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.山東農業大學 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，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的發展，電鑄在我國工業發展中的地位不斷提高，并成功研制出一批高科技零件，如：液體火箭發動機噴管、破甲藥型罩、微機械零件等。但是傳統電鑄技術也存在著一定的缺點和局限性，如：鑄層質量不穩定，易出現麻點、針孔、積瘤等缺陷，鑄層成分不均勻，甚至會使鑄件產生畸形等。這些因素制約著電鑄技術的提高和應用［1-3］。

傳質是電極過程中的重要步驟。標準情況下的傳質過程是由于電解質溶液中存在濃度、溫度等差異而引起的溶液內物質的流動，這種情況下的流動速率是非常緩慢的。在發生電極反應時，很快會在陰極區內造成反應離子的缺失，陰極區域發生濃差極化現象。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離子的濃度趨近為零，這時就會發生完全濃差極化，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，則會發生析氫等化學反應，從而使陰極電流效率降低，進而影響電鑄層的質量，降低電鑄速率。情況嚴重時，陰極會大量析氫，造成電鑄層產生針孔、麻點、起泡甚至燒焦等現象，還可能使電鑄層發生氫脆，大大降低其機械性能。

由于極限電流密度的限制，使得常規電鑄普遍存在速率低、生產周期長等問題，這些因素大大制約著電鑄技術的發展及應用。因此，要提高電鑄速率，必須設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速率。在電鑄生產和實驗中，常采用攪拌的方法。攪拌可以增加電鑄液的流動，增大反應物或產物的傳質速率，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，在高電流密度區很容易發生電鑄層粗糙甚至出現燒焦現象。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。

本文設計了一種平動量和平動速率可調的新型平動機構。將其用于電鑄陰極的大平動量、高速平動運動，可實現復雜零件的高速率、高質量精密電鑄制造。

1 平動機構結構設計及工作原理

電鑄陰極平動機構原理示意圖，如圖1所示。此平動機構采用齒輪傳動，主要是基于以下優點：（1）效率高；（2）機構緊湊，一般情況下所需要的空間較小；（3）工作可靠、壽命長；（4）傳動比穩定，這是對傳動性能的基本要求［6］。平動機構包括支撐殼體、調速電機、主動齒輪、過渡齒輪、從動齒輪、齒輪軸承、平動輸出板、調節滑塊、偏心調節螺栓等。

圖1 電鑄陰極平動機構原理示意圖

平動機構的工作原理：將電鑄陰極與平動輸出板連接，同時調節主動齒輪和從動齒輪上的偏心調節螺栓，設定平動量；啟動調速電機，設定轉速，驅動主動齒輪旋轉，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，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面底部進入，從相對的側面上部流出。電鑄溶液在儲液槽內由加熱管加熱并由磁力泵進行循環供液，保證溶液溫度恒定和液面穩定［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，然后進行后續檢測。

2.3 實驗結果

2.3.1 表面質量

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量，能在一定程度上消除針孔、麻點等傳統電鑄缺陷。實驗中還發現：在陰極靜止的條件下，當電流密度達到4A／dm2時，電鑄層的表面質量急劇下降，發脆并引起翹皮脫落；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。根據細晶強化理論，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系。材料的顯微硬度與晶粒直徑成幾何倍數的反比關系，即：所得晶粒越細，材料的顯微硬度越高［9-10］。

3 結論

（1）設計的新型平動機構實現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速率和極限電流密度，進一步拓寬電鑄技術的應用條件。

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