一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，目的在于解決目前對管狀工件內(nèi)表面進行電化學處理時，普遍存在無法制備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，該方法包括如下步驟：將對電極插入管狀工件內(nèi)，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。本發(fā)明能有效解決前述問題，在管狀工件內(nèi)表面制備出均勻性較好的鍍層，鍍層的均勻性得到了顯著提高。同時，本發(fā)明操作簡單，對設(shè)備的要求低，成本低，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要。同時，通過控制相對移動速度、設(shè)置輔助管道、多個對電極串聯(lián)等措施，使得鍍層的均勻性進一步提高，還能滿足超長管狀工件鍍層的制備需求。
【專利說明】—種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學領(lǐng)域，尤其是表面電化學處理的方法，具體為一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率輸入耦合器的外導體采用316L不銹鋼管內(nèi)壁，該316L不銹鋼管內(nèi)壁需要鍍制均勻無 氧銅鍍層，以滿足其進一步提高超導腔高功率輸入耦合器功率傳輸水平的需求。對于長徑比大于3的金屬管道或零部件中的通孔內(nèi)表面而言，常規(guī)的電鍍、電解等電化學處理方法由于電流密度分布不均，不能制備出厚度均勻的鍍層或均勻電化學處理，甚至會出現(xiàn)管道或通孔中央沒有鍍層或不能進行電化學處理的問題，因而長徑比越大的管道或通孔內(nèi)表面均勻處理越困難。而前述高功率輸入耦合器的316L不銹鋼管，其長徑比高達11以上，常規(guī)的電鍍方法難以在不銹鋼管內(nèi)壁鍍制均勻無氧銅鍍層。
[0003]在電池殼、發(fā)動機氣缸、滑動軸承外圈、軍事上用的槍炮管、傳輸石油或其它化工產(chǎn)品的管路等的制造過程中，常需要對對管道的內(nèi)表面進行電化學處理，從而制備出相應(yīng)的鍍層?！侗砻婀こ藤Y訊》2006年第5期中“電池殼電沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢”一文中，對電池殼這種管道零件的電鍍所存在的問題進行了闡述:目前常見的方法是對電鍍?nèi)芤旱呐浞竭M行調(diào)整，提高鍍液的深鍍能力和分散能力，改善鍍層厚度的均勻性；其次，是對鍍層進行進一步后處理，在一定程度上改善較薄鍍層的性能。然而，這些措施并不能徹底解決鍍層厚度不均所帶來的問題，因此，改善這種管道零件內(nèi)表面電化學處理的均勻性，仍然是研究的方向。管狀工件內(nèi)表面真空鍍膜方法的研究進展(《真空》2012年第I期，韓永超等)一文中，介紹了常見的管道內(nèi)表面真空鍍膜技術(shù)。然而，真空鍍膜設(shè)備投入大，生產(chǎn)成本高，且同樣存在鍍層厚度均勻性差的問題。
[0004]綜上，目前對管狀工件內(nèi)表面進行電化學處理時，普遍存在無法制備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，因此，迫切需要一種新的方法，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對目前對管狀工件內(nèi)表面進行電化學處理時，普遍存在無法制備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，提供一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法。本發(fā)明能有效解決前述問題，在管狀工件內(nèi)表面制備出均勻性較好的鍍層，鍍層的均勻性得到了顯著提高。同時，本發(fā)明操作簡單，對設(shè)備的要求低，投資小，工件處理成本低，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。同時，本發(fā)明通過控制相對移動速度、設(shè)置輔助管道、多個對電極串聯(lián)等措施，使得鍍層的均勻性進一步提高，還能滿足超長管狀工件鍍層的制備需求。實驗表明:通過控制相對移動速度按拋物線函數(shù)變化做變速移動，目標管狀工件內(nèi)表面電化學處理的均勻性可達93%以上，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，將對電極插入管狀工件內(nèi)，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
[0007]在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動。
[0008]在電化學處理過程中，對電極靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。
[0009]在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。
[0010]在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。
[0011]對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定:
(1)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布； (2)根據(jù)步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率系數(shù)方程，從而得到管狀工件內(nèi)部不同位置的變速往復相對運動速率。
[0012]對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定:
(a)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布；
(b)根據(jù)步驟a中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率系數(shù)方程，對對電極在管狀工件內(nèi)不同位置變速往復相對運動速率系數(shù)取倒數(shù)，得對電極通過管狀工件不同位置的時間系數(shù)，根據(jù)時間系數(shù)可確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
[0013]所述管狀工件的兩端分別設(shè)置有輔助管道。
[0014]所述輔助管道的內(nèi)徑與管狀工件的內(nèi)徑相等。
[0015]所述對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
[0016]進一步，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯(lián)，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，完成超長管狀工件內(nèi)表面的電化學處理。
[0017]針對前述問題，本發(fā)明提供一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，該方法以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，提供一種全新的處理方法，該方法采用現(xiàn)有設(shè)備，無需采用真空設(shè)備，具有設(shè)備成本低、投入小的優(yōu)點，同時采用本發(fā)明制備的鍍層，其厚度均勻性較好，生產(chǎn)成本低，能夠用于電池殼、發(fā)動機氣缸、滑動軸承外圈、軍事上用的槍炮管、傳輸石油或其它化工產(chǎn)品的管路等管狀工件內(nèi)表面電化學處理，滿足大規(guī)模、工業(yè)化應(yīng)用的需求。
[0018]該方法將對電極插入管狀工件內(nèi)，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。本發(fā)明以管狀工件的軸線作為運動方向，通過對電極和管狀工件的相對運動，有效改善管狀工件內(nèi)表面鍍層厚度的均勻性。通過后述實施例可以看出，采用本發(fā)明能夠優(yōu)化管狀工件內(nèi)表面的電流密度分布，進而改善相應(yīng)鍍層的厚度。采用本發(fā)明有效解決了采用現(xiàn)有方法存在的內(nèi)表面鍍層厚度不均勻的問題，所制備的鍍層均勻性得到了顯著改善。對電極和管狀工件作相對運動的方式包括幾種，其中兩種如下:在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動；或?qū)﹄姌O靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。通過實施例可以看出，采用上述方式，能夠有效改善管狀工件內(nèi)表面鍍層厚度分布的均勻性。
[0019]進一步，對電極或管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。通過實施例3、4，可以看出，所制備的管狀工件兩側(cè)、中部的厚度均得到了明顯的改善，厚度均勻性較現(xiàn)有技術(shù)具有顯著的進步。
[0020]進一步，對電極或管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。本發(fā)明采用變速運動，可以更好地調(diào)整管狀工件內(nèi)表面的鍍層厚度均勻性。同時，本發(fā)明給出了兩種確定變速運動速度的方法:通過確定管狀工件內(nèi)部不同位置的變速往復相對運動速率或通過不同位置所需的時間，來完成變速運動。以管狀工件靜止，對電極移動為例，通過本發(fā)明的方法，確定對電極通過管狀工件不同位置的速度或?qū)﹄姌O通過管狀工件不同位置所需的時間，完成管狀工件的變速運動。其中，變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定:
(I)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布；(2)根據(jù)步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率系數(shù)方程，從而得到管狀工件內(nèi)部不同位置的變速往復相對運動速率。對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定:(1)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復 相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布；(2)根據(jù)步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率系數(shù)方程，對對電極在管狀工件內(nèi)不同位置變速往復相對運動速率系數(shù)取倒數(shù)，得對電極通過管狀工件不同位置的時間系數(shù)，根據(jù)時間系數(shù)可確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
[0021]本發(fā)明通過控制移動速度，按拋物線函數(shù)變化，進一步提高目標管道內(nèi)表面電化學處理的均勻性。
[0022]進一步，通過實施例4可以看出，本發(fā)明通過在在目標管道的兩端增加輔助端管(即輔助管道)，能進一步提高目標管狀工件內(nèi)表面電化學處理的均勻性。實驗結(jié)果也表明，與未添加輔助管道時相比，目標管狀工件的厚度均勻性得到進一步提高。進一步，輔助管道分別設(shè)置在管狀工件的兩端。更優(yōu)選地，輔助管道的內(nèi)徑與管狀工件的內(nèi)徑相等。
[0023]本發(fā)明中的對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。進一步，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯(lián)，采用對電極串聯(lián)分段、同時進行超長管狀工件的均勻化電化學處理，可滿足長管狀工件以及超長管狀工件的電化學處理需求。本發(fā)明的管狀工件可為金屬(或金屬化處理后的)管道、通孔，即本發(fā)明的方法能夠用于金屬(或金屬化處理后的)管道、通孔內(nèi)表面均勻電化學處理。本發(fā)明中的電化學處理包括電鍍、電泳涂覆、陽極氧化、電解處理等方式。
[0024]綜上所述，本發(fā)明將對電極插入管狀工件內(nèi)，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極，通過對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，使得電化學處理過程中的電流密度分布的不均勻性隨著相對軸向移動而在管狀工件內(nèi)表面移動，管狀工件內(nèi)表面的電流密度分布因掃描疊加作用而總體趨于均勻。通過在管狀工件的兩端添加輔助管道，將電化學處理過程中管狀工件兩端的不均勻性部分轉(zhuǎn)移到輔助管道，可以進一步提高目標管狀工件內(nèi)表面的電化學處理均勻性。實驗表明:通過控制相對移動速度按拋物線函數(shù)變化做變速移動，目標管狀工件內(nèi)表面電化學處理的均勻性可達93%以上。對于超長管道，通過多個對電極串聯(lián)來分段、同時進行均勻電化學處理，能夠滿足超長管狀工件內(nèi)表面處理的需要，其電化學處理具有良好的均勻性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1為實施例1的計算模型圖。
[0026]圖2為實施例1的電流密度分布圖。
[0027]圖3為實施例 1的歸一化電流密度分布圖。
[0028]圖4為實施例2的計算模型圖。
[0029]圖5為實施例2的電流密度分布圖。
[0030]圖6為實施例2的歸一化電流密度分布圖。
[0031]圖7為實施例3的計算模型圖。
[0032]圖8為實施例3的電流密度分布圖。
[0033]圖9為實施例3的歸一化電流密度分布圖。
[0034]圖10為實施例4的計算模型圖。
[0035]圖11為實施例4的電流密度分布圖。
[0036]圖12為實施例4的歸一化電流密度分布圖。
[0037]圖13為實施例5中，移動過程中，陽極在管道內(nèi)不同位置的移動速度系數(shù)曲線圖。
[0038]圖14為實施例5中，移動過程中，陽極通過管道內(nèi)不同位置的時間系數(shù)曲線圖。
[0039]圖15為實施例5中歸一化鍍層厚度分布圖。
[0040]圖16為實驗驗證中制備管件的部分剖視圖。
[0041]圖17為圖16中部分I的微觀金相圖。
[0042]圖18為圖16中部分II的微觀金相圖。
[0043]圖19為圖16中部分III的微觀金相圖。
[0044]圖20為對實驗驗證中制備管件不同位置鍍層厚度分布的測量結(jié)果分布圖?！揪唧w實施方式】
[0045]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0046]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其它等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0047]下述實施例通過計算軟件以管道內(nèi)表面電鍍銅為例，進行2D模擬計算。其中，實施例1、實施例2為常規(guī)電鍍技術(shù)，實施例3、實施例4、實施例5為本發(fā)明的內(nèi)容，換言之，實施例1、2為對比實施例，實施例3、4、5為本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0048]對于管狀工件內(nèi)表面電鍍，其均勻性取決于陽極的布置，這種幾何因素決定了電鍍過程中的一次電流密度分布。同時電極表面由于外加電流密度的流過而引起電極極化，從而帶來二次電流密度分布。在電鍍過程中，電鍍液在空氣攪拌作用下，離子遷移與流動充分，其濃差極化引起的三次電流密度分布可以忽略。計算模型中綜合考慮一次和二次電流密度分布進行計算。在相同的時間內(nèi)，鍍層厚度與電流密度成正比，電流密度的均勻性直接反映出鍍層厚度的均勻性。
[0049]模型中目標管道長20cm，內(nèi)徑2cm，長徑比為10，管道外表面做絕緣處理。
[0050]鍍液體系:硫酸一硫酸銅鍍液；
陽極反應(yīng):Cu — 2e — Cu2+ ；
陰極反應(yīng):Cu2+ +2e — Cu ；
電極反應(yīng)動力學Butler-Volmer方程如下:
【權(quán)利要求】
1.一種管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，將對電極插入管狀工件內(nèi)，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，在電化學處理過程中，對電極靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法,其特征在于,對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定: (1)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布； (2)根據(jù)步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率系數(shù)方程，從而得到管狀工件內(nèi)部不同位置的變速往復相對運動速率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法,其特征在于,對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定: Ca)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內(nèi)部的歸一化電流密度分布； (b)根據(jù)步驟a中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率系數(shù)方程，對對電極在管狀工件內(nèi)不同位置變速往復相對運動速率系數(shù)取倒數(shù)，得對電極通過管狀工件不同位置的時間系數(shù)，根據(jù)時間系數(shù)確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，所述管狀工件的管端設(shè)置有輔助管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，所述對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的管狀工件內(nèi)表面均勻電化學處理方法，其特征在于，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯(lián)，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，完成超長管狀工件內(nèi)表面的電化學處理。
【文檔編號】C25D5/04GK103924270SQ201410155778
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】王慶富, 陳林, 法濤, 黃煌, 王曉紅 申請人:四川材料與工藝研究所