薄壁無縫金屬管電鑄均勻性研究*

閆 亮，趙小康，張華錦，范俊鍇

(1.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454003；2.惠州億緯鋰能股份有限公司，廣東 惠州 516000)

0 引言

超薄無縫金屬管指直徑與壁厚比大于100、壁厚在幾微米到幾十微米的無縫管材，性能優(yōu)異的精密薄壁無縫金屬管器件廣泛應用于航空航天、國防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學以及能源工程等高新技術領域。當前超薄無縫金屬管的制造技術主要有焊接成型、旋壓成型和電鑄成型[1-3]等，電鑄成型技術因其具有工藝溫度低、成形(復制)精度高、材料適用窗口大、易于操作等優(yōu)勢而成為目前的主要加工支撐技術，并且電鑄金屬管的內(nèi)徑與管壁厚度沒有相關性。但在電鑄過程中，電鑄層受“邊緣效應”影響，其厚度往往呈兩端厚中間薄的“凹”字型分布特征。工業(yè)生產(chǎn)中常采用激光切割去除金屬管兩端較厚部分的方式來獲取相對均勻的中間部分，這樣不僅增加了生產(chǎn)成本，同時也造成了資源的浪費。隨著電鑄技術水平的提高，業(yè)界常常通過借助輔助電極[4，5]、攪拌[6]、施加電流屏蔽物[7，8]、借助兆聲震動[9]等方法，使陰極表面協(xié)同達到流場穩(wěn)定和電場均勻分布的狀態(tài)，以獲取厚度分布較均勻的電鑄層，但研究多為平面類電鑄件。而薄壁無縫金屬管屬于閉環(huán)式曲面電鑄件，較平面類電鑄件而言，其電鑄加工更困難，尤其是獲得電鑄層厚度均勻性和表面質(zhì)量皆好的薄壁無縫金屬管更具挑戰(zhàn)性。

為此，本文針對薄壁無縫金屬管電鑄厚度均勻性問題，提出一種“陰極旋轉(zhuǎn)+上下往復運動+貼面柔性掃刷”多作用協(xié)同電鑄技術，探討了陰陽極間距、陰極上下往復行程及貼面柔性掃刷對電鑄層厚度分布特性的影響，并進行了參數(shù)優(yōu)選。

1 多作用協(xié)同技術原理

“陰極旋轉(zhuǎn)+上下往復運動+貼面柔性掃刷”多作用協(xié)同無縫金屬管電鑄技術依托于本課題組所開發(fā)的電沉積薄壁無縫圓管裝置[10]實現(xiàn)，如圖1所示。貼面柔性掃刷包括柔性刷條和柔性纖毛，其中柔性刷條固定不動，柔性纖毛壓貼在陰極(圓柱狀)表面，貼面柔性掃刷的作用通過柔性纖毛與陰極的相對運動來實現(xiàn)。陰極可同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動及上下往復直線運動，當其做旋轉(zhuǎn)運動時，柔性纖毛對近陰極面的液層形成強烈的攪拌作用，能夠大幅度減薄擴散層的厚度，并能夠有效地去除或驅(qū)離電鑄過程中在陰極面上所產(chǎn)生的氣泡；當其做上下往復直線運動時，柔性纖毛對陰極表面產(chǎn)生刮擦作用,更有利于加強近陰極面液層的攪拌作用與均勻化,且能均勻化陰極面的電場分布。通過此兩種作用的協(xié)同,可在陰極面形成更加均勻分布的流場和電場,且陰極面液層對流運動劇烈,為薄壁無縫圓管的高速均勻性電沉積創(chuàng)造了利好條件。

圖1 電鑄裝置三維結(jié)構示意圖 圖2 電鑄層厚度測量點分布圖

2 實驗方法

2.1 實驗用主要裝置及工藝參數(shù)

陽極采用純度為99.99%的可溶性鎳板，其尺寸為300 mm×50 mm×10 mm；陰極采用鈦棒，其長度為240 mm、直徑為30 mm；柔性纖毛選擇耐酸堿腐蝕、彈性較好的PA(尼龍)材質(zhì)，纖毛與陰極接觸過盈量為10 mm。此外，為減少濃度差極化，提高沉積速度，采用對稱布置的雙鎳陽極。陰、陽極間距為20 mm～45 mm可調(diào)，陰極上下行程為0 mm～350 mm可調(diào)，陰極往復移動速度為20 mm/s，陰極轉(zhuǎn)速范圍為0 r/min～90 r/min。

電鑄液選用氨基磺酸鎳電解液體系，其組分及工藝參數(shù)為：氨基磺酸鎳[Ni(SO3NH2)2·4H2O]360 g/L，氯化鎳(NiCl2.6H2O)10 g/L，硼酸(H3BO3)30 g/L，pH 4.0～pH 4.3，溫度為55 ℃，陰極面電流密度為2 A/dm2。

2.2 電鑄層厚度測量和分布均勻性表征

電鑄層厚度通過日本三豐0～25 mm電子數(shù)顯千分尺(精度1 μm)測量。為了更好地評價電鑄層厚度的均勻分布特性，在電鑄層圓周方向每間隔90 °選取一個測量點，且每一測量點豎直方向的間距除兩端為5 mm外，其余間隔均為10 mm，如圖2所示，并且每個測量點測3次厚度，取其平均值。用參數(shù)μ來表征電鑄層的厚度分布均勻性，其值按照式(1)計算：

(1)

其中：Lc為電鑄層總長度；lc為均勻電鑄層厚度的線長度(即測量點厚度平均值相差小于±0.5 μm的電鑄層長度)。μ值越大，表示電鑄層厚度分布越均勻。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 陰陽極間距對電鑄層厚度分布特性的影響

圖3為陰極上下往復行程S=0 mm，不同陰陽極間距A對電鑄層厚度分布特性的影響規(guī)律。由圖3可知，電鑄層均呈現(xiàn)出中心薄兩端厚的“U”形分布特征，此特征隨著陰陽極間距變大，先變緩后增大，且電鑄層上端區(qū)域厚度略大于下端區(qū)域厚度。其主要原因為：A=20 mm時，陰陽極間距過小導致電鑄層兩端“尖端效應”明顯，使電鑄層兩端區(qū)域電場線分布集中，中間分布稀少，導致電鑄層均呈現(xiàn)出中心薄兩端厚的“U”形分布特征，此外，由于鈦制陰極芯模自身的電阻，電鑄時沿芯模軸線方向上有一定的電勢降，導致電鑄層上端區(qū)域厚度比下端區(qū)域厚度偏大；A=30 mm時，陰陽極之間的電鑄液增多，電勢降增大，降低了陰極極化程度，弱化了“尖端效應”，致使陽極發(fā)散到電鑄層中心區(qū)域的電場線相對增多，從而使電鑄層中心薄兩端厚的“U”形分布程度變緩，μ為62.5%，達最大值；A=40 mm時，電勢降進一步加大，但電鑄層兩端電場線分布密集，電鑄層中心薄兩端厚的“U”分布程度又由緩變強。

圖3 不同陰陽極間距時所得電鑄層的厚度分布

3.2 陰極上下往復行程對電鑄層厚度分布特性的影響

圖4為陰陽極間距A=30 mm和陰極運動速度不變時，陰極上下往復行程S對電鑄層厚度分布特性的影響規(guī)律。由圖4可知，相較于陰極只做旋轉(zhuǎn)運動時，電鑄層厚度均勻性均有一定提高，隨著S的增大，μ先增大后減小(S=100 mm時，μ=79.2%；S=120 mm時，μ=91.6%；S=130 mm時，μ=84%；S=150 mm時，μ=75%)。分析其主要原因為：當S=50 mm時，陰極幾何中心在陽極幾何中心區(qū)域運動，陰極兩端處于陽極端部區(qū)域，使得電鑄層兩端接收了陽極兩端發(fā)出的絕大部分電場線，電鑄層中心區(qū)域起不到有效分散電場的作用，故電鑄層中心薄兩端厚的“U”形分布程度較大；隨著S的增大，陰極中心可運動至陽極端部區(qū)域附近，故增加了陰極中心區(qū)域電鑄層在陽極端部區(qū)域的電鑄時間，使電鑄層中心區(qū)域厚度增加，縮小了陰極中心區(qū)域電鑄層與兩端電鑄層的厚度差，當S=150 mm時，陰極中心能夠與陽極各處正對，陰極中心區(qū)域在陽極端部電鑄的時間更長，縮小了陰極中心區(qū)域電鑄層與兩端電鑄層的厚度差，但由于陰極兩端相距陽極較遠時，使得本應到達電鑄層邊緣區(qū)域的電場線被其兩端端部接收，使電鑄層呈現(xiàn)出中間及兩端厚、邊緣薄的“W”形分布。這表明S過大，會導致電鑄層厚度分布不均。

圖4 不同陰極上下往復行程時所得電鑄層的厚度分布

3.3 柔性掃刷對電鑄層表面質(zhì)量的影響

圖5為柔性掃刷對電鑄層表面質(zhì)量的影響。由圖5可知：無貼面柔性掃刷時電鑄層表面呈灰色并伴有許多細小凹坑，使其表面變得凹凸不平，嚴重影響了其光整性；而在有貼面柔性掃刷作用下，可以獲得厚度均勻且表面平整光亮的電鑄層。其主要原因為：電鑄過程中電鑄層表面伴隨有氫氣的析出或雜質(zhì)的吸附，貼面柔性掃刷一方面可對電鑄層表面擠壓摩擦，能及時有效地掃除電鑄層表面吸附的氣泡和雜質(zhì)，消除針孔與結(jié)瘤產(chǎn)生的條件；另一方面還可以屏蔽離子還原層相差位，使缺失的還原離子層空缺位得以放電填充，并產(chǎn)生了一定機械活化作用，從而提高了電鑄層厚度均勻性和致密性，使電鑄層平整光亮。

圖5 柔性掃刷對電鑄層表面質(zhì)量的影響

4 結(jié)論

針對薄壁無縫金屬管均勻性電鑄的需求，提出了一種“陰極旋轉(zhuǎn)+上下往復運動+貼面柔性掃刷”多作用協(xié)同電鑄技術，并進行了實驗研究。研究結(jié)果如下：

(1)“陰極旋轉(zhuǎn)+上下往復運動+貼面柔性掃刷”多作用協(xié)同無縫金屬管電鑄技術能有效提高電鑄層厚度分布均勻性。

(2)陰陽極間距及陰極上下往復行程對電鑄層厚度分布均勻性有顯著的影響。優(yōu)化參數(shù)(陰陽極間距A=30 mm，陰極上下往復行程S=120 mm)下所得電鑄層(內(nèi)徑30 mm，長240 mm，厚48 μm)的厚度分布均勻性為91.6%。

(3)貼面柔性掃刷能及時有效地掃除電鑄表面吸附的氣泡及雜質(zhì)，并能產(chǎn)生一定的活化作用，使晶粒得到細化，電鑄層變得平整光亮。