專利名稱：一種選擇性金屬電沉積裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學加工技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計為一種選擇性超聲輔助噴射金屬電沉積裝置。
背景技術(shù)：
金屬電沉積是指在直流電的作用下，電解液中的金屬離子還原，并沉積到零件表面形成具有一定性能的金屬鍍層的過程。噴射電沉積是近年來發(fā)展起來的一種電鍍新工藝，是以提高成形層的性能和成形精度為目標的局部高速電沉積技術(shù)，噴射電沉積快速成形具有復制精度和重復精度高、沉積速率快和沉積層的性能優(yōu)良等優(yōu)點?？蓪Υ笮土悴考嵤┚植侩婂?，可用于磨損或損傷部位的修復以及盲孔、深孔內(nèi)的鍍覆。噴射電沉積極大地提高了沉積的極限電流密度，可以使沉積過程在非常高的電流密度下進行，大大提高了沉積效率。由于噴射電沉積技術(shù)的選擇性，利于精確成形，解決了精密零件制造的難題。超聲電沉積，就是在電沉積中加載超聲，以獲得普通電沉積不具備的一些優(yōu)點的電沉積技術(shù)。與普通的刷鍍和電鍍相比，超聲電沉積具有效率高、沉積速率快的優(yōu)點；其鍍層具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。現(xiàn)有的噴射電沉積技術(shù)仍然存在加工零件自動化程度低、電解液利用率低、沉積層厚度不均勻、電沉積速度慢以及材料性能差等問題。這些問題導致噴射電沉積以及超聲輔助噴射電沉積技術(shù)在實際應(yīng)用過程中對材料表面質(zhì)量和性能的提高不大且加工質(zhì)量不易控制，甚至使得零件報廢，嚴重制約著技術(shù)的發(fā)展和在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，所以到目前為止，大部分研究處于實驗室階段，遠沒有實現(xiàn)工業(yè)化。因此，有必要探索一種新的噴射電沉積裝置，來提高噴射電沉積的工藝穩(wěn)定性、可控制性以及提高鍍層質(zhì)量和電沉積速度，滿足實現(xiàn)工業(yè)化的需求。`

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種選擇性超聲輔助噴射電沉積裝置，以及一種電沉積方法，提高現(xiàn)有電沉積技術(shù)中的沉積層硬度、致密性以及電沉積速度，降低鍍層殘余應(yīng)力，同時實現(xiàn)電沉積區(qū)域的可選擇性以及實現(xiàn)簡單形狀零件的電沉積成形。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的金屬電沉積裝置采用如下技術(shù)方案:一種金屬電沉積裝置，其特征在于:包括用于容納電解液的儲液槽和用于在電沉積過程中與陰極和陽極對應(yīng)電連接的電源，超聲電源，由支架支撐的超聲輔助噴射裝置，三坐標數(shù)控平臺，三坐標數(shù)控平臺包括動作執(zhí)行機構(gòu)、支架和計算機(凡數(shù)控動作機構(gòu)均可，本方案選擇步進電機數(shù)控系統(tǒng))；儲液槽外還設(shè)有為電解液提供噴射壓力的蠕動泵以及控制電解液流量的控制閥；儲液槽內(nèi)設(shè)有保持電解液溫度的溫控器；超聲輔助噴射裝置底部有電解液噴嘴。應(yīng)用所述的金屬電沉積裝置的方法，其特征在于:電鍍過程中，電鍍陰極為金屬板，陽極為超聲輔助噴射裝置，陰陽極之間為噴射出的電解液，電解液溫度控制在20°C 90°C,流過陰陽極之間的平均電流為OmA 100mA,噴嘴移動速度設(shè)定為O NlOOmn^mirT1;電沉積時超聲頻率為20KHz ΙΟΟΚΗζ，超聲波功率為10 450W ;電鍍時間I 120分鐘。所述的超聲電源提供超聲電信號，超聲電源與超聲輔助噴射裝置(本方案中該裝置由壓電換能器和變幅桿組成)用導線連接，由超聲輔助噴射裝置將電信號轉(zhuǎn)化為超聲波，將超聲波直接作用于電解液，并將電解液從噴嘴高速噴出。蠕動泵為電解液提供壓力，流量控制閥控制電解液流量。通過對流量控制閥的調(diào)整和噴嘴口徑的選擇，可調(diào)整噴射到鍍件表面電解液的流速。所述的噴嘴三坐標數(shù)控平臺由計算機控制動作執(zhí)行機構(gòu)，可根據(jù)計算機設(shè)定的程序?qū)娮斓奈恢煤鸵苿铀俣冗M行實時控制，用于確定形狀的零件表面電鍍區(qū)域，也可實現(xiàn)小尺寸、簡單形狀零件的加工制作。所述的溫控器，可以使鍍液保持穩(wěn)定的溫度，克服由于超聲波的局部加熱作用造成的鍍液溫度上升而引起鍍層質(zhì)量下降的效果。該裝置即可用于金屬表面的電鍍，又可用于金屬的化學鍍。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所提供的金屬電沉積方法在金屬電沉積過程中對電解液施加超聲波，同時將電解液噴射到零件表面，這樣當超聲波作用于電解液時，由于超聲波的有清洗、析氫以及攪拌作用。強大的沖擊波能滲透到不同電極介質(zhì)表面和空隙里，使電極表面徹底清洗；超聲空化作用使氫進入空化泡或作為空化核，加快了氫氣的析出；攪拌作用加強了離子的輸運能力，減小了分散層厚度和濃度梯度，降低了溶液極化，加快了電極過程，優(yōu)化了電沉積條件。電解液噴射有效地改善了傳質(zhì)過程，允許使用接近極限電流密度的電流密度進行沉積。沉積速度比一般槽鍍速度高，沉積層的外觀質(zhì)量和內(nèi)部組織形態(tài)都得到顯著改善。超聲噴射電沉積技具有效率高、沉積速度快的優(yōu)點，其鍍層具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)異的性 能，由于噴射電沉積的選擇性，利于工件的精確成形。另夕卜，以三坐標數(shù)控平臺對噴嘴位置及移動速度進行精確控制、對電解液的流量和噴出速度進行調(diào)節(jié)以及溫度控制都可以促進電極附近的離子傳輸，降低濃度差極化，使金屬陽離子濃度均勻，改善鍍層質(zhì)量，提高工藝穩(wěn)定性。運用數(shù)字化快速成形技術(shù)，可根據(jù)測得的零件偏磨損狀況，可實現(xiàn)修復層的數(shù)控成形，從而確保零件尺寸的按需恢復。應(yīng)用超聲噴射電沉積再制造成形技術(shù)，有利于更加快速高效地修復被損零件和設(shè)備，快速恢復應(yīng)用和生產(chǎn)。本發(fā)明所提供的金屬電沉積裝置在儲液槽中設(shè)置溫控裝置，在儲液槽外設(shè)置向電解液施加超聲波的超聲輔助噴射裝置，同時設(shè)有精確控制噴嘴位置及移動速度的三坐標數(shù)控平臺。在電沉積過程中，首先將電源正極與陽極(超聲輔助噴射裝置)連接，負極與陰極(鍍件)連接，鍍件平放在儲液槽內(nèi)的支撐板上，這樣在陰陽極之間形成電場，由溫控裝置對電解液溫度實施控制，由超聲輔助噴射裝置對電解液施加超聲波，并將電解液噴射到鍍件表面。在三坐標數(shù)控平臺的計算機內(nèi)設(shè)定噴嘴的移動路線、移動速度等，同時設(shè)定電解液的溫度。在電沉積過程中，通過超聲波和噴射的協(xié)同作用增強電解液的超聲空化效應(yīng)和機械攪拌效應(yīng)，提高電沉積速度，改善鍍層質(zhì)量，晶粒得到細化，其組織更加均勻致密、表面更平整。當電沉積裝置按照三坐標數(shù)控平臺的設(shè)置自動完成電沉積層后，切斷電源，將鍍件從儲液槽中取出，整個電沉積加工過程完成。


圖1是本發(fā)明所提供的超聲輔助噴射電沉積裝置一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明所提供的金屬電沉積方法的一種實施例，在金屬電沉積加工過程中，將鍍件水平放置在儲液槽內(nèi)的支撐板上，然后將電源正極與陽極(超聲輔助噴射裝置)連接，負極與陰極(鍍件)連接，在電沉積過程中，由陽極和陰極在電解液中形成電場，對電解液施加超聲波，并將電解液通過電解液噴射裝置噴射到鍍件表面；同時，通過溫控裝置使電解液溫度保持穩(wěn)定，在三坐標數(shù)控平臺的計算機內(nèi)設(shè)定噴嘴的移動速度及線路，流量控制閥調(diào)節(jié)電解液流量。在陰極電沉積金屬材料的過程中，選擇超聲波功率、噴嘴口徑、電解液循環(huán)流量以及陰陽極之間電流進行一下幾種方案的匹配:其中，方案一，超聲功率0W，即不對電解液施加超聲波，超聲波頻率為，流過陰陽極間的電流為50mA,噴嘴移動速度50 mm.mirT1 ；方案二，超聲功率90W，流過 陰陽極間的電流為50mA，噴嘴移動速度50mm.mirT1 ；方案三，超聲功率180W，陰陽極電流50 mA，噴嘴移動速度50 mm.mirT1 ；方案四，超聲功率270W，陰陽極電流50 mA,噴嘴移動速度50 mm.mirT1 ；方案五，超聲功率360W，陰陽極電流50 mA，噴嘴移動速度50 mm.mirT1 ；上述方法的電沉積過程中，對電解液施加不同功率的超聲波，保持其他條件不變。五種方案，通過對有、無超聲波以及不同超聲功率條件下鍍層的性能對比，得到超聲波的引入對噴射電沉積鍍層性能的影響以及不同超聲功率對鍍層性能的影響。采用在噴射電沉積的電解液中直接施加超聲波的電沉積方法，可提高的電沉積速度、工藝的穩(wěn)定性以及鍍層質(zhì)量。在45鋼鋼板上鍍鎳為例說明本方法的效果。試驗中，在電鍍陰極為45鋼鋼板，陽極為超聲輔助噴射裝置，陰陽極之間為噴射出的電解液，且陰陽極之間距離為50mm，電解液組成為:NiS04為270g/L, NiCl2為45 g/L，H3BO3為35 g/L pH值為4.0,電解液溫度控制在40°C，流過陰陽極之間的平均電流為50mA，噴嘴口徑3mm，噴嘴移動速度設(shè)定為50mm.mirT1。電沉積時超聲頻率為20KHz，電鍍時間I小時。試樣制作后，用X-350X射線應(yīng)力測定儀、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)以及π M T-3型顯微硬度計分別測定鍍層表面殘余應(yīng)力、晶粒尺寸以及顯微硬度，結(jié)果如下:
權(quán)利要求
1.一種金屬電沉積裝置，其特征在于包括用于容納電解液的儲液槽和用于在電沉積過程中與陰極和陽極對應(yīng)電連接的電源，超聲電源，由支架支撐的超聲輔助噴射裝置，三坐標數(shù)控平臺，三坐標數(shù)控平臺包括動作執(zhí)行機構(gòu)、支架和計算機；儲液槽外還設(shè)有為電解液提供噴射壓力的蠕動泵以及控制電解液流量的控制閥；儲液槽內(nèi)設(shè)有保持電解液溫度的溫控器；超聲輔助噴射裝置底部有電解液噴嘴。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述的金屬電沉積裝置的方法，其特征在于電鍍過程中，電鍍陰極為金屬板，陽極為超聲輔助噴射裝置，陰陽極之間為噴射出的電解液，電解液溫度控制在20°C 90°C，流過陰陽極之間的平均電流為OmA 100mA，噴嘴移動速度設(shè)定為O IOOmm · mirr1 ;電沉積時超聲頻率為20KHz ΙΟΟΚΗζ，超聲波功率為10 450W ;電鍍時間I 120分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學加工技術(shù)領(lǐng)域，一種選擇性金屬電沉積裝置及其應(yīng)用。一種金屬電沉積裝置，其特征在于包括用于容納電解液的儲液槽和用于在電沉積過程中與陰極和陽極對應(yīng)電連接的電源，超聲電源，由支架支撐的超聲輔助噴射裝置，三坐標數(shù)控平臺，三坐標數(shù)控平臺包括動作執(zhí)行機構(gòu)、支架和計算機；儲液槽外還設(shè)有為電解液提供噴射壓力的蠕動泵以及控制電解液流量的控制閥；儲液槽內(nèi)設(shè)有保持電解液溫度的溫控器；超聲輔助噴射裝置底部有電解液噴嘴。本發(fā)明提高現(xiàn)有電沉積技術(shù)中的沉積層硬度、致密性以及電沉積速度，降低鍍層殘余應(yīng)力，同時實現(xiàn)電沉積區(qū)域的可選擇性以及實現(xiàn)簡單形狀零件的電沉積成形。
文檔編號C25D5/20GK103255452SQ20131016262
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月3日
發(fā)明者譚俊, 吳迪, 蘭龍, 高玉琳, 蔡志海, 鄭曉輝, 曾其彬 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院