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本文利用射流电沉积的原理,自行设计了由电解液喷射与循环系统、脉冲电源、数控平台组成的射流电沉积实验装置系统,通过图形电镀得到了结合力良好的“NIAT”等图形沉积层;进行了零件加工实验,获得了高3mm、直径7mm,的环形圆管。
在电压45V、主盐浓度280g/L、电解液流速1m/s、温度为50℃时射流电沉积的电流效率最大,达89%以上。相同条件下采用0.8mm口径阳极喷嘴的沉积速率为0.98g/min·dm2,电流效率为68%,而采用1.6mm口径阳极喷嘴的沉积速率为1.09g/min·dm2,电流效率为89.2%;电解液流速为0.4m/s时沉积速率为0.4626g/min·dm2 ,电流效率为79.8%,而电解液流速为1.1m/s时沉积速率为1.02g/min·dm2。电压在55V时沉积层硬度最大达514.6HV;提高电解液流速和减小阴阳极距离都可以提高沉积层硬度,电解液流速为0.4m/s时,沉积层硬度为321.4HV ,而在1.1m/s时,硬度为456.1HV;阴阳极距离为30mm时,沉积层硬度为267.4HV,在15mm时为480.9HV。对沉积层表面形貌的研究发现,在30V~45V内提高电压有利于获得颗粒细小、表面平整的沉积层,但当电压超过45V时,晶粒反而粗大镍沉积层致密性和表面平整性明显变差。实验发现普通槽镀下最大可用电流密度为5.569A/dm2(该电流密度下镀层光亮平整,超过该电流密度镀层恶化),射流电沉积实验得到的本实验条件射流下最大可用电流密度为820A/dm2(若到达阴极表面的Ni2+全部沉积,则可计算得到理想极限电流密度为1.19*106A/dm2);通过阴极极化实验得到的扩散控制下极限电流密度为110.7A/dm2,旋转圆盘电极阴极极化得到的极限电流密度为1624.4A/dm2(2000r/min),这表明液相传质对电流密度的影响很大,射流电沉积通过改变液相传质而大大提高了电流密度。
脉冲频率的增加会明显增加沉积层硬度,脉冲频率为200HZ时,沉积层硬度为502.1HV,而800HZ时为784.2HV;占空比的增加会导致沉积层硬度减小,占空比为1:5时为802.4HV ,4:5时沉积层硬度为514.3HV;峰值电流密度的增加也会增大沉积层硬度,在峰值电流密度为100A/dm2时候沉积层硬度为385.2HV,400A/dm2时为786.4HV。
对不同阳极口径下的恒电压和恒电流时的沉积层的金属分布的研究发现,沉积主要在阳极喷嘴口径对应的阴极区域发生,沉积层顶部平整,说明其中心区域电流密度均匀,且沉积层轴向生长远比横向生长快。