CN112301394A - 一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔 - Google Patents

Abstract

本发明一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔，属于电镀技术领域；包括镀腔盖板、作为阴极的待镀件、阳极棒和绝缘壁；绝缘壁为漏斗结构，其小径端作为入水口，大径端与待镀件同轴连接；镀腔盖板为圆形板状结构，其端面上沿周向均布出水口；待镀件为圆环结构，其两端口处分别与所述镀腔盖板、绝缘壁同轴密封连接，构成陀螺型镀腔；阳极棒为圆柱状结构，其顶端同轴固定于镀腔盖板的内端面，下端为半球体结构，位于绝缘壁的大径端内。本发明阳极加工难度和成本降低，使得镀液流动的流线不再散乱，速度分布更加均匀，流动效率更高，传质过程加快，减小浓差极化，制备出来的电镀层更加光亮，没有明显麻点、针孔等缺陷。

Description

一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔

技术领域

本发明属于电镀技术领域，具体涉及一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔。

背景技术

缸体是发动机的核心部件，是将化学能转化为热能和机械能的地方。缸体的使用工况十分复杂，它不仅要在汽油的沉浸下承受活塞往复运动产生的周期性载荷，还要面临燃料在缸体内燃烧产生的SO₂等气体的腐蚀侵害，加之这些力学和化学作用产生的大量热能，使得缸体必须具备应对这些恶劣工况的能力。而最直接接触这些不同形式的载荷的是缸体内表面，因此缸体内表面性能的优良与否，将直接决定整个汽缸的、乃至整个设备的质量和使用寿命，缸体内表面必须具有良好的耐磨损、耐热、耐蚀和抗机械刮伤等性能。

电镀铬技术是在发动机气缸中使用最多的电镀技术，因为镀铬层表面硬度高，一般可达800～1000HV，抗磨损性能好；镀铬层的熔点较高，可达1770℃，其抗熔融粘着磨损的效果比普通气缸套好；由于镀铬过程中会释放铬离子水雾，污染环境，严重危害操作人员的身体健康，甚至会引起皮肤癌、肺癌等一系列问题，目前世界各国都在逐渐限制其应用，并寻找代替工艺。其中Ni镀层和Ni-SiC复合镀层，就是一种性能优良的铬镀层替代品。

传统的电镀装置，是将阴阳两极直接完全浸泡在镀液中，部分电极导线也直接与镀液接触，这样可能使得导线少许溶解在镀液中，或阴极导线也被覆盖上了镀层。除此之外，镀液直接暴露于空气，空气中的微粒粉尘沉降到镀液中，影响了施镀的效果和镀液的寿命，同时蒸发的水分会影响镀液组份的浓度和pH，难以获得令人满意的结果。使用内腔循环电镀装置，将电镀腔完全密闭，就能很好地避免这些问题。课题组前期为了解决这些问题，已经研究设计出了一代封闭循环内腔电镀装置(“中空工件内表面制备Ni-SiC复合镀层的装置”公开(公告)号:CN106637362A，作者：谢发勤；周颖；吴向清；)及适用这种装置的阳极(“制备中空件内壁Ni-SiC复合镀层的阳极装置”公开(公告)号:CN111593381A发明人：谢发勤；吴向清；李浪；周颖；田进；武刚；宋佳蕾；)，与传统的电镀使用的机械搅拌、磁力搅拌或空气搅拌等装置相比较，这套循环镀装置用空气压缩机和水泵，使镀液循环流动继而达到分散SiC粒子的目的，同时亦能消除电镀系统中由于金属离子的消耗引起的浓差极化问题。经前期实验证实，这套装置能较好的在环形内腔内壁镀上质量优良的Ni及Ni-SiC复合镀层，但由于阳极结构复杂，镀液入口位于阳极内部，经阳极开缝流至阴极附近，最后从镀腔上侧两个对称出口流走，因此流动状况复杂，在流域内形成多个大小不一的涡。且近阴极表面附近处的流速分布也不均匀，这就会导致镀液中的Ni离子浓度和不溶性SiC颗粒浓度分布不均，物质的迁移和传递受阻，使得某些部位镀层生长较慢，影响整体镀层的厚度均匀性。综合看来，现有的内腔循环电镀装置主要问题在于，设计阴阳极时，对阴阳极几何形状对流动特性的影响考虑不周，因此本发明采用了计算机数值仿真的方法，来考察腔体内镀液流动情况和镀层沉积均匀性，辅助内腔的设计。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的新型镀腔，解决了现有内腔循环电沉积设备存在的镀层厚度不均匀、主盐结晶堵塞阳极缝、镀层表面存在明暗相间的条纹等问题。与现有技术相比，本发明将带缝或带孔的阳极改为底面为球面的实心圆柱形阳极，并在入口处引入了一段漏斗型的镀液缓冲区，使得镀液从流入和可以充分发展，到达阴极表面的速度更加均匀，并将出水口数量增至4个，大大提高了沉积镀层的厚度均匀性。这种新型内腔结构更为简单、加工更加容易，且能同时达到使镀液流动更充分、沉积镀层的厚度更均匀的效果，可使含有不溶性分散相颗粒的镀液流动充分，分散相颗粒分散良好，没有出现明显的聚集情况。该新型内腔可以但不仅限于沉积Ni和Ni-SiC复合镀层，可制备多种金属及其复合镀层。

本发明的技术方案是：一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔，其特征在于：包括镀腔盖板、作为阴极的待镀件、阳极棒和绝缘壁；

所述绝缘壁是径向截面为圆形的漏斗结构，作为漏斗型缓冲区，其小径端作为入水口，大径端与所述待镀件同轴连接；

所述镀腔盖板为圆形板状结构，其端面上沿周向均布多个通孔作为出水口；

所述待镀件为圆环结构，其两端口处分别与所述镀腔盖板、绝缘壁同轴密封连接，构成陀螺型镀腔；

所述阳极棒为圆柱状结构，其顶端同轴固定于镀腔盖板的内端面，下端为半球体结构，位于绝缘壁的大径端内；阳极棒与待镀件相对位置的部分作为导电的阳极表面，其余部分涂有绝缘胶。

本发明的进一步技术方案是：所述镀腔盖板的出水口的数量为4个。

本发明的进一步技术方案是：所述镀腔盖板、绝缘壁与待镀件的连接处均设置有环形凹槽，用于安装密封圈，实现镀腔盖板、绝缘壁与待镀件的密封连接。

一种采用可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔制备环形待镀件内壁上均匀的Ni-SiC复合镀层的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：安装待镀件的尺寸设计和制作所述镀腔盖板、阳极棒和绝缘壁；

步骤二：将镀腔盖板、阳极棒、待镀件和绝缘壁从上到下依次同轴安装；

步骤三：将镀液通过管路从储液槽通入所述陀螺型镀腔的入水口，再利用泵的压力，镀液流经陀螺型镀腔的内腔，从出水口流出；最后镀液回流至储液槽，完成一个循环。

本发明的进一步技术方案是：所述阴极的轴向高度为80mm，阳极棒外表面与阴极内表面之间的距离为45mm，阳极棒轴向高度为137mm，其中作为导电的阳极表面高度为65mm；入水口所在平面至阳极根部距离为85mm，漏斗型缓冲壁面长度165mm。

本发明的进一步技术方案是：所述出水口直径为20mm，入水口直径为40mm。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明在现有循环电镀设备的基础上，对进行电镀的内腔部分进行改良，不再使用带孔或带缝的阳极，这样既使得内腔的几何形状更为简单，阳极加工难度和成本降低，又使得镀液流动的流线不再散乱，速度分布更加均匀，流动效率更高，传质过程加快，减小浓差极化，制备出来的电镀层更加光亮，没有明显麻点、针孔等缺陷。这种发明可替换上一代设备的电镀腔部分，既继承了上一代设备循环利用镀液的密封性和环保性的特点，又使得电镀效率更高，镀层性能更佳，大大提高了工业生产效率；

本发明相比背景技术中前一代发明引入了一段漏斗形缓冲区，镀液从储液槽经管路流到镀腔入口区后，由于泵的作用可能流动不够平缓，增加一段缓冲区域让流动充分发展并趋于平缓，使得流过阴极表面时，流线可以更好的贴合阴极壁面，形成电镀层的效果更佳。

所述阳极棒的底部为球形表面，作用为使镀液流入后冲击该球面后，并向四周流动，使得流动的更加均匀，流线更加顺畅；若阳极底部使用平面，则易产生后台阶流，继而引发漩涡或产生湍流，导致流到阴极表面附近的镀液速度不够均匀，方向不够一致，影响施镀效果。阳极形状为一个底部是球面的实心圆柱，但为避免电解质电流密度过大造成的边缘效应，应使得阳极正对表面应略小于阴极，因此不用作阳极表面的阳极棒部分，应使用绝缘胶将其封闭。

位于顶部出水口设计为4个对称的出水口，相较于前一代发明的2个出水口，4个出水口使得整个设备循环效率更加，且镀液流动分布在阴极表面周向上的对称性更好，均匀的流动可以消除第二相粒子浓度不均匀以及浓差极化等问题，有利于沉积出各项性能更好的镀层。镀腔漏斗形底设有1个入水口，镀液从储液槽出发，从所述入水口进入镀腔后，自出水口流出，回流至储液槽，完成一个循环。这种“下进上出”的设计可以保证整个镀腔内充满电镀液。

附图说明

图1为本发明镀腔结构示意图；

图2为本发明镀腔三维示意图；

图3为本发明内腔流线及流速分布图；

图4本发明内腔电解质电位和电解质电流密度矢量；

图5本发明600s时阴极镀层厚度分布图。

附图标记说明：1-阴极(环形待镀件)，2-阳极棒，3-绝缘胶，4-入水口，5-出水口，6-镀腔盖板，7-绝缘壁。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明是用于制备发动机缸体内腔电镀层和复合镀层的一种新型内腔结构，可替换背景技术中前一代设备的密封腔部分，制备性能更加优良的镀层。

所述镀腔包括镀腔盖板6、作为阴极的待镀件1、阳极棒2和绝缘壁7；所述绝缘壁7是径向截面为圆形的漏斗结构，作为漏斗型缓冲区，其小径端作为入水口，大径端与待镀件1同轴连接；

镀腔盖板6为圆形板状结构，其端面上沿周向均布4个通孔作为出水口；

待镀件1为圆环结构，其两端口处分别与镀腔盖板6、绝缘壁7同轴密封连接，构成陀螺型镀腔；镀腔盖板6、绝缘壁7与待镀件1的连接处均设置有环形凹槽，用于安装密封圈，实现镀腔盖板6、绝缘壁7与待镀件1的密封连接。

阳极棒2为圆柱状结构，其顶端同轴固定于镀腔盖板6的内端面，下端为半球体结构，位于绝缘壁7的大径端内；阳极棒2与待镀件1相对位置的部分作为导电的阳极表面，其余部分涂有绝缘胶3。

本发明的使用方法是：

本发明可以制备多种金属的电镀层和复合电镀层，以制备Ni-SiC复合镀层为例；

1)配制电镀液。本发明所使用的电镀液为传统的Watt型电镀液，具体为400g/L的六水合硫酸镍、15g/L的六水合氯化镍、35g/L的硼酸、2.5g/L的糖精钠、0.3g/L的CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)。配制好的电镀液pH应当控制在4.0±0.1。若进行复合电镀，还应加入一定量的不溶性第二相颗粒。

配制复合电镀液原液时，将称取的硫酸镍、氯化镍和糖精钠并倒入储液槽中，启动空气搅拌装置持续进行空气搅拌，至硫酸镍、氯化镍和糖精钠全部溶解为混合液。在该混合液中加入称取的硼酸，通过储液槽中的加热棒将混合液加热至75℃，同时持续对混合液进行空气搅拌，至硼酸全部溶解为止。在加有硼酸的混合液中加入称取的SiC微粒和十六烷基三甲基溴化铵，混合均匀，得到复合电镀液原液。

2)加热并搅拌复合电镀液。配置完成的电镀液颖置于储液槽内，开启空气开关进行搅拌，时间为2～3h，温度为60℃，以确保所有药品均已完全溶解，且设备能正常运行。

3)电极前处理。使用400目的水磨砂纸分别打磨阳极棒及待镀件阴极表面，再使用盐酸侵蚀待镀件，以去除其表面的氧化膜和锈蚀物。将环形待镀件置于浓度为5％的硫酸溶液中进行活化，进一步去除表面的氧化物，使待镀件新鲜的基体金属充分暴露出来，活化完成后应尽快施镀，防止再形成新的氧化膜。

4)安装待镀件。并将待镀环形件置于上下夹具之间，确定三者中心线重合，扣紧夹具，使待镀件于上下夹具间的接触面密封。

5)镀覆过程。将整流电源使环形待镀件与负极相连，打开整流电源即可开始镀覆。

6)后处理。电镀完成后拆卸环形待镀件，并使用去离子水冲洗待镀件，烘干，即完成整个电镀过程。

循环电镀的工作原理为：镀液在水泵的驱动下，从储液槽出发，经入口流入电镀腔内，流经阴阳极之间，阳极金属失去电子，成为金属离子进入镀液，镀液中的金属离子在电化学的作用下获得电子，并沉积在阴极表面形成镀层。镀液中的不溶性第二相颗粒，也随镀液来到阴极表面，在机械作用下被新生成的镀层包埋，形成复合镀层。最后镀液通过顶端四个出水口流出后再回到储液槽，在水泵源源不断的作用力之下，可进行下一轮的循环电镀。

电镀液在本发明中的流动方式：输送管道中的电镀液经入水口4先进入内腔流域，撞击到阳极柱2底部的球形绝缘表面3后均匀向四周流动，再均匀平缓流动至阴极1表面,完成电镀过程后再经由出水口5流走。前一代镀腔使用中空阳极的方法，使镀液先进入管状阳极内部，再经阳极缝或孔流出，流向阴极，这种方式会使得镀液流域内产生很多大大小小的涡，产生湍流，造成阴极表面附近各处流速不均，加上前一代设备仅有2两个出水口，流动对称性更低，进一步加剧了流速分布的不均匀性，本发明就很好的解决了这个问题。

在上一代循环镀设备中，当镀液入口速度为0.085m/s时，阴极附近的流速非常不均匀，流线杂乱，靠近出水口出速度最高，高达0.064m/s，远离出水口处速度最小，仅有0.003m/s，镀液在阴极附近的平均流速为0.007m/s，流速损失大，对镀层厚度的影响也极大。使用本发明时，当入口速度为0.085m/s时，阴极附近的流速最大为0.04m/s，最小速度为0.023m/s，平均流速为0.035m/s，流速损失小，且分布均匀，流线规整，电镀效果好。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔，其特征在于：包括镀腔盖板、作为阴极的待镀件、阳极棒和绝缘壁；

所述绝缘壁是径向截面为圆形的漏斗结构，作为漏斗型缓冲区，其小径端作为入水口，大径端与所述待镀件同轴连接；

所述镀腔盖板为圆形板状结构，其端面上沿周向均布多个通孔作为出水口；

所述待镀件为圆环结构，其两端口处分别与所述镀腔盖板、绝缘壁同轴密封连接，构成陀螺型镀腔；

所述阳极棒为圆柱状结构，其顶端同轴固定于镀腔盖板的内端面，下端为半球体结构，位于绝缘壁的大径端内；阳极棒与待镀件相对位置的部分作为导电的阳极表面，其余部分涂有绝缘胶。

2.根据权利要求1所述可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔，其特征在于：所述镀腔盖板的出水口的数量为4个。

3.根据权利要求1所述可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔，其特征在于：所述镀腔盖板、绝缘壁与待镀件的连接处均设置有环形凹槽，用于安装密封圈，实现镀腔盖板、绝缘壁与待镀件的密封连接。

4.一种采用可以提高环形件内表面电镀层均匀性的镀腔制备环形待镀件内壁上均匀的Ni-SiC复合镀层的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：安装待镀件的尺寸设计和制作所述镀腔盖板、阳极棒和绝缘壁；同时配置镀液；

步骤二：将镀腔盖板、阳极棒、待镀件和绝缘壁从上到下依次同轴安装；

步骤三：将镀液通过管路从储液槽通入所述陀螺型镀腔的入水口，再利用泵的压力，镀液流经陀螺型镀腔的内腔，从出水口流出；最后镀液回流至储液槽，完成一个循环。

5.根据权利要求4所述制备环形待镀件内壁上均匀的Ni-SiC复合镀层的方法，其特征在于：所述阴极的轴向高度为80mm，阳极棒外表面与阴极内表面之间的距离为45mm，阳极棒轴向高度为137mm，其中作为导电的阳极表面高度为65mm；入水口所在平面至阳极根部距离为85mm，漏斗型缓冲壁面长度165mm。

6.根据权利要求4所述制备环形待镀件内壁上均匀的Ni-SiC复合镀层的方法，其特征在于：所述出水口直径为20mm，入水口直径为40mm。

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