CN107313089B

CN107313089B - 柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置及实验方法

Info

Publication number: CN107313089B
Application number: CN201710631546.0A
Authority: CN
Inventors: 马春阳; 夏法锋; 李晓丽; 贾婉春; 于琬莹; 国雪
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107313089A

Abstract

本发明涉及的是柱塞表面超声波‑喷射电镀纳米镀层实验装置及实验方法，其中柱塞表面超声波‑喷射电镀纳米镀层实验装置的电镀槽置于超声波发生器内，电镀槽的上端口设置有支架，电镀槽的下部设置与其相通的导管，导管另一端向下穿过支架并伸入喷头中与镀液夹套相通，导管上设置有过滤器和循环泵；喷头为具有夹层的空心筒体，喷头的下端口是开放的，夹层为镀液夹套，柱塞伸入到喷头内被镀液夹套环绕在其中，镀液夹套与柱塞对应的部位均匀设置数列喷射孔组，各喷射孔组设置数个喷射孔，每组喷射孔组内喷射孔沿着垂向均匀布置，柱塞和喷头均外接脉冲电镀电源；加热装置设置于电镀槽内，散热装置内置于加热装置内。本发明实现柱塞表面沉积纳米镀层。

Description

柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及电化学加工领域的电镀实验装置，具体涉及柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置及实验方法。

背景技术

柱塞是一种常用于柱塞泵、抽油泵、柱塞阀等机械设备的圆柱型金属零部件，在机械、化工、石油、军事等领域得到广泛应用。柱塞泵、抽油泵、柱塞阀等机械设备在使用过程中，由于长期受到磨粒磨损、摩擦副摩擦、介质腐蚀等作用，柱塞表面易发生划伤、磨损、腐蚀等事故。纳米镀层因其具有高硬度、优异的耐磨性、导电性、抗腐蚀性等性能，若在柱塞表面沉积纳米镀层，可有效提高柱塞表面的综合性能，延长其使用寿命。

发明内容

本发明的一个目的是提供柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，这种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置用于实现柱塞表面沉积纳米镀层，本发明的另一个目的是提供这种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置进行电镀实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置包括超声波发生器、电镀槽、喷头、加热装置、散热装置、脉冲电镀电源，超声波发生器为槽式的，电镀槽置于超声波发生器内，电镀槽内有复合镀液，电镀槽的上端口设置有支架，电镀槽的下部设置与其相通的导管，导管另一端向下穿过支架并伸入喷头中与镀液夹套相通，导管上设置有过滤器和循环泵；喷头为具有夹层的空心筒体，喷头的下端口是开放的，夹层为镀液夹套，柱塞伸入到喷头内被镀液夹套环绕在其中，镀液夹套与柱塞对应的部位均匀设置数列喷射孔组，各喷射孔组设置数个喷射孔，每组喷射孔组内喷射孔沿着垂向均匀布置，柱塞和喷头均外接脉冲电镀电源；加热装置设置于电镀槽内，散热装置内置于加热装置内，通过散热电机带动叶轮旋转扩散热量。

上述方案中柱塞通过夹具安装在电木板上，电木板安装在电镀槽的槽底，电镀槽通过撑脚安装在超声波发生器内；夹具包括圆形夹盘，圆形夹盘被均分成四块弧形夹块，夹盘底部的中心设置中心齿轮，每个弧形夹块设置一夹板，夹板连接齿条，齿条的另一端连接弹簧，齿条与中心齿轮啮合；夹板伸出到夹盘上表面，推动任意一个夹板向夹盘边缘方向前进，其它三个夹板张开，停止推动，四个夹板同时回缩将柱塞夹在其中。

上述方案中夹具底部设置夹盘盒，夹盘盒将各齿条、中心齿轮、各弹簧容纳在其中，起到支撑绝缘作用。

上述方案中散热装置包括散热电机，散热电机的轴与套筒通过键连接，矩形螺母一端旋入到轴内，矩形螺母另一端与叶轮连接，矩形螺母与叶轮之间设置密封环，矩形螺母与套筒之间设置有密封圈，矩形螺母将密封圈与套筒封闭在其内部，矩形螺母与套筒间设置有止推轴承，止推轴承设置在套筒与叶轮连接的一端处。

上述方案中导管穿过支架后，通过支撑块夹紧在所述导管与支架连通处。

上述方案中喷头与导管通过固定接头连接，拆卸方便，便于调整。

上述方案中复合镀液由硫酸镍300g/l～450g/l、氯化镍35g/l～50g/l、氯化钠35g/l～50g/l、硫酸钠5g/l～50g/l、硼酸20g/l～42g/l、十二烷基硫酸钠0.3g/l～0.8g/l、CG-590偶联剂2.5g/l～5.5g/l、糖精2g/l～8g/l、纳米颗粒2g/l～15g /l构成。

上述方案柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置的实验方法：

第一步：配制复合镀液；

第二步：电镀过程：在电镀过程中需要控制温度在50℃~65℃、PH在3.5~5、电流密度在6~12A/ dm²、脉冲宽度范围在0 ms～200ms之间，脉冲间隔范围在0 ms～1000ms之间，脉冲频率范围在5~4500Hz之间；分别施加X、Y、Z、X+Y、X+Z、Y+Z超声波，超声波功率范围在0~600W之间，超声波频率范围在20~30 kHz之间；

首先放入电木板、连接好的夹具与柱塞，用导管连接过滤器与循环泵，并在电镀槽上端用支架将导管固定，放入配好的镀液，打开超声波发生器，打开加热装置与散热装置，对第一步配好的镀液进行恒温加热，加热到所需温度后，打开过滤器和循环泵，打开脉冲电镀电源，开始电镀；

第三步：关闭散热装置过滤器与循环泵，实验结束，关闭电源，取出柱塞。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明简单易行，降低镀层含氢量，镀层晶粒细致，使镀层耐磨性能、耐腐蚀性能得到有效的提高，同时提高了镀层与镀件（柱塞）的结合力。

2、本发明可在柱塞表面制备具有高耐磨性、导电性、抗腐蚀性的纳米镀层，不仅有效提高柱塞表面的综合性能，延长其使用寿命，而且对纳米材料在机械、化工、石油等领域的应用提供了一种新方法和途径。

附图说明

图1 是本发明中柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置的示意图；

图2 是本发明中喷嘴的结构示意图；

图3 是本发明中夹具的结构示意图；

图4 是本发明中夹具的剖视图；

图5 是本发明中散热装置的结构示意图。

图中：1超声波发生器；2超声波介质；3撑脚；4导管；5夹具；6电镀槽；7过滤器；8支架；9喷头；10固定接头；11循环泵；12支撑块；13脉冲电镀电源；14柱塞；15交流电源；16电木板；17复合镀液；18加热装置；19散热装置；5A夹盘盒；5B夹板；5C圆形夹盘；5D齿条；5E弹簧；5F中心齿轮；9A镀液夹套；9B喷射孔；19A叶轮；19B止推轴承；19C套筒；19D密封圈；19E矩形螺母；19F轴；19G散热电机;。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，这种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置包括超声波发生器1、电镀槽6、喷头9、加热装置18、散热装置19、脉冲电镀电源13，超声波发生器1为槽式的，电镀槽6置于超声波发生器1内，电镀槽6内有复合镀液17，电镀槽6的上端口设置有支架8，电镀槽6的下部设置与其相通的导管4，导管4另一端向下穿过支架8并伸入喷头9中与镀液夹套9A相通，喷头9与导管4通过固定接头10连接，拆卸方便，便于调整；导管4通过支撑块12被夹紧在所述导管4与支架8连通处，导管4上设置有过滤器7和循环泵11，利用过滤器7过滤掉复合镀液17中的大颗粒杂质，利用循环泵11达到循环复合镀液17的目的；喷头9为具有夹层的空心筒体，喷头9的下端口是开放的，夹层为镀液夹套9A，柱塞14伸入到喷头9内被镀液夹套9A环绕在其中，镀液夹套9A与柱塞14对应的部位均匀设置数列喷射孔组，各喷射孔组设置数个喷射孔9B，每组喷射孔组内喷射孔9B沿着垂向均匀布置，柱塞14和喷头9均外接脉冲电镀电源13；加热装置18设置于电镀槽6内，散热装置19内置于加热装置18内，通过散热电机19G带动轴19F上叶轮旋转，使超声波介质2循环流动从而达到镀液恒温高效的目的，加热装置18通过交流电源15供电。

柱塞14通过夹具5安装在电木板16上，电木板16安装在电镀槽6的槽底，电镀槽6通过撑脚3安装在超声波发生器1内，复合镀液17装入电镀槽6中，液面略低于电木板16或与电木板16持平。

夹具5包括圆形夹盘5C，圆形夹盘5C被均分成四块弧形夹块，夹盘5C底部的中心设置中心齿轮5F，每个弧形夹块设置一夹板5B，夹板5B连接齿条5D，齿条5D的另一端连接弹簧5E，齿条5D与中心齿轮5F啮合；夹板5B伸出到夹盘5C上表面，推动任意一个夹板5B向夹盘5C边缘方向前进，其它三个夹板5B张开，停止推动，四个夹板5B同时回缩将柱塞14夹在其中。夹具5底部设置夹盘盒5A，夹盘盒5A将各齿条5D、中心齿轮5F、各弹簧5E容纳在其中，起到支撑绝缘作用。夹具5置于电木板16上，利用夹具5的弹簧5E及齿轮传动将镀件（柱塞14）夹紧，夹具5底部放置夹板盖，起到支撑绝缘的作用。将镀件（柱塞14）内置于喷头9之内，外接脉冲电源，喷头9连接正极，镀件（柱塞14）连接负极。

散热装置19包括散热电机19G，散热电机19G的轴19F与套筒19C通过键连接，矩形螺母19E一端旋入到轴19F内，矩形螺母19E另一端与叶轮19A连接，矩形螺母19E与叶轮19A之间设置密封圈19D，矩形螺母19E与套筒19C之间设置有密封圈19D，矩形螺母19E将密封圈19D与套筒19C封闭在其内部，矩形螺母19E与套筒19C间设置有止推轴承19B，止推轴承19B设置在套筒19C与叶轮19A连接的一端处。

复合镀液17由硫酸镍300g/l～450g/l、氯化镍35g/l～50g/l、氯化钠35g/l～50g/l、硫酸钠5g/l～50g/l、硼酸20g/l～42g/l、十二烷基硫酸钠0.3g/l～0.8g/l、CG-590偶联剂2.5g/l～5.5g/l、糖精2g/l～8g/l、纳米颗粒2g/l～15g /l构成。

本发明所述超声发生器1、脉冲电镀电源13所采用的工艺参数为：

（1）超声波

波向 X, Y, Z, X+Y, X+Z，Y+Z

功率 0~600W

频率 20~30 kHz

（2）脉冲电流

电流密度 6~12A∕dm²

脉冲宽度 0~200ms

脉冲间隔 0~1000ms

脉冲频率 5~4500Hz

脉冲波形梯形

（3）极间距 10~55mm

（4）PH 3.5~5

（5）温度 50~65℃

（6）沉积时间 10~100min

上述柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置的实验方法：

1、对装置进行组装：首先将夹板5B向外推动，带动齿轮5F旋转，通过齿条5D拉伸弹簧5E，将镀件（柱塞14）放置于夹盘5C上，通过弹簧5E的拉伸力将镀件（柱塞14）夹紧。

2、将电木板16、连接好的镀件（柱塞14）与夹具5放入电镀槽6中，用导管4连接喷头9、过滤器7与循环泵11，在电镀槽6上端用支架8将导管4固定，将镀件（柱塞14）与喷头9连接脉冲电镀电源13，将散热装置19焊接在超声波发生器1上。

3、对镀液进行配置，镀液成分为：硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）300g/l～450g/l、氯化镍（NiCl₂·6H₂O）35g/l～50g/l、氯化钠（NaCl）35g/l～50g/l、硫酸钠（NaSO₄·6H₂O）5g/l～50g/l、硼酸（H₃BO₃）20g/l～42g/l、十二烷基硫酸钠（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.3g/l～0.8g/l、CG-590偶联剂2.5g/l～5.5g/l、糖精2g/l～8g/l、纳米颗粒2g/l～15g/l。

4、将配好的复合镀液17倒入镀槽6中，将超声波介质2加入到超声波发生器1中。

5、夹紧支撑块12，将镀槽6放置于超声波发生器1中，打开加热装置18，打开散热电机19G，通过轴19F带动叶轮19A转动，对配好的复合镀液17进行恒温加热，加热到所需温度后，打开过滤器7和循环泵11，打开脉冲电镀电源13。

6、开始电镀，在电镀时采用的实验装置如图1所示，沉积过程中极间距为35mm，PH为4.5，控制镀液温度为55℃，电镀时间为80min；采用的脉冲电流参数为：脉冲宽度150ms，脉冲间隔300ms，脉冲频率2000Hz、电流密度8A∕dm²；采用的超声波参数为：超声波方向 X+Y向，超声波功率400W，超声波频率24kHz。

7、关闭散热装置19、过滤器7和循环泵11，实验结束，关闭电源，取出镀件（柱塞1414），整理仪器；

8、将镀件（柱塞14）清洗、干燥，并保存起来。

本发明特点是结构简单、操作方便、工件装夹方便可靠、镀液恒温高效等特点。该装置通过利用专用特殊结构的喷头，实现回转体金属零件表面的纳米镀层喷射电镀；利用X、Y、Z、X+Y、X+Z、Y+Z向产生的超声波促进析氢反应，降低纳米镀层含氢量，提高镀层结合力；利用过滤器7与循环泵11，实现过滤和循环镀液的功能；利用专用夹具5，实现工件的装夹方便可靠；利用专用的散热装置19和加热装置18，达到镀液的恒温高效目的。

Claims

1.一种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：这种柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置包括超声波发生器（1）、电镀槽（6）、喷头（9）、加热装置（18）、散热装置（19）、脉冲电镀电源（13），超声波发生器（1）为槽式的，电镀槽（6）置于超声波发生器（1）内，电镀槽（6）内有复合镀液（17），电镀槽（6）的上端口设置有支架（8），电镀槽（6）的下部设置与其相通的导管（4），导管（4）另一端向下穿过支架（8）并伸入喷头（9）中与镀液夹套（9A）相通，导管（4）上设置有过滤器（7）和循环泵（11）；喷头（9）为具有夹层的空心筒体，喷头（9）的下端口是开放的，夹层为镀液夹套（9A），柱塞（14）伸入到喷头（9）内被镀液夹套（9A）环绕在其中，镀液夹套（9A）与柱塞（14）对应的部位均匀设置数列喷射孔组，各喷射孔组设置数个喷射孔（9B），每组喷射孔组内喷射孔（9B）沿着垂向均匀布置，柱塞（14）和喷头（9）均外接脉冲电镀电源（13）；加热装置（18）设置于电镀槽（6）内，散热装置（19）内置于加热装置（18）内，通过散热电机（19G）带动叶轮（19A）旋转扩散热量。

2.根据权利要求1所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的柱塞（14）通过夹具（5）安装在电木板（16）上，电木板（16）安装在电镀槽（6）的槽底，电镀槽（6）通过撑脚（3）安装在超声波发生器（1）内；夹具（5）包括圆形夹盘（5C），圆形夹盘（5C）被均分成四块弧形夹块，夹盘（5C）底部的中心设置中心齿轮（5F），每个弧形夹块设置一夹板（5B），夹板（5B）连接齿条（5D），齿条（5D）的另一端连接弹簧（5E），齿条（5D）与中心齿轮（5F）啮合；夹板（5B）伸出到夹盘（5C）上表面，推动任意一个夹板（5B）向夹盘（5C）边缘方向前进，其它三个夹板（5B）张开，停止推动，四个夹板（5B）同时回缩将柱塞（14）夹在其中。

3.根据权利要求2所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的夹具（5）底部设置夹盘盒（5A），夹盘盒（5A）将各齿条（5D）、中心齿轮（5F）、各弹簧（5E）容纳在其中，起到支撑绝缘作用。

4.根据权利要求3所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的散热装置（19）包括散热电机（19G），散热电机（19G）的轴（19F）与套筒（19C）通过键连接，矩形螺母（19E）一端旋入到轴（19F）内，矩形螺母（19E）另一端与叶轮（19A）连接，矩形螺母（19E）与叶轮（19A）之间设置密封圈（19D），矩形螺母（19E）与套筒（19C）之间设置有密封圈（19D），矩形螺母（19E）将密封圈（19D）与套筒（19C）封闭在其内部，矩形螺母（19E）与套筒（19C）间设置有止推轴承（19B），止推轴承（19B）设置在套筒（19C）与叶轮（19A）连接的一端处。

5.根据权利要求4所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的导管（4）穿过支架（8）后，通过支撑块（12）夹紧在所述导管（4）与支架（8）连通处。

6.根据权利要求5所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的喷头（9）与导管（4）通过固定接头（10）连接。

7.根据权利要求6所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置，其特征在于：所述的复合镀液（17）由硫酸镍300g/l～450g/l、氯化镍35g/l～50g/l、氯化钠35g/l～50g/l、硫酸钠5g/l～50g/l、硼酸20g/l～42g/l、十二烷基硫酸钠0.3g/l～0.8g/l、CG-590偶联剂2.5g/l～5.5g/l、糖精2g/l～8g/l、纳米颗粒2g/l～15g /l构成。

8.一种权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的柱塞表面超声波-喷射电镀纳米镀层实验装置的实验方法，其特征在于：

第一步：配制复合镀液；

第二步：电镀过程：在电镀过程中需要控制温度在50℃~65℃、pH在3.5~5、电流密度在6~12A/、脉冲宽度不大于200ms，脉冲间隔不大于1000ms，脉冲频率范围在5~4500Hz之间；分别施加X、Y、Z、X+Y、X+Z、Y+Z超声波，超声波功率不大于600W，超声波频率范围在20~30kHz之间；

首先放入电木板（16）、连接好的夹具（5）与柱塞（14），用导管（4）连接过滤器（7）与循环泵（11），并在电镀槽（6）上端用支架（8）将导管（4）固定，放入配好的镀液，打开超声波发生器（1），打开加热装置（18）与散热装置（19），对第一步配好的镀液进行恒温加热，加热到所需温度后，打开过滤器（7）和循环泵（11），打开脉冲电镀电源（13），开始电镀；

第三步：关闭散热装置（19）过滤器（7）与循环泵（11），实验结束，关闭电源，取出柱塞（14）。