基于游離微珠摩擦輔助的陰極復(fù)合運(yùn)動(dòng)電鑄裝置的設(shè)計(jì) 及試驗(yàn)研究

尹冠華，任建華，姚傳慧，王兆新

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

電鑄是采用可導(dǎo)電的芯模作為陰極，電沉積獲得型面與型芯凹凸相反的電鑄模具型腔零件[1]。與其他金屬加工工藝相比，電鑄具有復(fù)制精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來電鑄技術(shù)發(fā)展非常迅速，被廣泛應(yīng)用于制造大型結(jié)構(gòu)件、精密模具、特殊結(jié)構(gòu)件[3]等。

傳統(tǒng)電鑄工藝存在以下問題：（1）因無法避免析氫，鑄層容易出現(xiàn)針孔、麻點(diǎn)等缺陷；（2）因電鑄過程中形成的晶粒粗大以及受部分雜質(zhì)的影響，鑄層表面容易產(chǎn)生結(jié)瘤，厚度分布不均；（3）電沉積速率較低。傳統(tǒng)的電鑄加工設(shè)備主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)陰極芯模的移動(dòng)，陰極的移動(dòng)方式有平動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等。平動(dòng)能夠增強(qiáng)對(duì)電解液的攪拌作用，但陰極表面的溶液流動(dòng)性較差。轉(zhuǎn)動(dòng)可以增強(qiáng)陰極表面的溶液流動(dòng)性，但對(duì)電解液的攪拌作用較弱?？梢?，單純平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的電鑄設(shè)備對(duì)于具有復(fù)雜輪廓線的零件電鑄，效果并不理想。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)的電鑄加工裝置，去除電鑄層的針孔、麻點(diǎn)、結(jié)瘤等缺陷，從而獲得高質(zhì)量的電鑄層，成為電鑄領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

李慧娟等人[4]針對(duì)面積較大或較重的平面陰極基體的電鑄，提出了一種具有平動(dòng)攪拌功能的電鑄裝置，所制備的電鑄層平整光亮，無針孔、麻點(diǎn)等缺陷，厚度分布均勻。章勇等人[5]提出了一種柔性摩擦輔助電鑄技術(shù)，在電鑄過程中借助柔性毛刷對(duì)陰極表面的摩擦作用去除氣泡、結(jié)瘤，得到結(jié)晶細(xì)致、顯微硬度高的鑄層。呂輝等人[6]提出通過陰極定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的多自由度運(yùn)動(dòng)電沉積技術(shù)，令電鑄過程中陰極表面的流場(chǎng)分布得到改善，所得的鑄層表面針孔減少，厚度均勻。楊光等人[7]在電鑄中將超聲振動(dòng)施加于陰極板上，鑄層表面粗糙度減小，結(jié)瘤、氣孔等缺陷減少。賈衛(wèi)平等人[8]在電鑄時(shí)施加不同強(qiáng)度的外磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度可以細(xì)化鑄層晶粒，得到平整致密的微構(gòu)件表面。聶昕[9]將激光輻照應(yīng)用于局部電沉積，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，為電鑄在制造微小零件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。王慶浩[10]提出了一種基于橫向滾鍍方式的電鑄工藝，工件在生產(chǎn)加工過程中保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，不受工件間與離的限制，增加了裝載量，提高了生產(chǎn)效率。

陰極復(fù)合運(yùn)動(dòng)式摩擦輔助電鑄是在傳統(tǒng)電鑄工藝的基礎(chǔ)上，通過在陰、陽(yáng)極之間加入陶瓷球、陶瓷微珠等硬質(zhì)粒子，并完全覆蓋陰極芯模加工表面，在陰極平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及硬質(zhì)粒子的摩擦輔助下進(jìn)行電沉積的工藝。采用該法制備的鑄層表面性能和機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，但應(yīng)用于生產(chǎn)中時(shí)需要配備合適的電鑄設(shè)備或裝置。本文針對(duì)中小型回轉(zhuǎn)體零件的精密電鑄成形，基于陰極復(fù)合運(yùn)動(dòng)的游離微珠輔助摩擦原理，設(shè)計(jì)了專用的電鑄加工設(shè)備，并采用不溶性陽(yáng)極進(jìn)行了電鑄鎳試驗(yàn)。

1 摩擦輔助電鑄的基本原理

如圖1所示，在摩擦輔助電鑄過程中，硬質(zhì)粒子填充于陰、陽(yáng)極之間，并完全覆蓋陰極芯模的加工表面。平動(dòng)頭帶動(dòng)裝夾芯模的機(jī)架進(jìn)行平動(dòng)，調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)芯模在硬質(zhì)粒子的包圍中旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)硬質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)。其間陰極芯模同時(shí)進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，既優(yōu)化了硬質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，強(qiáng)化了其對(duì)鑄層表面的摩擦作用，又增強(qiáng)了對(duì)電解液的攪拌作用，令陰極芯模表面溶液的流動(dòng)性增強(qiáng)。此外，硬質(zhì)粒子會(huì)不斷擠壓、摩擦和撞擊陰極表面，起到除氫和整平的作用，并具有局部攪拌的作用，最終達(dá)到提高電鑄層性能和沉積速率的效果。

圖1 摩擦輔助電鑄的裝置示意圖 Figure 1 Schematic diagram showing the friction-assisted electroforming device

2 摩擦輔助電鑄裝置的設(shè)計(jì)

2.1 電鑄裝置的總體設(shè)計(jì)

基于陰極復(fù)合運(yùn)動(dòng)的方式，結(jié)合游離微珠摩擦輔助電鑄工藝，設(shè)計(jì)了一臺(tái)專用電鑄裝置。它主要由電源、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、電鑄液循環(huán)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、電鑄槽、儲(chǔ)液槽等組成，如圖2所示。

圖2 電鑄裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 2 Schematic diagram showing the overall structure of electroforming device

機(jī)架1為不銹鋼材質(zhì)，使用前要進(jìn)行防腐蝕處理。電鑄時(shí)，依靠裝置底部耐腐蝕的磁力泵4將儲(chǔ)液槽2（尺寸為500 mm × 400 mm × 300 mm）的電鑄液依次運(yùn)輸通過過濾器7和進(jìn)液管5，最后進(jìn)入電鑄槽10（尺寸為400 mm × 300 mm × 200 mm）中，以彌補(bǔ)電鑄過程中消耗的電鑄液，同時(shí)電鑄液也會(huì)從出液管17流向儲(chǔ)液槽2。平動(dòng)頭14固定安裝在機(jī)架1上，調(diào)速電機(jī)13與承重板16相連。用帶有通孔的螺栓將陰極芯模固定在鋼絲軟軸11上，通過鋼絲軟軸11與導(dǎo)電滑環(huán)12連接。加熱器3位于儲(chǔ)液槽2的上端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電鑄液加熱并保持電鑄液溫度基本恒定的功能。使用前需要對(duì)加熱器3和溫控儀8進(jìn)行定位安裝。

2.2 陰極芯模運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本裝置使用平動(dòng)頭來實(shí)現(xiàn)陰極芯模的平面運(yùn)動(dòng)，通過帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)陰極芯模的自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，通過螺栓連接將承重板8和平動(dòng)頭7固定在機(jī)架上，調(diào)速電機(jī)5固定在豎板3上，通過豎板3與電鑄槽隔開。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，由外接硬件控制系統(tǒng)控制平動(dòng)頭7的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定芯模9的機(jī)架在水平方向上平動(dòng)；調(diào)速電機(jī)5依次驅(qū)使上齒輪、同步帶和下齒輪的傳動(dòng)，借助二級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到減速的目的，然后由齒輪軸傳遞給芯模軸，帶動(dòng)芯模9轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)陰極芯模的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。豎板上使用陶瓷滾動(dòng)軸承進(jìn)行安裝連接，象形陽(yáng)極筐10的尺寸視芯模的尺寸而定。

圖3 電鑄裝置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 3 Schematic diagram showing the structure of motion system of electroforming device

本設(shè)計(jì)選用市售的ZX-50平動(dòng)頭，最大承重50 kg，最大平動(dòng)量16 mm，平動(dòng)速率5 ～ 58 r/min，平動(dòng)頭的速率和平動(dòng)量均可調(diào)，回零精度±0.005 mm，工作電壓220 V。調(diào)速電機(jī)是實(shí)現(xiàn)芯模轉(zhuǎn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿ρb置，本設(shè)計(jì)選用180K1140GU-CRF型調(diào)速電機(jī)，電機(jī)額定功率P= 140 W，額定轉(zhuǎn)速n= 1 300 r/min。為了避免帶輪和齒輪被電鑄液腐蝕，選用非金屬帶輪和塑料尼龍齒輪。

2.3 電鑄液循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電鑄液循環(huán)系統(tǒng)主要依靠磁力泵提供動(dòng)力來控制電鑄液的循環(huán)流動(dòng)，磁力泵一端與儲(chǔ)液槽相連，用于抽取儲(chǔ)液槽中的電鑄液，另一端與過濾器相連，依次通過過濾器和出液管將電鑄液輸送至電鑄槽中進(jìn)行電鑄。由于重力的存在，電鑄槽中的電鑄液回流時(shí)無需借助動(dòng)力裝置，節(jié)省了成本。進(jìn)行電鑄試驗(yàn)時(shí)需要配備溫控系統(tǒng)。溫控系統(tǒng)主要由溫控儀和加熱器組成，通過操作溫控儀改變加熱器的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電鑄液控溫。借助球閥和溢流閥控制電鑄過程中電鑄液的體積。在電鑄時(shí)為了保持電鑄液的潔凈度，必須保證電鑄液循環(huán)系統(tǒng)處于密封狀態(tài)。

3 陰極芯模復(fù)合運(yùn)動(dòng)下的摩擦輔助電鑄試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用自行設(shè)發(fā)的摩擦輔助電鑄裝置和氨基磺酸鎳體系電鑄液，鍍液組成為：氨基磺酸鎳[Ni(SO3NH2)·4H2O] 400 g/L，硼酸（H3BO3）30 g/L，氯化鎳（NiCl2·6H2O）15 g/L，十二烷基硫酸鈉（SDS）0.5 g/L。

采用杭州精測(cè)JC17320SF型直流電源，輸出電流0 ～ 20 A，電壓0 ～ 30 V。微珠是直徑0.5 mm的陶瓷球，用清水和去離子水反復(fù)清洗，烘干后使用。采用預(yù)先優(yōu)化過的象形陽(yáng)極筐，直徑10 mm的鎳球作為陽(yáng)極球，裝入陽(yáng)極袋后放入象形陽(yáng)極筐中，試驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)更換腐蝕較嚴(yán)重的陽(yáng)極球。選用不銹鋼回轉(zhuǎn)體零件作為陰極，如圖4所示，其長(zhǎng)度為120 mm，回轉(zhuǎn)體直徑為80 mm。電鑄前陰極表面需進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)金相砂紙打磨拋光后放入超聲清洗機(jī)中清洗，去除表面的油脂、雜質(zhì)等，然后用去離子水清洗。試驗(yàn)時(shí)，溫度為30 °C，電流密度為1、3或6 A/dm2，陰極在平動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下做平動(dòng)，平動(dòng)量為15 mm，平動(dòng)速率為10、20或30 mm/s，在調(diào)速電機(jī)的帶動(dòng)下回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1.94 r/min。

圖4 陰極芯模結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 4 Schematic diagram of cathode core mold

采用Hitachi S3400N型掃描電鏡觀察電鑄層的微觀形貌。采用HXS-1000A型顯微硬度儀檢測(cè)電鑄層的顯微硬度，載荷0.98 N，加載時(shí)間15 s，每個(gè)試樣件選取7個(gè)不同點(diǎn)測(cè)量，取平均值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2. 1 陶瓷微珠摩擦輔助對(duì)電鑄層表面形貌的影響

如圖5所示，在電流密度3 A/dm2、平動(dòng)速率20 mm/s、無陶瓷微珠摩擦輔助的條件下，所得電鑄層表面灰暗，存在明顯的麻點(diǎn)、結(jié)瘤、凹坑等缺陷。引入陶瓷微珠摩擦輔助后，所得電鑄層表面平整、光亮，無明顯的缺陷。

圖5 無摩擦輔助（a）和有摩擦輔助（b）時(shí)電鑄層的表面狀態(tài) Figure 5 Surface states of coatings electroformed without (a) and with (b) friction assistance

從圖6可知，無摩擦輔助時(shí)電鑄層表面晶粒粗大且分布不均勻，缺陷明顯；增加硬質(zhì)粒子摩擦輔助后，晶粒細(xì)小、分布均勻，表面平整、致密。

圖6 無摩擦輔助（a）和有摩擦輔助（b）時(shí)電鑄層的SEM照片 Figure 6 SEM images of coatings electroformed without (a) and with (b) friction assistance

3.2. 2 電流密度對(duì)電鑄的影響

圖7是陰極平動(dòng)速率為20 mm/s時(shí)，在不同電流密度下所得電鑄層的SEM照片。電流密度為1 A/dm2時(shí)，鎳電鑄層結(jié)晶均勻、細(xì)致而完整，硬質(zhì)粒子的摩擦痕跡較明顯。電流密度為3 A/dm2時(shí)，鎳電鑄層晶粒增大，但依舊細(xì)致，并且分布均勻，摩擦痕跡減弱。當(dāng)電流密度升至6 A/dm2時(shí)，鎳電鑄層晶粒粗大，呈顆粒狀，分布不均，摩擦痕跡非常微弱?？梢?，隨著電流密度的增大，電鑄液的更新速率無法滿足電鑄過程中金屬離子的消耗，導(dǎo)致電流效率降低，此時(shí)晶核形成速率減小，而晶粒生長(zhǎng)速率過高，晶粒變粗大，電鑄層性能變差。

圖7 不同電流密度下所得電鑄層的SEM照片 Figure 7 SEM images of coatings electroformed at different current densities

當(dāng)陰極平動(dòng)速率為20 mm/s時(shí)，采用顯微硬度儀測(cè)得在電流密度為1、3和6 A/dm2下電鑄所得試樣的顯微硬度分別為325.4、282.7和228.0 HV?？梢婅T層顯微硬度隨電流密度增大而顯著減小，這可能與它們的表面形貌差異有關(guān)[11]。

3.2. 3 陰極平動(dòng)速率對(duì)電鑄的影響

圖8是在電流密度3 A/dm2下，陰極平動(dòng)速率不同時(shí)所得電鑄層的SEM照片。陰極平動(dòng)速率為10 mm/s時(shí)，電鑄層晶粒粗大，分布雜亂、不均勻。陰極平動(dòng)速率增大至20 mm/s時(shí)，晶粒變得細(xì)小，排列也更均勻，但仍存在部分較大的晶粒。當(dāng)陰極平動(dòng)速率升至30 mm/s時(shí)，晶粒細(xì)化程度增強(qiáng)，排列致密，分布均勻?？梢?，提高陰極平動(dòng)速率不僅可以提升粒子對(duì)陰極表面的摩擦作用，有助于帶走陰極表面析出的氫氣泡，降低孔隙率[12]，而且可以增強(qiáng)陰極對(duì)電解液的攪拌作用，使得陰極附近流場(chǎng)分布更加均勻，加快了靠近陰極表面的電解液的流動(dòng)和更新，及時(shí)為電沉積表面帶來新鮮的電鑄液，有利于電鑄穩(wěn)定進(jìn)行。

圖8 不同陰極平動(dòng)速率下所得電鑄層的SEM照片 Figure 8 SEM images of coatings electroformed at different motion rates of cathode

當(dāng)電流密度為3 A/dm2時(shí)，采用顯微硬度儀測(cè)得在陰極平動(dòng)速率為10、20和30 mm/s下電鑄所得試樣的顯微硬度分別為238.4、243.8和256.7 HV?？梢婅T層顯微硬度隨陰極平動(dòng)速率增大而緩慢增大。

4 結(jié)語

針對(duì)中小型回轉(zhuǎn)體類零件的成形制造，設(shè)計(jì)了專用的陰極復(fù)合運(yùn)動(dòng)式游離微珠摩擦輔助電鑄裝置，并進(jìn)行了電鑄試驗(yàn)，分析了有球磨以及改變電流密度和陰極平動(dòng)速率對(duì)電鑄效果的影響。

該裝置可以很好地應(yīng)用于實(shí)際，游離微珠摩擦輔助電鑄能夠消除電鑄層的針孔、麻點(diǎn)、結(jié)瘤等缺陷，得到表面平整、光亮的沉積層。

但本研究還存在一些不足，沒有對(duì)陰極芯模的平動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)電鑄起到的復(fù)合作用進(jìn)行研究，試驗(yàn)有待進(jìn)一步優(yōu)化。