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        基于陰極高速平動的電鑄實驗研究

        2013-01-29 02:07:46朱增偉董平和劉明明
        電鍍與環(huán)保 2013年2期
        關(guān)鍵詞:電鑄陰極電流密度

        王 東, 朱增偉, 董平和, 劉明明

        (1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京210016;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安271018)

        0 前言

        電鑄是一種精密特種加工技術(shù),它利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進(jìn)行零件的成形加工。因此,電鑄具有很高的復(fù)制精度和重復(fù)精度。隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電鑄在我國工業(yè)發(fā)展中的地位不斷提高,并成功研制出一批高科技零件,如:液體火箭發(fā)動機(jī)噴管、破甲藥型罩、微機(jī)械零件等。但是傳統(tǒng)電鑄技術(shù)也存在著一定的缺點和局限性,如:鑄層質(zhì)量不穩(wěn)定,易出現(xiàn)麻點、針孔、積瘤等缺陷,鑄層成分不均勻,甚至?xí)硅T件產(chǎn)生畸形等。這些因素制約著電鑄技術(shù)的提高和應(yīng)用[1-3]。

        傳質(zhì)是電極過程中的重要步驟。標(biāo)準(zhǔn)情況下的傳質(zhì)過程是由于電解質(zhì)溶液中存在濃度、溫度等差異而引起的溶液內(nèi)物質(zhì)的流動,這種情況下的流動速率是非常緩慢的。在發(fā)生電極反應(yīng)時,很快會在陰極區(qū)內(nèi)造成反應(yīng)離子的缺失,陰極區(qū)域發(fā)生濃差極化現(xiàn)象。因此,當(dāng)陰極電流密度越大,溶液中金屬離子的擴(kuò)散速率越慢時,陰極表面附近電鑄液層中反應(yīng)離子的濃度就越低,電極電位就越負(fù),濃差極化就越嚴(yán)重。如果金屬離子的擴(kuò)散速率慢到一定程度時,則會使陰極表面附近反應(yīng)離子的濃度趨近為零,這時就會發(fā)生完全濃差極化,而且陰極上的電流密度會達(dá)到最大值,即極限電流密度[4]。電鑄過程中陰極電流密度一旦超過極限電流密度,則會發(fā)生析氫等化學(xué)反應(yīng),從而使陰極電流效率降低,進(jìn)而影響電鑄層的質(zhì)量,降低電鑄速率。情況嚴(yán)重時,陰極會大量析氫,造成電鑄層產(chǎn)生針孔、麻點、起泡甚至燒焦等現(xiàn)象,還可能使電鑄層發(fā)生氫脆,大大降低其機(jī)械性能。

        由于極限電流密度的限制,使得常規(guī)電鑄普遍存在速率低、生產(chǎn)周期長等問題,這些因素大大制約著電鑄技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。因此,要提高電鑄速率,必須設(shè)法提高極限電流密度,即:提高陰極表面附近金屬離子的傳質(zhì)速率。在電鑄生產(chǎn)和實驗中,常采用攪拌的方法。攪拌可以增加電鑄液的流動,增大反應(yīng)物或產(chǎn)物的傳質(zhì)速率,從而有利于減小濃差極化。攪拌能使電鑄加工在較高的電流密度下進(jìn)行,如果沒有攪拌的作用,在高電流密度區(qū)很容易發(fā)生電鑄層粗糙甚至出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象。另外,攪拌還可以加速氫氣的析出,從而降低電鑄層的孔隙率。根據(jù)相對性原理,讓陰極部件在電鑄液中做高速運動,其效果與攪拌的作用是相同的[4-5]。因此,人們常采用陰極運動的方法來提高電鑄速率。對于形狀復(fù)雜的電鑄陰極來說,陰極做高速平動運動有助于提高電鑄速率;同時由于陰極表面各點的運動速率相同,有利于保持陰極表面各處的流場均勻,從而獲得均勻、致密的電鑄層。目前市售的平動頭主要用于電火花加工,其平動量通常為0~2mm,平動速率一般在100r/min以下。但電鑄加工對陰極平動速率和平動量的要求較高,因此,市售平動頭不能很好地滿足電鑄加工的需求。

        本文設(shè)計了一種平動量和平動速率可調(diào)的新型平動機(jī)構(gòu)。將其用于電鑄陰極的大平動量、高速平動運動,可實現(xiàn)復(fù)雜零件的高速率、高質(zhì)量精密電鑄制造。

        1 平動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

        電鑄陰極平動機(jī)構(gòu)原理示意圖,如圖1所示。此平動機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動,主要是基于以下優(yōu)點:(1)效率高;(2)機(jī)構(gòu)緊湊,一般情況下所需要的空間較??;(3)工作可靠、壽命長;(4)傳動比穩(wěn)定,這是對傳動性能的基本要求[6]。平動機(jī)構(gòu)包括支撐殼體、調(diào)速電機(jī)、主動齒輪、過渡齒輪、從動齒輪、齒輪軸承、平動輸出板、調(diào)節(jié)滑塊、偏心調(diào)節(jié)螺栓等。

        圖1 電鑄陰極平動機(jī)構(gòu)原理示意圖

        平動機(jī)構(gòu)的工作原理:將電鑄陰極與平動輸出板連接,同時調(diào)節(jié)主動齒輪和從動齒輪上的偏心調(diào)節(jié)螺栓,設(shè)定平動量;啟動調(diào)速電機(jī),設(shè)定轉(zhuǎn)速,驅(qū)動主動齒輪旋轉(zhuǎn),主動齒輪將力矩傳遞給過渡齒輪,再由過渡齒輪帶動從動齒輪做同步旋轉(zhuǎn)運動;主動齒輪和從動齒輪一起帶動平動輸出板和電鑄陰極做平動運動[7]。

        2 陰極平動電鑄實驗

        2.1 實驗裝置與原理

        實驗裝置,如圖2所示。陰極采用不銹鋼薄片,在平動機(jī)構(gòu)的帶動下做平動運動。陽極采用純鎳板,傾斜放置于電鑄槽內(nèi),保持和陰極平行來保證陰極表面電場的一致性。沖液方式采用從電鑄槽側(cè)面底部進(jìn)入,從相對的側(cè)面上部流出。電鑄溶液在儲液槽內(nèi)由加熱管加熱并由磁力泵進(jìn)行循環(huán)供液,保證溶液溫度恒定和液面穩(wěn)定[8]。

        圖2 陰極平動電鑄實驗裝置示意圖

        2.2 實驗過程

        本實驗以金屬鎳的電鑄為例。鎳陽極用超聲波清洗機(jī)清洗數(shù)次以除去其表面的油污,并用去離子水洗凈后使用;不銹鋼片陰極依次經(jīng)過拋光、除油、活化、清洗處理。電鑄液組成及工藝條件為:氨基磺酸鎳400g/L,氯化鎳15g/L,硼酸30g/L,pH值4~5,電鑄溫度40~45℃。電鑄液用去離子水配制。電鑄采用JC 17310型直流電源。實驗時,陰極在平動機(jī)構(gòu)的帶動下做平動運動,平動速率為0~1 350r/min,平動量為0~30mm。電鑄時電流密度分別取2,4,6,8A/dm2,電鑄層沉積到一定厚度后,取出陰極,經(jīng)清洗、干燥后,利用HXS-1000A型顯微硬度計測試電鑄層的顯微硬度,然后進(jìn)行后續(xù)檢測。

        2.3 實驗結(jié)果

        2.3.1 表面質(zhì)量

        圖3為不同工藝條件下所得電鑄層的表面形貌。從圖3可以看出,圖3(c)所示電鑄層的表面質(zhì)量明顯要比圖3(a)和圖3(b)的好。由此可以得出:在電鑄液、溫度等相同的條件下,陰極平動電鑄可以明顯提高電鑄層的表面質(zhì)量,能在一定程度上消除針孔、麻點等傳統(tǒng)電鑄缺陷。實驗中還發(fā)現(xiàn):在陰極靜止的條件下,當(dāng)電流密度達(dá)到4A/dm2時,電鑄層的表面質(zhì)量急劇下降,發(fā)脆并引起翹皮脫落;而當(dāng)陰極平動速率為540r/min時,在相同電流密度下得到的電鑄層依然有良好的表面質(zhì)量。由此可得,陰極平動能提高電鑄的極限電流密度,進(jìn)而提高了電鑄速率。

        圖3 不同工藝條件下所得電鑄層的表面形貌

        2.3.2 顯微硬度

        圖4 陰極平動速率對電鑄層顯微硬度的影響

        在電流密度為2A/dm2和4A/dm2的條件下,研究了陰極平動速率對電鑄層顯微硬度的影響,實驗結(jié)果,如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)電流密度一定時,隨著陰極平動速率的增加,電鑄層的顯微硬度呈上升趨勢。分析認(rèn)為:在陰極高速平動電鑄過程中,陰極高速平動相當(dāng)于電鑄液持續(xù)不斷地沖刷陰極表面,從而細(xì)化了鑄層晶粒,并影響了晶粒的生長形態(tài)。根據(jù)細(xì)晶強化理論,金屬材料的性能與材料組織的晶粒大小和致密程度有著密切的關(guān)系。材料的顯微硬度與晶粒直徑成幾何倍數(shù)的反比關(guān)系,即:所得晶粒越細(xì),材料的顯微硬度越高[9-10]。

        3 結(jié)論

        (1)設(shè)計的新型平動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了電鑄陰極的大平動量、高速率的運動。

        (2)陰極高速平動電鑄所加工出的電鑄層光滑平整,缺陷減少,顯微硬度有所提高,加工效果明顯改善。

        (3)陰極平動電鑄能提高金屬離子的傳質(zhì)速率和極限電流密度,進(jìn)一步拓寬電鑄技術(shù)的應(yīng)用條件。

        [1]朱保國,王振龍.電鑄技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電加工與模具,2006(5):1-6.

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        [4]劉仁志.實用電鑄技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

        [5]劉晉春,白基成,郭永豐.特種加工[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [6]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2007.

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        [8]李學(xué)磊,朱增偉,章勇,等.基于復(fù)雜型面薄壁零件成形的電鑄試驗研究[J].航空學(xué)報,2010,31(10):2 068-2 074.

        [9]盧柯,劉學(xué)東,胡壯麒.納米晶體材料的Hall-Petch關(guān)系[J].材料研究學(xué)報,1994,8(5):385-391.

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