CN114703513B - 远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置及方法，属于特种加工技术中电铸技术领域。本发明主要面向大面积、大壁厚金属面板的高效电铸制造，在传统的远阳极电极布置方式上，提出了一种新的电铸高速冲液装置及方法，即通过百叶栅形状的绝缘构件加固难透水布料在阴极表面构造出一定间隙的流道，电铸液能在该流道中形成均匀稳定的高速流场，不断地冲刷阴极表面。其中电铸阳极可采用可溶性阳极，通过百叶栅与阴极导通电场；阳极与百叶栅之间的电铸液可通过流动更新；流道间隙内的高速流场能有效去除阴极表面吸附的氢气泡，减少电铸层针孔和表面麻点等缺陷；在较高的冲液流速下，可采用较大的电流密度，减少加工时间和提高加工效率。
Description
技术领域
本发明属于电铸技术领域，特别提供一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置及方法。
背景技术
电铸技术是基于电化学原理，通过溶液中的金属离子在阴极芯模表面发生还原、沉积和堆积形成特定厚度的电铸层，同时能够复制出原有芯模的形状与精度，彼此分离后便得到电铸零件，是一种重要的电化学加工方法。目前电铸加工较大面积和壁厚的零件时存在若干问题，如加工过程中阴极表面的氢气泡长期滞留导致电铸层的缺陷较多(针孔、麻点和夹杂氢氧化物)、零件的外表面质量较差、可能需要多次电铸、整个加工周期长、加工效率低等。此外，阴极严重析氢时会导致电铸层疏松、致密性变差、针孔较多甚至出现孔洞，同时零件的强度和塑性剧烈下降，不能满足实际工程要求。
对于电铸过程中氢气泡的有效去除，行业人员多采用阴极复合运动搅拌、超声电铸及添加十二烷基硫酸钠等表面润湿剂等方法。阴极复合运动搅拌是指通过运动机构带动阴极芯模在电铸液中往复做平面运动，通过机械搅拌作用去除阴极表面的氢气泡；超声的空化作用可以使气泡生长到一定程度时，无法承受高压而瞬间破碎；此外，相关电铸工厂也采用含添加剂的溶液体系与小电流密度来减少氢的附着，提高产品表面质量与力学性能。
然而有利即有弊，阴极复合运动搅拌需要配套的运动机构，并且在加工大型并且具有复杂结构的零件过程中实际成效并不理想；同样大型零件的加工则需要更大功率的超声波发生器，成本较高；十二烷基硫酸钠等表面活性剂虽然可以降低两相界面张力，使得氢气难以附着，但自身也会消耗和分解，加工过程中实际含量变得难以检测，溶液维护困难；采用较小的电流密度会使得电铸加工的周期延长，效率降低，成本增加。
利用电铸液的高速流动(也称冲液)来去除氢气泡是最便捷的一种途径，此外冲液的方式还可以对电极反应所需的金属离子进行及时补充。但传统冲液形式往往是通过不溶性阳极与阴极的配合来实现的，由于不溶性阳极不能弥补溶液中金属离子消耗，所以长时间的使用会造成电铸液酸碱度降低，金属离子消耗过多，溶液难以正常使用；此外若采用可溶性阳极，则会由于阳极溶解致使流道发生变化，影响流场的稳定性。为此本发明提供一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置及方法，一方面可实现电铸液的高速流动，同时在阴极表面形成稳定的流场，另一方面可使用可溶性阳极，以维持电铸液体系的稳定。
发明内容
本发明目的在于提供一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置及方法，有利于电铸液在阴极表面的快速稳定流动达到对氢气泡的有效去除，同时提高阴极表面的电流分布的均匀性，保证零件的质量与性能，减少加工时间和提高加工效率，实现大面积、大壁厚的金属平板零件的高效电铸加工。
为实现上述目的，本发明专利提供一下技术方案：
一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：包含阴极芯模、大扬程磁力泵、过滤器、绝缘百叶栅、电镀涤纶布和电铸阳极；所述电镀涤纶布加固于绝缘百叶栅靠近阴极芯模的一侧，加固的方式采用绝缘螺钉固定栅叶，同时使电镀涤纶布处于张紧状态；电镀涤纶布与阴极芯模表面之间留有可调节的间隙，该间隙是冲液流道，较大间隙能够实现更大厚度零件的电铸制备，较小间隙能够减小流道截面积和提高电铸液流速，有利于提高极限电流密度；所述冲液流道的冲液入口窄缝和冲液出口窄缝分别位于阴极芯模的下方和上方，能够使得电铸液相比于阴极芯模的上方区域形成相对负压，提高流场的均匀性；所述大扬程磁力泵经过滤器后与冲液入口细缝连接，能够保证进入冲液入口细缝中的电铸液无任何杂质，避免影响金属离子在阴极的沉积过程和结瘤现象的产生，大扬程磁力泵能够实现电铸液以1m/s左右及以上的高速流动；所述绝缘百叶栅的栅格的角度与电铸液的流动方向呈钝角，能够对电铸液的自下向上流动产生一定的引流作用，防止电铸液从涤纶布流出；所述电铸阳极为不溶性阳极或可溶性阳极，可溶性阳极的使用更有利于电铸液酸碱度的维持、金属离子的补充和溶液的长期使用；所述装置的放置方式不限于立式放置，也可卧式方式。
所述远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置的电铸方法，其特征在于：电铸液通过大扬程磁力泵后经过滤器进入冲液流道，被电镀涤纶布阻挡于靠近阴极芯模的一侧，形成均匀稳定的平板流，利于电沉积过程中扩散层的减薄，避免流场滞流区域的形成，同时对阴极表面产生了较好的物理冲刷效果，达到去除氢气泡，减少电铸层中的针孔、麻点等缺陷；所述电铸阳极的形式不受限制，采用可溶性阳极更有利于大电流密度的使用，减少加工周期和提高加工效率，阳极与阴极的距离不受限制，阳极的尺寸可根据实际槽体的尺寸而定；所述绝缘百叶栅为绝缘材料，在电铸加工过程中对过度集中的电场产生分散、转移和阻挡作用，一定程度可以避免局部区域结瘤等表面缺陷的产生，栅叶具有引流效果的倾角有利于提高流场的稳定性。
所述远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：所述电镀涤纶布与阴极芯模表面之间的间隙范围根据零件的厚度而定，大于零件厚度的3～5mm，较大的间隙能够实现更大厚度零件的电铸制造，较小的间隙能够保证在加工过程中有着更好的冲液效果，使得最终的零件表面平整，光滑细腻，厚度均匀性良好。
所述远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：冲液流道的冲液出口窄缝的宽度小于冲液入口窄缝，能够保证电铸液在加工过程时刻充满阴极芯模，避免在大较电流密度条件下电铸层表面出现的发黑现象，影响产品的质量，且下方区域能够形成相对负压，也有利于提高电铸液的流速。
所述远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：所述阴极芯模材料为不锈钢或钛合金芯模，具有较好的强度，利于机械加工，并且耐腐蚀性能优异可以长期使用。
所述远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：所述电镀涤纶布的材料为涤纶长纤，目数为300～600，较大的目数可保证布料的密封性，利于冲液流道的稳定性，同时也会造成整个加工回路电压的增加。
本发明与现有技术相比，有以下优点：
能够在无润湿剂和添加剂的溶液体系中实现大面积平板类零件的高速电铸加工；能够在阴极表面所形成均匀的流场，利用流体流动的物理作用能够有效去除电铸过程产生的氢气泡，减少电铸层中的针孔、麻点等缺陷；绝缘百叶栅能对电场产生分散、转移和阻挡作用，避免过于集中的电场导致结瘤现象的发生；电铸阳极可采用可溶性阳极，及时弥补金属离子的消耗，提高电流密度的上限；加工方式不受电铸溶液体系的限制，如各种电铸铜溶液体系和电铸镍溶液体系；对于平板类零件可加工的零件厚度可达12mm，面积可达30～50mm2；加工周期快，生产效率高，操作简单，加工成本低。本发明在传统的氨基磺酸镍溶液体系中，采用直流电源，电铸镍的显微硬度值165～370HV，抗拉强度510～975MPa，屈服强度265～815MPa。
附图说明
图1是远阳极电铸中阴极表面高速冲液原理示意图；
图2是本发明方法在无添加剂的氨基磺酸镍溶液中加工后的产品的力学性能；
图中标号名称为1—阴极芯模；2—大扬程磁力泵；3—过滤器；4—冲液入口窄缝；5—绝缘百叶栅；6—电镀涤纶布；7—电铸阳极；8—冲液出口窄缝。
具体实施方式
实例一：在氨基磺酸镍溶液体系中(四水合氨基磺酸镍400g/L，硼酸30g/L，六水合氯化镍15g/L)，pH维持在3.8～4.2，温度40～45℃，阴阳极之间距离为 400mm，冲液管路流量达到3.5m3/h以上，阴极表面平均流速约3m/s，进行阴极表面高速冲液电铸实验。
S1，使用细砂纸对阴极芯模表面抛磨后清洗干净，使用酒精或丙酮进行除油，最后使用去离子水冲洗阴极表面；
S2，电铸液冲液入口管路连接磁力泵和过滤器，检查无误后方可接通电源；
S3，首先使用0.5～1A/dm2的电流密度进行预镀，1小时后增大电流密度至 5A/dm2，在加工期间需定期检查溶液pH，保持稳定；
S4，约120小时后关闭电源、磁力泵等相关设备，脱模得到6mm电铸镍试板；
S5，最终镍试板的表面呈银白色(略带灰色)并且光滑细腻，不存在结瘤、针孔等缺陷，厚度均匀性较好，具有较高强度和硬度，塑性适中，总体质量较优。
实例二：在氨基磺酸镍溶液体系中(四水合氨基磺酸镍450g/L，硼酸30g/L，六水合氯化镍15g/L)，pH维持在3.8～4.2，温度40～45℃，阴阳极之间距离为 500mm，冲液管路流量达到7m3/h以上，阴极表面平均流速约6m/s，进行阴极表面高速冲液电铸实验。
S1，使用细砂纸对阴极芯模表面抛磨后清洗干净，使用酒精或丙酮进行除油，最后使用去离子水冲洗阴极表面；
S2，电铸液冲液入口管路连接磁力泵和过滤器，检查无误后方可接通电源；
S3，首先使用0.5～1A/dm2的电流密度进行预镀，3小时后增大电流密度至 10A/dm2，在此期间需定期检查溶液pH，保持稳定；
S4，120小时后关闭电源、磁力泵等相关设备，脱模得到12mm电铸镍试板；
S5，最终镍试板的表面呈银白色(略带灰色)并且光滑细腻，不存在结瘤、针孔等缺陷，厚度均匀性较好，强度适中，塑性较好，总体质量较优。
Claims (6)
1.一种远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：
包含阴极芯模（1）、大扬程磁力泵（2）、过滤器（3）、绝缘百叶栅（5）、电镀涤纶布（6）和电铸阳极（7）；
所述电镀涤纶布（6）加固于绝缘百叶栅（5）靠近阴极芯模（1）的一侧；电镀涤纶布（6）与阴极芯模（1）表面之间留有可调节的间隙，该间隙是冲液流道；所述冲液流道的冲液入口窄缝（4）和冲液出口窄缝（8）分别位于阴极芯模（1）的下方和上方；所述大扬程磁力泵（2）经过过滤器（3）后与冲液入口窄缝（4）连接；
所述绝缘百叶栅（5）的栅格的倾斜方向与电铸液的流动方向呈钝角；
所述电铸阳极（7）为可溶性阳极。
2.根据权利要求1所述的远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：
所述电镀涤纶布（6）与阴极芯模（1）表面之间的间隙范围根据零件的厚度而定，大于零件厚度的3～5mm。
3.根据权利要求1所述的远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：
冲液出口窄缝（8）的宽度小于冲液入口窄缝（4）。
4.根据权利要求1所述的远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：
所述阴极芯模（1）材料为不锈钢或钛合金芯模。
5.根据权利要求1所述的远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置，其特征在于：
所述电镀涤纶布（6）的材料为涤纶长纤，目数为300～600。
6.利用权利要求1所述的远阳极电铸中阴极表面高速冲液装置的电铸方法，其特征在于：
电铸液通过大扬程磁力泵（2）后经过滤器（3）进入冲液流道，被电镀涤纶布（6）阻挡于靠近阴极芯模（1）的一侧，同时形成均匀稳定的高速流场，对阴极表面产生较好冲刷效果，达到去除氢气泡和提高极限电流密度的目的；
电铸阳极（7）的形式不受限制，采用可溶性阳极来弥补电铸液中金属离子的消耗；
绝缘百叶栅（5）与电镀涤纶布（6）一起对电铸液产生引流的作用。
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2022
- 2022-03-28 CN CN202210314500.7A patent/CN114703513B/zh active Active
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