CN107513750B - 一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置及其处理方法，所述电镀装置包括电镀槽、电机、电机传动轴、阴极板、搅拌结构、夹持结构、阳极板和电源；其中，电机位于电镀槽外的底部，电机上设置电机传动轴，电机传动轴贯穿电镀槽，电镀槽内铺设阴极板，搅拌结构通过夹持结构固定于电机传动轴上并置于电镀槽内，阳极板固定在电机传动轴上并沿电机传动轴上下移动，阳极板位于电镀槽上方，电源与阴极板和阳极板相连。本发明通过该装置得到的核壳式粉体具有镀层厚度可控、镀层成分均匀、无杂质等特点可广泛应用于粉末冶金、3D打印、冷喷涂等大批量用粉领域。

Description

一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置及其处理方法

技术领域

本发明属于金属粉体制备领域，涉及一种间歇式电沉积粉体电镀装置及其处理方法，尤其涉及一种制备核壳式金属包覆型粉体的间歇式电沉积电镀装置及处理方法。

背景技术

粉末冶金技术在材料成型制备方面已经相当成熟，不仅仅应用于复合材料的制备，在复合材料掺杂改性方面也是一个重要的环节。一般的粉末冶金法方法是将两种或多种组元进行混合，再经过压制和烧结得到复合材料。机械合金化是制备复合粉体最为常用的一种方法，主要是通过球磨介质的作用使得两个或多个组元进行剧烈的碰撞，使之经过塑性变形冷焊作用焊合在一起形成复合粉末。但大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，不能使得两相或者多相组元进行均匀分布。因此，机械合金化技术自身的不足使其在制备合金的过程中存在两相或者多相组元分布不均的情况。

目前制备复合粉体的方法还包括机械-热化学合成法、喷雾干燥法、溶胶-凝胶法、化学镀和电镀等方法。其中，机械-热化学合成法制备过程复杂、步骤繁琐不利于大规模生产，喷雾干燥法和溶胶-凝胶法由于自身局限性也不利于大规模生产，化学镀法虽然工艺简单，成本低，但是镀液成分复杂，制备出复合粉体中杂质较多，且镀速缓慢限制了其大规模生产。

电镀由于成本低，镀液简单，操作方便等优势在制备包覆型粉体领域成为最具前景的方法。传统的电镀手段包括挂镀和滚镀，挂镀是将零件放在挂具上进行电镀，零件的尺寸较大，形状简单；对于一些尺寸较小的小零件和小配件，一般采用滚镀的方式进行电镀，避免了形状和大小等因素对镀层完整性的影响。然而，传统的电镀方式不能对纳米到亚毫米级别粉体进行电镀。本课题组为了解决电镀硬铬中存在铬镀层容易钝化，镀铬溶液分散及导电能力差等问题，提出了一种周期性间歇式滚镀硬铬装置及使用方法。CN 104368808A公开了一种周期间歇式滚镀硬铬装置及使用方法，该方法可用于电镀粉体，其中将待镀粉体通过振荡实现搅拌，但是这种搅拌方式人为控制的强度不大，会导致搅拌不充分，进而影响工件表面镀层的均匀性。

发明内容

针对现有粉体电镀装置无法适用于纳米级到亚毫米尺寸粉体，并且镀层均匀性不理想等问题，本发明提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置及其处理方法。本发明所述装置采用搅拌结构直接与粉体接触进行搅拌，使得搅拌更加充分；并在此基础上结合法拉第电流定律，使装置可以用于大规模生产核壳式金属粉体，打破了传统制粉工艺的局限性，具有低成本，无杂质，可循环，易操作且可大规模生产核壳式复合粉体的特点，以满足工业生产中的需求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置，所述电镀装置包括电镀槽、电机、电机传动轴、阴极板、搅拌结构、夹持结构、阳极板和电源；

其中，电机位于电镀槽外的底部，电机上设置电机传动轴，电机传动轴贯穿电镀槽，电镀槽内铺设阴极板，搅拌结构通过夹持结构固定于电机传动轴上并置于电镀槽内，阳极板固定在电机传动轴上并沿电机传动轴上下移动，阳极板位于电镀槽上方，电源与阴极板和阳极板相连。

所述电镀槽内铺设阴极板，是指阴极板铺设于电镀槽内底部，而搅拌结构位于阴极板上方，其设置的高度只要可以将粉体充分搅拌即可。

本发明所述电镀装置中各个组件均是可拆卸和替换的。本发明所述电镀装置在使用过程中可以串联使用，将几个甚至几十个电镀单元串联组成电镀装置进行电镀操作。

本发明所述夹持结构在电机传动轴的带动下可以带动搅拌结构在电镀槽中进行圆周运动。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述电镀装置还包括电机控制器，所述电机控制器与电机相连，以控制电机带动电机传动轴进行周期间歇性转动。

本发明中，所述电源和电机控制器的输出脉冲电流可以人为设定。

优选地，所述电镀装置还包括支架，用于支撑电镀槽，以保持电镀装置在电镀过程中稳定不晃动。

作为本发明优选的技术方案，所述电镀槽顶部开口。

优选地，所述电镀槽为顶部开口的圆柱体。

优选地，所述电镀槽底部中间开口，开口的形状与电机传动轴匹配。

优选地，所述电镀槽与电机传动轴密封连接；

优选地，所述电机位于电镀槽外的底部中间位置。

作为本发明优选的技术方案，所述搅拌结构整体的宽度不大于电镀槽的内径，优选为等于电镀槽的内径，即搅拌结构可以重复在电镀槽中进行搅拌。

优选地，所述搅拌结构为搅拌刷，其刷头为梳状结构。

作为本发明优选的技术方案，所述阳极板的宽度不大于电镀槽的内径，优选为等于电镀槽的内径。

优选地，所述阳极板为二维平面图形，与电镀槽的形状相匹配即可。

优选地，所述阳极板为二维圆片。

优选地，所述阳极板与阴极板平行放置。本发明中，阴极板与阳极板平行放置可以使电镀过程中镀层离子的补充更加均匀，更有利于得到均一镀层。

优选地，所述阳极板的材质为金属单质或金属合金。

优选地，所述金属单质为Cu、Sn、Cr或Ni中任意一种，但并不仅限于所述金属，其他可以达到同样效果的金属同样适用。

优选地，所述金属合金为Sn-Ag合金或Fe-Ni合金，但并不仅限于所述金属合金，其他可以达到同样效果的金属合金同样适用。

优选地，所述阴极板的材质为金属单质或金属合金。

优选地，所述阴极板的材质为铜和/或不锈钢。

本发明的目的之二在于提供上述电镀装置的电镀方法，所述方法包括以下步骤：将待电镀的金属粉体置于内置电镀液的电镀槽中，在阴极板和阳极板上施加脉冲电流并进行搅拌，实现对金属粉体的电镀。

作为本发明优选的技术方案，所述待电镀的金属粉体的粒径为纳米级到亚毫米级；

优选地，所述待电镀的金属粉体为不规则形状和/或球形形状。

作为本发明优选的技术方案，所述方法具体的包括以下步骤：

(a)在电镀槽中加入电镀液，并将待电镀的金属粉体铺于阴极板上；

(b)通过电机控制电机传动轴转动，带动搅拌结构转动将待电镀的金属粉体搅拌均匀，使其均匀地沉积于阴极板上；

(c)搅拌完毕后，使阳极板落入电镀槽的电镀液中，通过电源向阴极板和阳极板输入脉冲电流；当阴极板和阳极板之间存在电流时，进行电镀；当阴极板和阳极板之间没有电流时，转动搅拌结构对粉体进行搅拌；搅拌完毕后，重复上述电镀过程，搅拌-电镀重复一个周期以上，得到核壳式粉体。

所述方法中，搅拌-电镀的循环次数均可根据包覆层的厚度进行人为设定，并且所有的搅拌-电镀工作都是在电镀槽中进行。

作为本发明优选的技术方案，步骤(c)中电镀-搅拌重复一个周期以上，再经清洗和干燥，得到核壳式粉体。

本发明的目的之三在于提供上述电镀装置的用途，所述电镀装置用于粉末冶金、3D打印或冷喷涂等领域，但不限于以上这些领域。

通过本发明所述装置和方法，使获得的粉体的镀层厚度可控且镀层成分均匀，其主要是通过调节电流密度，电镀时间和占空比等参数来调节镀层厚度。实验得出在其他条件相同的情况下，镀层厚度随着电流密度、电镀时间和占空比的增加而增加。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述装置采用搅拌结构直接与粉体接触进行搅拌，实现对纳米级到亚毫米级粉体的间歇式电镀；

(2)本发明所述装置在使用过程中结合法拉第电流定律，可将几个甚至几十个电镀单元串联组成电镀装置进行电镀操作，进而可以实现大规模生产，一次镀粉可以达到公斤级；

(3)本发明所述装置制备核壳式金属粉体具有生产工艺简单，成本低，镀液可循环使用，获得的粉体镀层厚度可控，镀层成分均匀且无杂质等特点，可适用于粉末冶金、3D打印、冷喷涂等大批量用粉领域。

附图说明

图1是本发明实施例1所述间歇式电沉积粉体电镀装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中所述粉体电镀示意图；

图3是本发明实施例4中钨铜核壳式粉体的扫描截面图；

其中，1-电镀槽，2-电机，3-电机传动轴，4-阴极板，5-搅拌结构，6-夹持结构，7-阳极板，8-电源，9-电机控制器，10-支架，11-电镀粉体。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

本发明具体实施例方式部分提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置及其处理方法，所述电镀装置包括电镀槽1、电机2、电机传动轴3、阴极板4、搅拌结构5、夹持结构6、阳极板7和电源8；

其中，电机2位于电镀槽1外的底部，电机2上设置电机传动轴3，电机传动轴3贯穿电镀槽1，电镀槽1内铺设阴极板4，搅拌结构5通过夹持结构6固定于电机传动轴3上并置于电镀槽1内，阳极板7固定在电机传动轴3上并沿电机传动轴3上下移动，阳极板7位于电镀槽1上方，电源8与阴极板4和阳极板7相连。

所述方法包括以下步骤：将待电镀的金属粉体置于内置电镀液的电镀槽1中，在阴极板4和阳极板7上施加脉冲电流并进行搅拌，实现对金属粉体的电镀。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置，如图1所示，所述电镀装置包括电镀槽1、电机2、电机传动轴3、阴极板4、搅拌结构5、夹持结构6、阳极板7和电源8；

其中，电机2位于电镀槽1外的底部中间位置，电机2上设置电机传动轴3，电机传动轴3贯穿电镀槽1，电镀槽1内铺设阴极板4，搅拌结构5通过夹持结构6固定于电机传动轴3上并置于电镀槽1内，阳极板7固定在电机传动轴3上并沿电机传动轴3上下移动，阳极板7位于电镀槽1上方，电源8与阴极板4和阳极板7相连。

所述电镀装置还包括电机控制器9和支架10，所述电机控制器9与电机2相连，支架10用于支撑电镀槽1；

所述电镀槽1为顶部开口的圆柱体，其底部中间开口，开口的形状与电机传动轴匹配；电镀槽1与电机传动轴3密封连接。

所述夹持结构6固定于电机传动轴上，并带动搅拌结构5在电镀槽1中转动；搅拌结构5的刷头为梳状结构。

所述阳极板7为二维圆片，材质为金属单质铜，阴极板4为金属铜，阳极板7与阴极板4平行放置。

实施例2：

本实施例提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置，其结构与实施例1中所述装置结构相同，区别在于：阳极板7的材质为Sn-Ag合金，阴极板4为不锈钢材质。

实施例3：

本实施例提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置，其结构与实施例1中所述装置结构相同，区别在于：阳极板7的材质为Fe-Ni合金，阴极板4为金属铜材质。

实施例4：

本实施例提供了一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀方法，所述方法采用实施例1中的装置进行。

采用所述方法制备钨铜核壳式粉体，具体包括以下步骤：

(a)配置电镀液，其中CuSO₄ 30～40g/mL、H₂SO₄ 70～90mL/L，在去离子水中均匀混合，在电镀槽1中加入电镀液，并将待电镀的金属钨粉体铺于阴极板4上；

(b)通过电机2控制电机传动轴3转动，带动搅拌结构5转动将待电镀的金属钨粉体搅拌均匀，使其均匀地沉积于阴极板4上，阴极板采用铜板；

(c)搅拌完毕后，使阳极板7落入电镀槽1的电镀液中，阳极板4采用铜板，通过电源8向阴极板4和阳极板7输入脉冲电流；当阴极板4和阳极板7之间存在电流时，进行电镀；当阴极板4和阳极板7之间没有电流时，转动搅拌结构5对粉体进行搅拌；搅拌完毕后，重复上述电镀过程，搅拌-电镀重复40个周期，如图2所示，粉体逐渐镀上均匀的镀层，再经清洗和干燥，得到核壳式钨铜粉体，所述粉体的扫描图如图3所示，粉体的包覆率可以达到100％。

对比例1：

本对比例提供了一种粉体电镀装置及其处理方法，所述装置为CN 103334149A中滚镀装置，采用该装置对实施例4中的粉体进行电镀，会出现搅拌不均匀的情况。在CN103334149A中，其对金属粉体通过振荡实现搅拌，但是振荡不能保证粉体会被完全搅拌起来并重新排列，会导致粉体搅拌不均匀、分散不充分，容易造成电镀过程中粉体结块，使得粉体的包覆率无法达到100％。

对比例2：

本对比例提供了一种粉体电镀装置及其处理方法，所述装置为JP S5943894中的电镀装置，采用该装置对实施例4中的粉体进行电镀，会出现搅拌不均匀且镀层厚度不均匀的情况。在JP S5943894中通过振荡进行搅拌，该方式不能保证粉体会被完全搅拌起来并重新排列，会导致粉体搅拌不均匀、分散不充分。而且该阳极是块状形状置于电镀槽的一侧，不能保证电镀过程中镀层离子得到充分的补充。

对比例3：

本对比例提供了一种粉体电镀装置及其处理方法，所述装置为文献Preparationof copper coated tungsten powders by intermittent electrodeposition[J].PowderTechnology,2014,264:561–569中的电镀装置。区别在于：装置中阳极采用块状结构、置于阴极板上方，且搅拌方式采用扇页状搅拌器进行搅拌，这种搅拌方式限制了只能电镀几十克的金属粉体。且该种搅拌方式在搅拌时使得电镀液中间出现一个漩涡，进而使得金属粉体集中沉积在阴极板的中间位置、在阴极板的边缘分布较少，出现粉体中间厚边缘薄的现象，甚至会出现金属粉末完全聚集在电镀槽的中央。采用该装置对实施例4中的粉体进行电镀，会出现包覆不完全，同时会出现未包覆的颗粒。

综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述装置采用搅拌结构直接与粉体接触进行搅拌，使得搅拌更加均匀可控，实现对纳米级到毫米级粉体的周期性间歇式电镀；本发明所述装置制备核壳式粉体具有生产工艺简单，成本低，镀液可循环使用，获得的粉体具有镀层厚度可控，镀层成分均匀且无杂质等特点。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (22)

1.一种间歇式电沉积核壳式粉体电镀装置，其特征在于，所述电镀装置包括电镀槽(1)、电机(2)、电机传动轴(3)、阴极板(4)、搅拌结构(5)、夹持结构(6)、阳极板(7)和电源(8)；

其中，电机(2)位于电镀槽(1)外的底部中间位置，电机(2)上设置电机传动轴(3)，电机传动轴(3)贯穿电镀槽(1)，电镀槽(1)内铺设阴极板(4)，搅拌结构(5)通过夹持结构(6)固定于电机传动轴(3)上并置于电镀槽(1)内，阳极板(7)固定在电机传动轴(3)上并沿电机传动轴(3)上下移动，阳极板(7)位于电镀槽(1)上方，电源(8)与阴极板(4)和阳极板(7)相连；所述搅拌结构(5)为搅拌刷，其刷头为梳状结构。

2.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀槽(1)顶部开口。

3.根据权利要求2所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀槽(1)为顶部开口的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀槽(1)底部中间开口，开口的形状与电机传动轴(3)匹配。

5.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀槽(1)与电机传动轴(3)密封连接。

6.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀装置包括电机控制器(9)，所述电机控制器(9)与电机(2)相连。

7.根据求利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀装置还包括支架(10)，用于支撑电镀槽(1)。

8.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述搅拌结构(5)整体的宽度不大于电镀槽(1)的内径。

9.根据权利要求8所述的电镀装置，其特征在于，所述搅拌结构(5)整体的宽度等于电镀槽(1)的内径。

10.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)的宽度不大于电镀槽(1)的内径。

11.根据权利要求10所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)的宽度等于电镀槽(1)的内径。

12.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)为二维平面图形。

13.根据权利要求12所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)为二维圆片。

14.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)与阴极板(4)平行放置。

15.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阳极板(7)的材质为金属单质或金属合金。

16.根据权利要求15所述的电镀装置，其特征在于，所述金属单质为Cu、Sn、Cr或Ni中任意一种。

17.根据权利要求15所述的电镀装置，其特征在于，所述金属合金为Sn-Ag合金或Fe-Ni合金。

18.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，所述阴极板(4)的材质为金属单质或金属合金。

19.根据权利要求18所述的电镀装置，其特征在于，所述阴极板(4)的材质为铜和/或不锈钢。

20.一种采用权利要求1-19中任意一项所述电镀装置的电镀方法，其主要包括以下步骤：

(a)在电镀槽(1)中加入电镀液，并将待电镀的金属粉体铺于阴极板(4)上；

(b)通过电机(2)控制电机传动轴(3)转动，带动搅拌结构(5)转动将待电镀的金属粉体搅拌均匀，使其均匀地沉积于阴极板(4)上；

(c)搅拌完毕后，使阳极板(7)落入电镀槽(1)的电镀液中，通过电源(8)向阴极板(4)和阳极板(7)输入脉冲电流；当阴极板(4)和阳极板(7)之间存在电流时，进行电镀；当阴极板(4)和阳极板(7)之间没有电流时，转动搅拌结构(5)对粉体进行搅拌；搅拌完毕后，重复上述电镀过程，搅拌-电镀重复一个周期以上，得到核壳式粉体。

21.根据权利要求20所述的电镀方法，其特征在于，所述待电镀的金属粉体的粒径为纳米级到亚毫米级。

22.根据权利要求20所述的电镀方法，其特征在于，所述待电镀的金属粉体为不规则形状和/或球形形状。

Images