作执行机构3实时控制喷嘴的移动速度以及位置，使得电沉积过程发生在需要进行镀覆的零件表面区域。电沉积时，用直流电源通电，通过超声波的空化效应以及扰动效应，提高电沉积速度，改善晶体生长，获得晶粒细化的电沉积层，减少电沉积层的针孔和结瘤缺陷，提高电沉积层硬度，降低电沉积层表面残余应力。当镀层达到规定的厚度后，切断电源，停止电沉积，从阴极上取下表面处理的电镀工件，整个电沉积加工过程完成。
Claims (2)
1.一种金属电沉积装置，其特征在于：包括用于容纳电解液的储液槽和用于在电沉积过程中与阴极和阳极对应电连接的电源，超声电源，由支架支撑的超声辅助喷射装置，三坐标数控平台，三坐标数控平台包括动作执行机构、支架和计算机；储液槽外还设有为电解液提供喷射压力的蠕动泵以及控制电解液流量的控制阀；储液槽内设有保持电解液温度的温控器；超声辅助喷射装置底部有电解液喷嘴。
2.应用权利要求1所述的金属电沉积装置的方法，其特征在于：电镀过程中，电镀阴极为金属板，阳极为超声辅助喷射装置，阴阳极之间为喷射出的电解液，电解液温度控制在20℃～90℃，流过阴阳极之间的平均电流为0mA～100mA,且电流不包括0mA，喷嘴移动速度设定为0～100mm·min-1；电沉积时超声频率为20KHz～100KHz，超声波功率为10～450W；电镀时间1～120分钟。
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