基于阴极高速平动的电铸实验研究

王 东， 朱增伟， 董平和， 刘明明

（1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016；2.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安271018）

0 前言

电铸是一种精密特种加工技术，它利用金属离子在阴极表面电沉积的原理进行零件的成形加工。因此，电铸具有很高的复制精度和重复精度。随着社会的进步和科学技术的发展，电铸在我国工业发展中的地位不断提高，并成功研制出一批高科技零件，如：液体火箭发动机喷管、破甲药型罩、微机械零件等。但是传统电铸技术也存在着一定的缺点和局限性，如：铸层质量不稳定，易出现麻点、针孔、积瘤等缺陷，铸层成分不均匀，甚至会使铸件产生畸形等。这些因素制约着电铸技术的提高和应用［1-3］。

传质是电极过程中的重要步骤。标准情况下的传质过程是由于电解质溶液中存在浓度、温度等差异而引起的溶液内物质的流动，这种情况下的流动速率是非常缓慢的。在发生电极反应时，很快会在阴极区内造成反应离子的缺失，阴极区域发生浓差极化现象。因此，当阴极电流密度越大，溶液中金属离子的扩散速率越慢时，阴极表面附近电铸液层中反应离子的浓度就越低，电极电位就越负，浓差极化就越严重。如果金属离子的扩散速率慢到一定程度时，则会使阴极表面附近反应离子的浓度趋近为零，这时就会发生完全浓差极化，而且阴极上的电流密度会达到最大值，即极限电流密度［4］。电铸过程中阴极电流密度一旦超过极限电流密度，则会发生析氢等化学反应，从而使阴极电流效率降低，进而影响电铸层的质量，降低电铸速率。情况严重时，阴极会大量析氢，造成电铸层产生针孔、麻点、起泡甚至烧焦等现象，还可能使电铸层发生氢脆，大大降低其机械性能。

由于极限电流密度的限制，使得常规电铸普遍存在速率低、生产周期长等问题，这些因素大大制约着电铸技术的发展及应用。因此，要提高电铸速率，必须设法提高极限电流密度，即：提高阴极表面附近金属离子的传质速率。在电铸生产和实验中，常采用搅拌的方法。搅拌可以增加电铸液的流动，增大反应物或产物的传质速率，从而有利于减小浓差极化。搅拌能使电铸加工在较高的电流密度下进行，如果没有搅拌的作用，在高电流密度区很容易发生电铸层粗糙甚至出现烧焦现象。另外，搅拌还可以加速氢气的析出，从而降低电铸层的孔隙率。根据相对性原理，让阴极部件在电铸液中做高速运动，其效果与搅拌的作用是相同的［4-5］。因此，人们常采用阴极运动的方法来提高电铸速率。对于形状复杂的电铸阴极来说，阴极做高速平动运动有助于提高电铸速率；同时由于阴极表面各点的运动速率相同，有利于保持阴极表面各处的流场均匀，从而获得均匀、致密的电铸层。目前市售的平动头主要用于电火花加工，其平动量通常为0～2mm，平动速率一般在100r／min以下。但电铸加工对阴极平动速率和平动量的要求较高，因此，市售平动头不能很好地满足电铸加工的需求。

本文设计了一种平动量和平动速率可调的新型平动机构。将其用于电铸阴极的大平动量、高速平动运动，可实现复杂零件的高速率、高质量精密电铸制造。

1 平动机构结构设计及工作原理

电铸阴极平动机构原理示意图，如图1所示。此平动机构采用齿轮传动，主要是基于以下优点：（1）效率高；（2）机构紧凑，一般情况下所需要的空间较小；（3）工作可靠、寿命长；（4）传动比稳定，这是对传动性能的基本要求［6］。平动机构包括支撑壳体、调速电机、主动齿轮、过渡齿轮、从动齿轮、齿轮轴承、平动输出板、调节滑块、偏心调节螺栓等。

图1 电铸阴极平动机构原理示意图

平动机构的工作原理：将电铸阴极与平动输出板连接，同时调节主动齿轮和从动齿轮上的偏心调节螺栓，设定平动量；启动调速电机，设定转速，驱动主动齿轮旋转，主动齿轮将力矩传递给过渡齿轮，再由过渡齿轮带动从动齿轮做同步旋转运动；主动齿轮和从动齿轮一起带动平动输出板和电铸阴极做平动运动［7］。

2 阴极平动电铸实验

2.1 实验装置与原理

实验装置，如图2所示。阴极采用不锈钢薄片，在平动机构的带动下做平动运动。阳极采用纯镍板，倾斜放置于电铸槽内，保持和阴极平行来保证阴极表面电场的一致性。冲液方式采用从电铸槽侧面底部进入，从相对的侧面上部流出。电铸溶液在储液槽内由加热管加热并由磁力泵进行循环供液，保证溶液温度恒定和液面稳定［8］。

图2 阴极平动电铸实验装置示意图

2.2 实验过程

本实验以金属镍的电铸为例。镍阳极用超声波清洗机清洗数次以除去其表面的油污，并用去离子水洗净后使用；不锈钢片阴极依次经过抛光、除油、活化、清洗处理。电铸液组成及工艺条件为：氨基磺酸镍400g／L，氯化镍15g／L，硼酸30g／L，pH值4～5，电铸温度40～45℃。电铸液用去离子水配制。电铸采用JC 17310型直流电源。实验时，阴极在平动机构的带动下做平动运动，平动速率为0～1 350r／min，平动量为0～30mm。电铸时电流密度分别取2，4，6，8A／dm2，电铸层沉积到一定厚度后，取出阴极，经清洗、干燥后，利用HXS-1000A型显微硬度计测试电铸层的显微硬度，然后进行后续检测。

2.3 实验结果

2.3.1 表面质量

图3为不同工艺条件下所得电铸层的表面形貌。从图3可以看出，图3（c）所示电铸层的表面质量明显要比图3（a）和图3（b）的好。由此可以得出：在电铸液、温度等相同的条件下，阴极平动电铸可以明显提高电铸层的表面质量，能在一定程度上消除针孔、麻点等传统电铸缺陷。实验中还发现：在阴极静止的条件下，当电流密度达到4A／dm2时，电铸层的表面质量急剧下降，发脆并引起翘皮脱落；而当阴极平动速率为540r／min时，在相同电流密度下得到的电铸层依然有良好的表面质量。由此可得，阴极平动能提高电铸的极限电流密度，进而提高了电铸速率。

图3 不同工艺条件下所得电铸层的表面形貌

2.3.2 显微硬度

图4 阴极平动速率对电铸层显微硬度的影响

在电流密度为2A／dm2和4A／dm2的条件下，研究了阴极平动速率对电铸层显微硬度的影响，实验结果，如图4所示。由图4可知：当电流密度一定时，随着阴极平动速率的增加，电铸层的显微硬度呈上升趋势。分析认为：在阴极高速平动电铸过程中，阴极高速平动相当于电铸液持续不断地冲刷阴极表面，从而细化了铸层晶粒，并影响了晶粒的生长形态。根据细晶强化理论，金属材料的性能与材料组织的晶粒大小和致密程度有着密切的关系。材料的显微硬度与晶粒直径成几何倍数的反比关系，即：所得晶粒越细，材料的显微硬度越高［9-10］。

3 结论

（1）设计的新型平动机构实现了电铸阴极的大平动量、高速率的运动。

（2）阴极高速平动电铸所加工出的电铸层光滑平整，缺陷减少，显微硬度有所提高，加工效果明显改善。

（3）阴极平动电铸能提高金属离子的传质速率和极限电流密度，进一步拓宽电铸技术的应用条件。

［1］朱保国，王振龙.电铸技术的发展及应用［J］.电加工与模具，2006（5）：1-6.

［2］张文峰.电铸技术的研究进展［J］.机电产品开发与创新，2008，21（4）：45-46.

［3］ZHU D，QU N S，CHAN K C.Development of joint electroforming technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，63（1）：844-847.

［4］刘仁志.实用电铸技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［5］刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［6］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［7］黄锡恺，郑文纬.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［8］李学磊，朱增伟，章勇，等.基于复杂型面薄壁零件成形的电铸试验研究［J］.航空学报，2010，31（10）：2 068-2 074.

［9］卢柯，刘学东，胡壮麒.纳米晶体材料的Hall-Petch关系［J］.材料研究学报，1994，8（5）：385-391.

［10］朱增伟，朱荻.硬质粒子扰动对电铸铜微观结构与性能的影响［J］.中国有色金属学报，2006，16（9）：1 558-1 562.