專利名稱：一種金屬電沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種金屬電沉積方法。
背景技術(shù)：
金屬電沉積技術(shù)是在外加電場作用下利用電解質(zhì)中的金屬陽離子鍍覆沉積到陰極上的ー種加工方法。其原理是在電解質(zhì)溶液中由陽極和陰極構(gòu)成回路，在電場作用下，使陽極上的金屬失去電子以離子的形式不斷融入電解質(zhì)溶液，而同時金屬離子在陰極上得到電子以金屬原子形式不斷沉積析出的過程。金屬電沉積技術(shù)是增材加工技術(shù)，主要包括電鑄技術(shù)和電鍍技術(shù)等。電鑄技術(shù)是利用金屬離子在陰極芯模電沉積原理來獲取金屬零部件的ー種精密 制造技木。電鑄基本原理是根據(jù)需要加工的特定形狀制作出原模作為陰極，用電鑄材料作為陽極，一同放入與陽極材料相同的金屬鹽溶液中，通上電源，在電場作用下，原模表面逐漸沉積出金屬電鑄層，達(dá)到所需的厚度后從溶液中取出，將電鑄層與原模分離，便獲得與原模形狀相對應(yīng)的金屬復(fù)制件。電鑄的特點是成形的零件能夠非常精確地復(fù)制芯模形狀及其細(xì)微結(jié)構(gòu)，具有很高的形狀精度和尺寸精度。電鍍技術(shù)是ー種能夠改變材料的表面特性、改善材料外觀，使材料獲得耐腐蝕、耐磨損、抗高溫以及其他特殊性能的ー種加工方法。其原理是把需要表面處理的零件作為陰極，用電鍍材料作為陽極，一同放入與陽極材料相同的金屬鹽溶液中，通電后在電場作用下，在陰極零件的表面形成金屬或合金的沉積層。電鍍技術(shù)要求鍍層應(yīng)具有均勻、平整、致密和結(jié)合力良好的特點。近年來，電鍍技術(shù)已廣泛應(yīng)用到エ業(yè)生產(chǎn)和民用產(chǎn)品的各個領(lǐng)域中，電鍍不僅使產(chǎn)品表面外觀精美、手感舒適，而且更增加了產(chǎn)品表面的耐磨損性能和抗腐蝕性能等。傳統(tǒng)的金屬電沉積技術(shù)還存在ー些關(guān)鍵問題需加以改善，如電沉積層表面常出現(xiàn)針孔和結(jié)瘤、沉積層厚度不均勻、電沉積速度慢、材料性能差等。這些問題的存在會導(dǎo)致電沉積加工和表面處理零件的性能下降、電沉積生產(chǎn)效率降低，甚至生產(chǎn)被迫中止和零件報廢等，嚴(yán)重制約著金屬電沉積技術(shù)的發(fā)展。目前，人們嘗試了許多種改進(jìn)措施和方法，包括在電解液中添加有機(jī)添加剤、使用反向脈沖電流等。這些方法在一定程度上改善了電沉積加工零件表面質(zhì)量和材料性能，提高了電沉積層的厚度均勻性。但是，有機(jī)添加劑使用量少且檢測困難，在電沉積過程中往往夾雜在電沉積層中被不斷消耗，不僅使電解液維護(hù)困難，而且影響電沉積材料的純度和性能。另外，有機(jī)添加劑對生產(chǎn)人員會造成危害，又會造成環(huán)境污染。而反向脈沖電流會降低電流效率，影響電沉積速度。因此，有必要探索新的金屬電沉積方法和技術(shù)，以有效解決金屬電沉積技術(shù)實際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種金屬電沉積方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的金屬電沉積技術(shù)中出現(xiàn)的沉積層硬度低、致密性差、電沉積速度低的技術(shù)問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的金屬電沉積方法采用如下技術(shù)方案ー種金屬電沉積方法，在電沉積過程中，由陽極和陰極在電解液中形成電場，對電解液施加平行或垂直于電場方向的超聲波，并對電解液、陰極、陽極施加平行或垂直于電場方向的磁場與超聲波進(jìn)行協(xié)同作用；同時，對電解液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并且通過加熱系統(tǒng)使電解液的溫度保持穩(wěn)定，在陰極上電沉積金屬材料過程中，選擇超聲波的方向、頻率及功率和磁場的方向及磁場強度與電場的方向進(jìn)行如下幾種方案的匹配；其中，方案一，超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ;方案ニ,超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ;方案三,超聲波方向平行于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ; 方案四，超聲波方向平行于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. 0T。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中在電沉積過程中，對電解液施加平行或垂直于電場的超聲波，并對電解液和陰極、陽極施加平行或垂直于電場的磁場，這樣當(dāng)超聲波與磁場同時作用于ー區(qū)域內(nèi)的電解液時，由于超聲波的超聲空化作用、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)(聲波在傳播過程中其部分能量被媒質(zhì)吸收變成熱能)，與磁場對電解液的分散能力、覆蓋能力和磁流體力學(xué)效應(yīng)協(xié)同耦合，可増加對電解液的對流擾動和升溫作用，使得電解液中的金屬離子團(tuán)不斷被打碎，并使氧化還原反應(yīng)活化分子的比率急劇增大，反應(yīng)速度加快，從而提高沉積速度。同吋，超聲波的機(jī)械效應(yīng)和磁場的洛倫磁力可促進(jìn)氫氣在陰極上的脫附析出，降低氫氣析出的電位，使彌漫分布的金屬陽離子細(xì)晶強化、高密度位錯強化和彌漫強化等作用增強，可使電沉積層結(jié)構(gòu)致密、平整，增強電沉積層的結(jié)合力和耐磨性。另外，由于磁場的磁流體力學(xué)效應(yīng)(MHD)、超聲波效應(yīng)以及對電解液進(jìn)行機(jī)械攪拌和溫控都可促進(jìn)電極附近的離子傳輸，降低濃度差極化，使金屬陽離子微粒均勻、穩(wěn)定懸浮于電鍍液中，進(jìn)而使金屬沉積層表面更加平坦，晶粒細(xì)小，提高電沉積層的致密性和結(jié)合力，可有效消除電沉積層針孔和結(jié)瘤等缺陷，改善電沉積加工零件的質(zhì)量和零件表面處理的質(zhì)量。


圖I是本發(fā)明所提供電沉積方法所采用的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，在金屬電沉積加工吋，將陰極和陽極垂直放置在電解液中，然后將電源負(fù)極與陰極相連，將電源正極與陽極相連，在電沉積過程中，由陽極和陰極在電解液中形成電場，對電解液施加平行或垂直于電場方向的超聲波，并對電解液、陰極、陽極施加平行或垂直于電場方向的磁場與超聲波進(jìn)行協(xié)同作用；同時，對電解液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并且通過加熱系統(tǒng)使電解液的溫度保持穩(wěn)定，在陰極上電沉積金屬材料過程中，選擇超聲波的方向、頻率及功率和磁場的方向及磁場強度與電場的方向進(jìn)行如下幾種方案的匹配；其中，方案一，超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ;方案ニ,超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ;方案三,超聲波方向平行于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ;方案四，超聲波方向平行于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. 0T。上述方法的電沉積過程中，對電解液施加平行或垂直于電場方向的超聲波，超聲 波方向和電場方向之間存在垂直和平行兩種位置關(guān)系，同時對電解液和陰極、陽極施加平行或垂直于電場的磁，磁場方向和電場方向之間同樣存在平行和垂直兩種位置關(guān)系。排列組合后有四種匹配方案以適應(yīng)不同的實際エ況，同時調(diào)整超聲波和磁場的相關(guān)參數(shù)以滿足對不同材料零件的金屬電沉積加工。采用上述金屬電沉積技術(shù)加工方法，可提高電沉積效率，并制備出致密性高、鍍層厚度均勻且硬度高的電鑄零件或電鍍制品。以在不銹鋼板上電鍍鎳為例說明本方法效果。試驗中，在電鍍陰極為不銹鋼片(牌號2Crl3Mn9Ni4),陽極為電解鎳板,鎳板純度為99. 9%,陰、陽極平行且垂直放置于電沉積槽中，其面積之比為2 3，極間距為150mm。電源采用TPR3010H恒流穩(wěn)壓電源，配以78HW-1恒溫加熱磁力攪拌器進(jìn)行磁力攪拌。電解液組成為NiS04 · 6H20為300g/L，NiC12為10g/L，H3B03為40g/L，pH值為4. O。電沉積時電流密度為4A/dm2，超聲波頻率為45kHz且功率和方向可調(diào)，并對電解液施加平行或垂直的磁場，磁場強度可調(diào)。電解液溫度控制在45 50°C，電鍍時間為I小吋。試樣制作后測量鍍層厚度并在HV S-1000型數(shù)顯顯微硬度
計上測定鍍層材料的顯微硬度。其結(jié)果如下方案磁場強度超聲波功率電沉積速度鍍層硬度
(T)(W)(μ m/h)(HV)
O.515032346
匹配方案一0.820034340
O. 515032. 5315
匹配方案ニ0.820035330
O. 515032. 8282
匹配方案三0.820032. 5236
O.5150 —36350
匹配方案四0.820037.4325
常規(guī)電鍍//25. 5185
(無磁場和超聲場)再以在不銹鋼板上電鍍銅為例說明本方法效果。試驗中，電鍍陰極為不銹鋼片(牌號2Crl3Mn9Ni4),陽極為銅板,純度為99. 9%,陰、陽極平行且垂直放置于電沉積槽中，其面積之比為2 3，極間距為150mm。電源采用TPR3010H恒流穩(wěn)壓電源，配以78HW-1恒溫加熱磁力攪拌器進(jìn)行磁力攪拌。電解液組成的エ藝配方CuS04 · 5H20為250g/L，H2S04為50g/L，pH值為3. 2。電沉積時電流密度為4A/dm2，超聲波頻率為45kHz且功率和方向可調(diào)，并對電解液施加平行或垂直的磁場，磁場強度可調(diào)。電解液溫度控制在50 55°C，電鍍時間為I小吋。試樣制作后測量鍍層厚度并在HV S-1000型數(shù)顯顯微硬度計上測定鍍層材
料的顯微硬度。其結(jié)果如下磁場強度超聲波功率電沉積速度~ 鍍層硬度 (T)(W)(μ m/h)(HV)
0.412034. 5257
匹配方案一0.618033245
0.412036250
匹配萬案ニ0.618038252
0.412036. 5222
匹配方案三0.6180402620.412035207
匹配方案四0.618041.5238
常規(guī)電鍍/I26143
(無磁場和超聲場)上述兩例實驗結(jié)果可看出該方法和裝置的明顯效果。在對電沉積槽施加磁場和超聲場后，相比于常規(guī)電鍍來講，可以看到電沉積速度明顯較快，鍍層硬度也較高。如圖I所示，ー種用于實施上述金屬電沉積方法的金屬電沉積裝置的實施例，該實施例中的金屬電沉積裝置包括電沉積槽支架22，在電沉積槽支架上固定安裝有電沉積槽3，在電沉積槽3中加入電解液4，將陰極8與電源7的負(fù)極電連接，陽極5與電源7的正極相連接，然后將陰極和陽極并行放置在電沉積槽中并完全的浸沒在電解液中，在電解液中由陽極和陰極形成電場，在電沉積槽3的底部設(shè)置有在電沉積過程中用于攪拌電解液的攪拌器17。為控制電解液的溫度，在電沉積槽3中還設(shè)置有用于在電沉積過程中對電解液加熱的加熱系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)包括加熱器20、檢測電解液溫度的熱電偶19和用于根據(jù)熱電偶所檢測到的溫度控制加熱器工作時間的溫控裝置6。在電沉積槽3外側(cè)設(shè)置有在電沉積過程中向電解液施加平行或垂直于電解液中電場方向的超聲波的電聲換能器系統(tǒng)，電聲換能器系統(tǒng)包括設(shè)置在電沉積槽底部的槽底電聲換能器18和位于電沉積槽周向一側(cè)的槽側(cè)電聲換能器9,槽底電聲換能器和槽側(cè)電聲換能器均電連接有超聲波發(fā)生器15,超聲波發(fā)生器15與計算機(jī)11連接，同時槽底電聲換能器18和槽側(cè)電聲換能器9均電連接有用于控制兩者工作狀態(tài)以得到在電沉積過程中向電解液施加平行或垂直于電解液中電場方向的超聲波的超聲波控制器16，在電沉積過程中，根據(jù)實際エ況需要，由超聲波控制器根據(jù)計算機(jī)所發(fā)出的控制指令控制槽底電聲換能器工作以得到垂直于電場方向的超聲波或控制槽側(cè)電聲換能器工作以得到平行于電場方向的超聲波，且通過超聲波發(fā)生器來調(diào)整槽底電聲換能器或槽側(cè)電聲換能器所施加的超聲波的功率和頻率，優(yōu)選的，電聲換能器系統(tǒng)施加在電解液上的超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W。在電沉積槽3的外側(cè)還設(shè)置有用于在電沉積過程中向電解液施加平行或垂直于電解液中電場方向的磁場的N極磁極2和S極磁極10，N極磁極和S極磁極相對應(yīng)的分布在電沉積槽的兩側(cè)，本實施例中的N極磁極和S極磁極分別由兩個電磁線圈生成，電磁線圈與磁場控制器12連接，磁場控制器12與計算機(jī)11連接，根據(jù)實際エ況，由計算機(jī)輸出信號通過磁場控制器來調(diào)整N極磁極和S極磁極所施加的磁場強度大小，優(yōu)選的由N極磁極和S極磁極施加在電解液上的磁場強度B為O. 5 I. 0T。在電沉積槽3外側(cè)通過推力軸承21支撐有繞電沉積槽中心軸線轉(zhuǎn)動裝配的工作臺1，在工作臺I上位于電沉積槽兩側(cè)具有一承接部，所述的N極磁極和S極磁極分別對應(yīng)的固設(shè)在工作臺上兩承接部位置處，工作臺I通過工作臺控制器14由計算機(jī)11控制，當(dāng)計算機(jī)輸出轉(zhuǎn)動指令后，工作臺繞電沉積槽中心軸線轉(zhuǎn)動，帶動N極磁極和S極磁極轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)在電沉積過程中由N極磁極和S極磁極所施加在電解液及陰極和陽極上的磁場與電解液中的電場相垂直或平行。上述實施例中的電源通過直流電源控制器與計算機(jī)相連，這樣可以根據(jù)實際エ況需要，由直流或脈沖電源向電解液中的陰極和陽極供電并調(diào)整電場電流密度的大小。上述實施例中的超聲波控制具有選擇開關(guān)功能即可，即可以選擇槽底電聲換能器工作以使得施加在電解液中的超聲波與電解液中的電場相垂直，或者選擇槽側(cè)電聲換能器工作以使得施加在電解液中的超聲波與電解液中的電場相平行。 上述實施例中的N極磁極和S極磁極固設(shè)在可旋轉(zhuǎn)的工作臺上，由工作臺驅(qū)動N極磁極和S極磁極旋轉(zhuǎn),在其他實施例中，也可以通過懸吊圓盤將N極磁極和S極磁極懸吊在電沉積槽的外側(cè)，在懸吊圓盤上設(shè)置有繞電沉積槽布置的環(huán)形軌道，將N極磁極和S極磁極分別滑動裝配在環(huán)形軌道中，當(dāng)需要N極磁極和S極磁極所施加的磁場時，沿環(huán)形軌道移動N極磁極和S極磁極即可。上述實施例中的N極磁極和S極磁極固設(shè)在可旋轉(zhuǎn)的工作臺上，由工作臺驅(qū)動N極磁極和S極磁極旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)施加在電解液上的磁場方向變化。N極磁極和S極磁極各是ー個通電線圈的一端，在其他實施例中，可以設(shè)置四個線圈，將其中兩個線圈沿與電解液中電場方向并行布置組成第一組線圈，將另外兩個線圈沿與電解液中電場方向相垂直的方向布置組成第二組線圈，給第一組線圈通電，第一組線圈中的兩個線圈的朝向電沉積槽的一端分別為N極磁極和S極磁極，同樣的給第二組線圈通電，第二組線圈中的兩個線圈的朝向電沉積槽的一端分別為N極磁極和S極磁極，這樣通過分別給第一組線圈通電或給第二組線圈通電，從而得到平行或垂直于電場方向的磁場。使用上述的金屬電沉積裝置進(jìn)行電沉積加工時，將電解液4置于電沉積槽3中，采用可導(dǎo)電的材料(如不銹鋼、鋁合金等)加工而成的芯模作陰極或用需要表面處理的導(dǎo)電材料作為陰極8，采用含有電沉積陽離子的材料作為電沉積的陽極5，陰極和陽極平行放置在電沉積槽3中并完全浸沒在電解液4中，由電解槽3中的攪拌器17攪拌電解液以加速電解液的流動。由加熱系統(tǒng)中的加熱器20給電解液加熱，并由溫控裝置根據(jù)熱電偶19所輸出的檢測信號控制加熱器的工作時間以使得電解液保持穩(wěn)定的溫度。通過槽底電聲換能器18或槽側(cè)電聲換能器9向電解液施加超聲波，通過超聲波發(fā)生器15來調(diào)整超聲波的功率和頻率，并根據(jù)電沉積加工情況通過超聲波控制器16選擇施加在電解液中的超聲波的方向和功率，同時，由N極磁極和S極磁極向電解液及陽極和陰極施加磁場，此處的磁場是通過計算機(jī)11控制磁場控制器12來調(diào)控磁場強度的，并通過計算機(jī)11控制工作臺I繞電沉積槽中心軸線旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)磁場方向與電場方向的平行或垂直以適應(yīng)不同情況的電沉積加工，使得由N極磁極和S極磁極所施加的磁場能沿水平或垂直方向作用于電沉積陰極表面附近電解液的某一區(qū)域。電沉積時，用直流或脈沖電源通電，通過超聲波和磁場的協(xié)同作用增強電解液的空化效應(yīng)、擾動效應(yīng)，提聞電沉積的速度，改菩晶體生長，獲得晶粒細(xì)化的電沉積層，降低氫氣在陰極上析出電位，減少電沉積層的針孔和結(jié)瘤缺陷。當(dāng)電沉積層達(dá)到規(guī)定厚度后，切斷電源，停止電沉積，將芯模取出，清洗干燥后，分離出電鑄零件，或者從陰極上取下表面處理的電鍍エ件 。整個電沉積加工過程完成。
權(quán)利要求
1.ー種金屬電沉積方法，其特征在于在電沉積過程中，由陽極和陰極在電解液中形成電場，對電解液施加平行或垂直于電場方向的超聲波，并對電解液、陰極、陽極施加平行或垂直于電場方向的磁場與超聲波進(jìn)行協(xié)同作用；同時，對電解液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并且通過加熱系統(tǒng)使電解液的溫度保持穩(wěn)定，在陰極上電沉積金屬材料過程中，選擇超聲波的方向、頻率及功率和磁場的方向及磁場強度與電場的方向進(jìn)行如下幾種方案的匹配； 其中，方案一，超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz，超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ; 方案ニ，超聲波方向垂直于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz,超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ; 方案三，超聲波方向平行于電場方向，磁場方向平行于電場方向，超聲波頻率為45kHz,超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. OT ; 方案四，超聲波方向平行于電場方向，磁場方向垂直于電場方向，超聲波頻率為45kHz,超聲波功率為120 300W，磁場強度B為O. 5 I. 0T。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬電沉積方法，在電沉積過程中，由陽極和陰極在電解液中形成電場，對電解液施加平行或垂直于電場方向的超聲波，并對電解液、陰極、陽極施加平行或垂直于電場方向的磁場與超聲波進(jìn)行協(xié)同作用；同時，對電解液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并且通過加熱系統(tǒng)使電解液的溫度保持穩(wěn)定，在陰極上電沉積金屬材料過程中，選擇超聲波的方向、頻率及功率和磁場的方向及磁場強度與電場的方向進(jìn)行如下幾種方案的匹配。在陰極上電沉積金屬材料過程中，選擇超聲波的方向及功率與磁場的方向及強度進(jìn)行協(xié)同耦合共同作用于電解液，以提高電沉積的速度和致密度。
文檔編號C25D21/00GK102677138SQ20111043869
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者劉紅彬, 李倫, 李濟(jì)順, 段明德, 薛玉君, 隋新, 韓紅彪 申請人:河南科技大學(xué)