CN103255455A - 一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法及装置，属于材料技术领域，方法按以下步骤进行：（1）对基体材料进行预处理；（2）配制电解液；（3）待清洗干净的基体材料表面干燥后，置于电解液中作为阴极，采用铅锑合金作为阳极，通过电源向两极施加脉冲电流在基体材料表面获得铬毛化层；装置包括电镀槽、控温装置和升降装置，电镀槽内设有阳极与电源连接；控温装置为控温槽或盘管；电镀槽上方还设升降装置，升降装置由升降电机和升降杆组成。本发明的方法具有较强的毛化效果，并且具备成本低，工艺稳定，参数容易控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法及装置。
背景技术
现阶段轧辊毛化后得到的轧辊表面由很多易于折断和磨损的尖峰组成，严重影响轧辊表面的粗糙度保持性能和耐磨性能；而从摩擦学及润滑理论上分析，板材表面最理想的微观形貌为球面或椭球凹陷，因为球面或椭球凹陷能够使钢板在冲压过程中形成独特的微坑润滑机构，可以有效减小摩擦力和磨损，减少冲压裂纹的产生，同时形成上述微坑也有利于钢板表面相应形成的表面圆滑的微突起，尖峰少以保证板面具有足够的粗糙度。因此，在轧辊表面形成球冠状微凸形貌对冷轧板的生产有着很重要的意义。铬的机械性能（强度、硬度）优于铁基材料，所以采用铬材质的毛化后轧辊表面的硬度高，可延长轧辊的使用寿命，毛化后的轧辊表面凹坑呈随机分布，可获得轧辊的表面粗糙度值范围Ra在0.2~20 μm，且峰值密度很高，重复性好，有利于毛化钢板的涂漆。
传统的冷轧辊毛化工艺（喷丸毛化，电火花毛化等）都是使辊面材料脱落或烧损形成尖锐的内凹毛化形貌的工艺，生产出来的毛化辊受冷轧辊材质的影响，粗糙度衰减过快，使用寿命低，以及毛化冷轧辊表面形貌中凹坑多于凸起，因而不利于带钢对其表面粗糙度的拷贝。
电沉积铬毛化工艺是在加工后的轧辊表面形成具有一定毛化效果的电沉积铬层，对辊面材料没有影响，其耐磨性能完全取决于电沉积铬层的硬度。由于铬硬度很高，具有良好的耐磨性，可以大幅度提高毛化冷轧辊的使用寿命；通过对电沉积铬毛化工艺得到的表面形貌观察发现，其凸起远多于凹坑，因而有利于带钢对其形貌的拷贝，有利于形成相互隔离的润滑坑，从而减少带钢冲压时的摩擦力。但是这种毛化方式加工效率不是很高，且由于发生电化学反应，易造成大量的有毒化学废物，污染环境。因此开发一种污染少、能耗低的毛化方法是必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法及装置，通过施加脉冲叠加直流电对材料表面毛化处理，使铬沉积在基体表面，并形成较理想的粗糙度，同时使粗糙度参数易于控制。
本发明的在金属材料表面脉冲毛化处理方法按以下步骤进行：
1、采用金属材料作为基体材料，对基体材料进行预处理，然后于水中清洗干净后取出；
2、配制电解液，电解液中硫酸浓度为3~4g/L，抗氧化剂苯酚浓度为3~5 g/L，Cr6+浓度为90~120 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠浓度为4~10 g/L，余量为水；
3、待清洗干净的基体材料表面干燥后，置于电解液中作为阴极，采用铅锑合金作为阳极，通过电源向两极施加脉冲电流，脉冲电流的波形为方波，正向导通时间100~400ms，反向导通时间50~100ms，占空比60~90%，平均电流密度600~2800mA/cm2，脉冲频率500~3000Hz，通电时间为60~120min，在基体材料表面获得铬毛化层；施加脉冲电流的过程中控制电解液的温度为50~55℃。
上述方法中的预处理是指选用重量浓度5~15%的氢氧化钠溶液清洗基体材料表面去除油污，再采用重量浓度2~4%的盐酸溶液去除表面的锈蚀。
上述方法中的铬毛化层的表面粗糙度Ra在0.2~20 μm。
上述方法中的铅锑合金中锑的重量含量为5~10%。
本发明的在金属材料表面脉冲毛化处理装置包括电镀槽、控温装置和升降装置，电镀槽内设有阳极，阳极与电源连接；控温装置为控温槽或盘管；当控温装置为控温槽时，控温槽套在电镀槽外部，控温槽上设有进水口和出水口；当控温装置为盘管时，盘管设在电镀槽内；电镀槽上方还设有升降装置，升降装置由升降电机和升降杆组成，升降杆用于连接基体材料。
上述装置中，电镀槽设有塑料内衬。
上述装置中，盘管的材质为钛。
采用上述装置的实施在金属材料表面脉冲毛化处理方法是按以下步骤进行：将电解液置于电镀槽内；将经过预处理的基体材料清洗后晾干，然后固定在升降杆上，通过升降电机放入电解液中并与电源阴极连接，通过电源向两极施加脉冲电流，同时向控温装置内通入循环水控制电解液的温度，在基体材料表面沉积形成铬毛化层。
本发明的原理是通过对电解液施加脉冲电流，在基体材料表面沉积获得铬毛化层；毛化过程中采用不溶性阳极，不会在沉积过程中发生溶解，易于实现纯净生产。本发明的装置及方法适用于对冷轧辊、印刷辊等轧制辊表面进行毛化处理，通过调整脉冲电流的参数可以控制铬毛化层的粗糙度，并且电解液成分简单，适合大规模工业化生产。本发明的装置和方法具有良好的实用性，可以最大限度的利用设备在基体上形成具有一定粗糙度的形貌；本发明的方法具有较强的毛化效果，并且具备成本低，工艺稳定，参数容易控制等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构示意图，图中，1、电镀槽，2、控温槽，2-1、出水口，2-2、进水口，3、电源，4、阳极，5、升降电机，6、升降杆，7、固定架，8、基体材料，9、电解液，10、控温水。
图2为本发明的施加脉冲电流的电源工作原理示意图。
图3为本发明实施例1的铬毛化层电子扫描显微图。
图4为本发明实施例2的铬毛化层电子扫描显微图。
图5为本发明实施例3的铬毛化层电子扫描显微图。
图6为本发明实施例4的铬毛化层电子扫描显微图。
图7为本发明实施例5的铬毛化层电子扫描显微图。
具体实施方式
本发明实施例中选用的基体材料的材质为IF钢。
本发明实施例中制备电解液采用的硫酸、苯酚、十二烷基硫酸钠和铬酸均为市购工业级产品。
本发明实施例中表面形貌电子扫描采用SS-550型扫描电子显微镜。
本发明实施例中测试表面硬度采用450MVDTM维氏硬度计。
本发明实施例中测试表面粗糙度采用OLYMPUS OLS3100激光共聚焦显微镜。
本发明实施例中测试耐磨性采用PMJ-2平面磨损测试机。
实施例1
在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构如图1所示，包括电镀槽1、控温槽2和升降装置，电镀槽1内设有阳极4，阳极4与电源3连接；控温槽2套在电镀槽1外部，控温槽2上设有进水口2-2和出水口2-1；电镀槽1上方的升降装置固定在固定架7上，升降装置由升降电机5和升降杆6组成，升降杆6底部有外螺纹用于连接基体材料8；其中阳极4的材质为铅锑合金，其中锑的重量含量为7%，余量为铅；电镀槽1设有塑料内衬与电解液9接触；控温槽2内通过进水口2-2和出水口2-1循环通入控温水10；
将硫酸、苯酚、十二烷基硫酸钠和铬酸置于水中制成电解液，其成分浓度按硫酸3.2g/L，抗氧化剂苯酚4 g/L，Cr6+ 110 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠6 g/L，余量为水和不可避免杂质；将电解液置于电镀槽内；
选用IF钢作为基体材料，在基体材料上部加工出一个内螺纹与升降杆的外螺纹配合，用重量浓度10%的氢氧化钠溶液清洗基体材料表面去除油污，再采用重量浓度3%的盐酸溶液去除表面的锈蚀，然后于水中清洗干净后取出晾干；通过螺纹固定在升降杆底部，通过升降电机带动基体材料置于电解液中，并与电源的阴极连接，通过电源向两极施加脉冲电流，脉冲电流的波形为方波，正向导通时间100ms，反向导通时间50ms，占空比67%，平均电流密度600mA/cm2，脉冲频率2000Hz，通电时间为90min，在基体材料表面获得铬毛化层；施加脉冲电流的过程中通过控温水控制电解液的温度为50~55℃；施加脉冲电流的电源工作原理如图2所示；
用水对具有铬毛化层的基体材料清洗至表面没有铬酸颜色，对铬毛化层进行性能测试，结果显示：表面形貌分布均匀，如图3所示，硬度大小为1000Hv，粗糙度为1~2μm，耐磨量为0.015mg，可以达到对基体材料表面性能的要求。
实施例2
在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构你同实施例1，不同点在于：铅锑合金中锑的重量含量为10%；控温装置为电镀槽内部的盘管，盘管材质为钛；
在金属材料表面脉冲毛化处理方法同实施例1，不同点在于：
（1）电解液的成分浓度按硫酸3.5g/L，抗氧化剂苯酚3 g/L，Cr6+ 90 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠6g/L；
（2）用重量浓度5%的氢氧化钠溶液清洗基体材料表面去除油污，再采用重量浓度2%的盐酸溶液去除表面的锈蚀；
（3）正向导通时间200ms，反向导通时间502ms，占空比80%，平均电流密度1200mA/cm2，脉冲频率1500Hz，通电时间为120min；
（4）向盘管中通入控温水控制电解液的温度；
对铬毛化层进行性能测试显示：表面形貌分布均匀，如图4所示，硬度大小为960Hv，粗糙度为2.5~3.5μm，耐磨量为0.013mg，可以达到对基体材料表面性能的要求。
实施例3
在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构你同实施例1，不同点在于：铅锑合金中锑的重量含量为5%；
在金属材料表面脉冲毛化处理方法同实施例1，不同点在于：
（1）电解液的成分浓度按硫酸3.8g/L，抗氧化剂苯酚5 g/L，Cr6+ 100 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠8 g/L；
（2）用重量浓度15%的氢氧化钠溶液清洗基体材料表面去除油污，再采用重量浓度4%的盐酸溶液去除表面的锈蚀；
（3）正向导通时间300ms，反向导通时间100ms，占空比75%，平均电流密度2000mA/cm2，脉冲频率1200Hz，通电时间为60min；
对铬毛化层进行性能测试显示：表面形貌分布均匀，如图5所示，硬度大小为1080Hv，粗糙度为1.8~3.0μm，耐磨量为0.013mg，可以达到对基体材料表面性能的要求。
实施例4
在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构你同实施例1，不同点在于：铅锑合金中锑的重量含量为9%；控温装置为电镀槽内部的盘管，盘管材质为钛；
在金属材料表面脉冲毛化处理方法同实施例1，不同点在于：
（1）电解液的成分浓度按硫酸4g/L，抗氧化剂苯酚4 g/L，Cr6+ 110 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠4 g/L；
（2）正向导通时间400ms，反向导通时间100ms，占空比60%，平均电流密度2500mA/cm2，脉冲频率500Hz，通电时间为110min；
（3）向盘管中通入控温水控制电解液的温度；
对铬毛化层进行性能测试显示：表面形貌分布均匀，如图6所示，硬度大小为1050Hv，粗糙度为2.8~3.6μm，耐磨量为0.015mg，可以达到对基体材料表面性能的要求。
实施例5
在金属材料表面脉冲毛化处理装置结构你同实施例1，不同点在于：铅锑合金中锑的重量含量为8%；
在金属材料表面脉冲毛化处理方法同实施例1，不同点在于：
（1）电解液的成分浓度按硫酸3g/L，抗氧化剂苯酚5 g/L，Cr6+ 120 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠10 g/L；
（2）用重量浓度8%的氢氧化钠溶液清洗基体材料表面去除油污，再采用重量浓度2%的盐酸溶液去除表面的锈蚀；
（3）正向导通时间350ms，反向导通时间80ms，占空比90%，平均电流密度2800mA/cm2，脉冲频率3000Hz，通电时间为80min；
对铬毛化层进行性能测试显示：表面形貌分布均匀，如图7所示，硬度大小为1010Hv，粗糙度为3.0~3.8μm，耐磨量为0.011mg，可以达到对基体表面性能的要求。
Claims (4)
1.一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）采用金属材料作为基体材料，对基体材料进行预处理，然后于水中清洗干净后取出；
（2）配制电解液，电解液中硫酸浓度为3~4g/L，抗氧化剂苯酚浓度为3~5 g/L，Cr6+浓度为90~120 g/L，分散剂十二烷基硫酸钠浓度为4~10 g/L，余量为水；
（3）待清洗干净的基体材料表面干燥后，置于电解液中作为阴极，采用铅锑合金作为阳极，通过电源向两极施加脉冲电流，脉冲电流的波形为方波，正向导通时间100~400ms，反向导通时间50~100ms，占空比60~90%，平均电流密度600~2800mA/cm2，脉冲频率500~3000Hz，通电时间为60~120min，在基体材料表面获得铬毛化层；施加脉冲电流的过程中控制电解液的温度为50~55℃。
2.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法，其特征在于所述的铬毛化层的表面粗糙度Ra在0.2~20 μm。
3.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法，其特征在于所述的铅锑合金中锑的重量含量为5~10%。
4.实施权利要求1所述的一种在金属材料表面脉冲毛化处理方法的装置，其特征在于该装置包括电镀槽、控温装置和升降装置，电镀槽内设有阳极，阳极与电源连接；控温装置为控温槽或盘管；当控温装置为控温槽时，控温槽套在电镀槽外部，控温槽上设有进水口和出水口；当控温装置为盘管时，盘管设在电镀槽内；电镀槽上方还设升降装置，升降装置由升降电机和升降杆组成，升降杆用于连接基体材料。
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