畢向陽，明平美

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454003）

電鑄是一種基于電化學沉積原理進行金屬結構和零件高精度復制或成形的特種加工技術。因其具有加工精度高、操作溫度低、被加工件性能易控制等優(yōu)點，故在工業(yè)界應用廣泛。如何實現大面積電鑄件（層）厚度及其均勻性的有效控制，常常是電鑄工藝的難題和關注重點。對此，業(yè)界學者從電解液組分、工藝參數等角度研究揭示了它們與電鑄層厚度均勻性的關系[1-2]。但實際上，在電沉積操作條件既定的情況下，電鑄件（層）厚度的均勻性更多取決于陰極面電場和流場的分布特性。國內外學者也在這兩方面開展了許多積極的研究與探索工作。Botts等[3]對陽極籃的結構進行優(yōu)化設計，以期改善陰極表面的電場分布，進而提高電鑄層厚度的均勻性；更多的研究[4-6]則是把不同結構特征的屏蔽板置于陰陽極之間，用來均化陰極表面的電場分布，以期獲得厚度均勻性更好的電鑄層（件）；還有的采用陰極水平或垂直移動的方式來進一步提高陰極表面流場分布的均一性，從而獲得更高品質的電鑄產品[7-9]；也有人利用特別設計的強制對流方式（如噴射[10]、循環(huán)攪拌[11]、高頻振動攪拌[12]、磁場輔助攪拌[13]等）來改善電極過程流場的分布特性。盡管上述措施及方法在不同程度上減小了電鑄層厚度分布的差異性，但尚未達到令人滿意的應用效果。這是因為在電沉積過程中，電場和流場分布的協同均勻化至今仍未得到很好的解決；而上述效果的實現必定依存于電沉積工藝實施的載體，即電鍍或電鑄裝置。故本文以在電沉積過程中同時獲得均勻的電場分布與流場分布為目標，在優(yōu)化設計電鑄槽的結構布局、陰陽極的配置關系和電解液循環(huán)方式等核心要素的基礎上，擬研制開發(fā)一種高厚度均勻性的電鑄裝置。

1 總體設計

本文設計的高厚度均勻性電鑄裝置主要由電鑄槽、陽極、陰極周向等距移動機構、陰極單元、空氣攪拌單元、相關監(jiān)測控制單元及電鑄液循環(huán)過濾單元等組成。其中，陰極單元包含陰極、陰極裝夾體及陰極屏蔽板。如圖1所示，陰極3固定在陰極裝夾體4上，陰極裝夾體與陰極周向等距移動機構6連接。陰極屏蔽板5置于陰極正前方并固定安裝在陰極裝夾體上，其與陰極間的距離可調。陽極7和陰極豎直平行布置，且陽極可相對于陰極移動，以調節(jié)它們的間距?？諝鈹嚢鑶卧?的出氣口陣列設置于陰極面附近的正下方。相關監(jiān)測控制單元2主要包括用于在線監(jiān)測或控制溫度、pH值、金屬離子濃度、添加劑組分與濃度等核心參數的多個監(jiān)控單元。此外，電鑄液循環(huán)過濾單元（圖1未示）既能實現電鑄工藝過程所必需的基礎功能，又能自動實現給液、回液及槽液互換等功能。

圖1 總體設計示意圖

陰極屏蔽板與陰極周向等距移動機構是本設計的關鍵研制部件，它們的協同作用很好地實現了陰極表面電場和流場的均勻分布，從而保證電鑄層厚度分布的均一性。

2 陰極面電、流場均勻化分布實現機構設計

2.1 設計思路

根據電化學沉積基礎理論可知，電沉積金屬層厚度分布具有取決于電流密度與陰極電流效率的分布特性。而電流密度正比于陰極面所接收電力線分布的疏密度；陰極電流效率有賴于傳質效率、金屬離子與添加劑粒子濃度、電流密度等多種因素的綜合效果。一般認為，在既定的槽液體系中，陰極面電流密度與液相傳質的均勻分布是獲得等厚金屬沉積層的重要前提。而在實際應用中，由于陰、陽極實際表面積的不等性、活性粒子濃度分布的不均性等因素的影響，宏觀尺度陰極面的電流密度常常呈現“周邊大、中心小”的分布特征（圖2a）；另一方面，電解液常規(guī)致動措施極難在大面積陰極面上形成大小相等的液流速度，這就導致或進一步加劇了電流密度分布的不均勻性。為此，綜合采用如下特殊措施來解決該問題：

（1）在陰極面正前方設置隨動式陰極屏蔽板。普遍認為，在陰極面正前方的適當位置設置含有通孔的固定電絕緣屏蔽板，能在一定程度上減小陰極面周邊過度集中的電流線，進而均化其分布 （圖2b）。由于本研究的陰極一直作周向大振幅等距平面移動，顯然，此時仍設置固定不動的陰極屏蔽板可能無法獲得很好的效果。為此，本文特別采用了與陰極同步運動的“隨動式陰極屏蔽板”來保障其作用效果（圖2c）。研究證實，采用中心開設有截面形狀與被沉積區(qū)域相似、且面積約為后者2/3的通孔的隨動式陰極屏蔽板，并合理選取屏蔽板與陰極面間、陰陽極間的距離，能獲得理想的工藝效果。

圖2 電場分布示意圖

（2）陰極作周向等振幅平面振動。采用振動式陰極是一種已被證實的簡單有效的電解液攪拌方式，與其他電解液致動方式（如空氣攪拌、自循環(huán)攪拌、磁場輔助等）相比，它更易在大面積陰極面上獲得相對均勻的流場分布。但現有常見的單一方向的移動方式極難實現理想的均勻化流場，為此，本文特別采用了周向等振幅（振幅根據需要可調）平面移動式陰極來解決這一難題[14]。研究表明，即使不施加額外的強制對流，這種周向等距的陰極移動方式也能滿足電沉積過程的傳質要求，且能在陰極面上獲得較均勻的流場。

2.2 機構設計

根據上述設計思路，研制的集成有陰極周向等距移動機構和陰極屏蔽機構的組件見圖3。其工作機理如下：驅動軸1在動力源（圖3未示）的驅動下帶動曲柄2及與其連接的連桿4旋轉，連桿帶動與其滾動聯接的掛桿7作以一定長度為半徑的平動，進而帶動固定連接于掛桿的陰極安裝板8作同步平動，最終帶動固定于陰極安裝板上的陰極9及陰極屏蔽板10作周向等距平面移動。因為陰極在電沉積過程中始終作周向等距平面移動，所以能在陰極面上各點獲得盡可能均勻的流場。考慮到不同工況的適應需求，設計的周向等距平面移動的轉速（頻率）和振幅都可調。

圖3 陰極周向等距移動機構和陰極屏蔽機構示意圖

在實際應用中，包含陰極屏蔽板、陰極等的陰極單元的幾何中心與質量重心很可能不重合，加上電解液攪拌力的不均勻性等因素，掛桿在工作時極難始終保持豎直姿態(tài)。為此，本文特別設計了防偏機構。其中，可相對于掛桿作水平移動的防偏橫梁6橫貫掛桿，且其兩端與固定于電鑄槽側壁的導軌固定板5上的可移動豎直導軌3滾動配合。這樣，掛桿在工作時就能始終保持豎直方向。此外，通過調節(jié)螺桿11可調整屏蔽板與陰極的間距，以便適用于不同的電沉積工況。

3 結語

為解決大平面電鑄層的不等厚問題，以在陰極面上獲得盡可能均勻的電場和流場分布為目標，研制了一種電鑄裝置。其中，陰極周向等距平面移動機構和隨動式陰極屏蔽板是核心部件。應用結果表明，該電鑄裝置能達到預期的效果。

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