基于陰極高速平動的電鑄實驗研究

王 東， 朱增偉， 董平和， 劉明明

（1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京210016；2.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，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行零件的成形加工。因此，電鑄具有很高的復制精度和重復精度。隨著社會的進步和科學技術(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)動機噴管、破甲藥型罩、微機械零件等。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，甚至會使鑄件產(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。標準情況下的傳質(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，當陰極電流密度越大，溶液中金屬離子的擴散速率越慢時，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，濃差極化就越嚴重。如果金屬離子的擴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)生析氫等化學反應(yīng)，從而使陰極電流效率降低，進而影響電鑄層的質(zhì)量，降低電鑄速率。情況嚴重時，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)復雜零件的高速率、高質(zhì)量精密電鑄制造。

1 平動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

電鑄陰極平動機構(gòu)原理示意圖，如圖1所示。此平動機構(gòu)采用齒輪傳動，主要是基于以下優(yōu)點：（1）效率高；（2）機構(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］。平動機構(gòu)包括支撐殼體、調(diào)速電機、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 電鑄陰極平動機構(gòu)原理示意圖

平動機構(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，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，當電流密度達到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。分析認為：在陰極高速平動電鑄過程中，陰極高速平動相當于電鑄液持續(xù)不斷地沖刷陰極表面，從而細化了鑄層晶粒，并影響了晶粒的生長形態(tài)。根據(jù)細晶強化理論，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，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.

［2］張文峰.電鑄技術(shù)的研究進展［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（4）：45-46.

［3］ZHU D，QU N S，CHAN K C.Development of joint electroforming technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，63（1）：844-847.

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

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

［6］濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［7］黃錫愷，鄭文緯.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，1989.

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

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

［10］朱增偉，朱荻.硬質(zhì)粒子擾動對電鑄銅微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2006，16（9）：1 558-1 562.