用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置及方法与流程

本发明涉及表面防护、改性领域，具体地说是一种用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置及方法。

背景技术：

化学镀是在不通电的条件下，利用自催化的氧化还原反应，在基体材料表面沉积获得一层金属或合金镀层的一种技术。化学镀技术最先起始于化学镀镍，经发展，出现了化学镀铜、镀钴、镀锡和镀金、银、铂等贵金属及多元合金。近年来还开发了三元及多元镍-磷合金镀液，获得了镍钨磷、镍铬磷、镍锡磷、镍铜磷合金等多种镀层。与电镀相比，化学镀技术以其能在复杂工件上得到厚度均匀、结合力好的镀层，且得到的镀层拥有优良的耐磨性、导电性以及电磁特性等性能，因而得到日益广泛的应用。

化学复合镀是在化学镀液中添加不溶性的固体微粒而形成共沉积的一种表面处理工艺。将不溶性固体颗粒，如：金刚石、SiC、Al₂O₃、MoS₂、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)等，复合到化学镀层中，形成了表面复合处理，从而使化学镀层性能得到显著改善。复合镀层主要有两种：一种是添加硬粒子的抗磨复合镀层，另一种是添加晶格易切变滑移的软粒子构成的减磨复合镀层。

由于镀液具有流动性，化学镀具有一定的深镀和均镀能力。由于化学镀有“无孔不入”的特点，理论上无论多么复杂的零件，只要镀液能接触到，即有镀层覆盖，没有电镀因电力分布不均匀而造成深镀能力差的问题。但是，对于细长管件，化学镀只能实现长径比4：1以下细长管件的内壁均匀镀层沉积，当超过这一长径比后，将出现镀层不均匀甚至沉积不上等问题。出现上述状况的核心问题是化学镀过程中细长管件内部不同位置镀液(镀层材料)离子没有得到及时补充所致，尽管可以想象采用镀液循环流动来解决这一问题，但如何保持管内不同点以至于整个管内的镀液浓度依旧是一个难题。已有有关化学镀技术中，尚缺乏针对内壁特别是细长管件内壁的技术。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的(高效、自动化)装置，本发明的另一目的是提供一种用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的方法。从而，可以提高管件内表面耐磨、耐腐蚀、耐高温性能，改变其导热、导电等性能和功能，实现防护、改性目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，该装置包括：敏化液槽、活化液槽、碱洗液槽、酸洗液槽、纯水槽、镀液槽、汇流排、细长管件、支架、加热补偿装置、脉冲耐蚀泵、常压耐蚀泵、加热装置、出液总线、回液总线，具体结构如下：

敏化液槽、活化液槽、碱洗液槽、酸洗液槽、纯水槽、镀液槽并联设置于出液总线、回液总线之间，其中敏化液槽、活化液槽、碱洗液槽、酸洗液槽、纯水槽为前处理槽；细长管件固定在可振动和转动的支架上，细长管件的两端通过软连接分别与汇流排出液端、汇流排入液端联接；

脉冲耐蚀泵与常压耐蚀泵并联，并联入口端通过管路与出液总线连通，所述管路上设置加热装置，并联入口通过出液总线与前处理槽和镀液槽的出口连通；并联出口端设置加热补偿装置，加热补偿装置的出口分两路：一路通过管路与汇流排入液端相连，另一路通过管路分别与加热装置和回液总线连通；汇流排出液端通过管路与回液总线连通，汇流排出液端通过回液总线与前处理槽和镀液槽的入液口连通，形成回路。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，每个前处理槽及镀液槽的入液口和出液口均设有阀门，出液总线、回液总线之间连接的管路上设置控制器。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，在镀液的整个循环体系中放置两个以上测温装置，对不同位置的循环镀液温度进行监测；其中，至少汇流排入口前及出口处的测温装置通过反馈控制器与加热装置及加热补偿装置相连，实现镀液温度的有效控制。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，前处理液及化学镀液从镀液槽开始，经加热装置、脉冲耐蚀泵和/或常压耐蚀泵、加热补偿装置、待镀细长管件，流回镀液槽；为了提高化学镀和化学复合镀的效率，一次同时处理两只以上细长管件，前处理液和镀液通过汇流排流入和流出细长管件；为了进一步提高细长管件内壁镀层的均匀性，在化学镀和化学复合镀过程中，细长管件的镀液入口端和出口端返复对调。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，加热装置和加热补偿装置能够对镀液加热并保持在30～99℃。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，脉冲耐蚀泵及常压耐蚀泵均为耐蚀泵，两者采用并联方式连接，二者的入口端分别经阀门与加热装置连接，二者的出口端各自采用阀门控制；脉冲耐蚀泵的脉冲频率为0.1～50Hz可调；脉冲耐蚀泵和常压耐蚀泵的功率可调，通过与控制阀门、距离待镀细长管件高度差条件配合，将体系中的镀液流速控制在0.01～50m/s。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，待镀细长管件的外壁加保温层，或者待镀细长管件浸没在恒温油浴护套或恒温水浴护套中；再将待镀细长管件固定在可振动和转动的支架上，细长管件两端通过软连接与和镀液槽相连的汇流排联接；镀液流经细长管件进行化学镀和化学复合镀过程中，为了提高镀层质量，支架振动频率控制在0.5～50Hz；为了提高镀层的均匀性，支架定时转动180度，与细长管件相连的软连接对调并重新连接；

当细长管件竖直放置时，镀液在管件内部为自下而上循环方式，并且汇流排入液端应高于脉冲耐蚀泵及常压耐蚀泵体出液口高度5～50cm；当细长管件平行放置时，在整个化学镀及化学复合镀过程中，管件应沿轴线转动，转速0.1～10转/秒。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，细长管件为金属、树脂、塑料、玻璃、陶瓷或亚克力材料；细长管件内壁镀层成分材料为镍、铜、钴、锡、金、银、铂及它们的二元或多元合金；或者，上述的细长管件内壁镀层成分材料中添加氮化物、氧化物、碳化物、陶瓷、金属、树脂或石墨粉末或固体颗粒的复合体。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的方法，包括如下步骤：

(1)清洗：分别打开相应前处理液槽阀门，采用溶剂、碱和酸辅助超声波对管件内壁进行清洗，处理掉管件内表面的油、脂、杂质、氧化皮，并用纯水或清水冲洗干净；

(2)敏化及活化：分别打开敏化液和活化液槽阀门，对待镀细长管件内壁进行敏化和活化；

(3)在镀液槽内预先配制好镀液，将待镀细长管件通过软连接与汇流排相连，调整加热装置及加热补偿装置，使流经管件的镀液达到预定温度；

(4)打开控制脉冲耐蚀泵及常压耐蚀泵的阀门，调整其功率，并调整与待镀细长管件的高度差，使镀液以合适的流速和压力在体系中流动；

(5)保持镀液在体系中流动预设时间后，关闭脉冲耐蚀泵和/或常压耐蚀泵，取下细长管件，用纯水或清水清洗管件内壁后，吹干。

所述的用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的方法，镀液在镀液槽内进行搅拌和循环，当进行化学复合镀时，保证复合固体颗粒完全分散并在镀液中均匀分布；

前处理和镀液沉积镀层过程前，打开与脉冲耐蚀泵或/和常压耐蚀泵相连的阀门，调整脉冲频率、泵的功率及其与待镀细长管件的高度差，使镀液以恒流速、脉冲、脉冲+恒流速在体系中循环流动。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明装置和方法可用于内径大于等于3mm、长径比4：1以上甚至达到100:1的细长管件内表面耐磨、耐蚀防护及改性处理，具有批处理能力(一次可处理多只细长管件)，适用于多种基材(金属、树脂、塑料、玻璃、陶瓷、亚克力等)。此外，通过成分调整及后期热处理，所获细长管件内表面化学镀及化学复合镀层硬度及耐磨性可进一步提高。

附图说明

图1为用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置原理图；图中，1、敏化液槽；2、活化液槽；3、碱洗液槽；4、酸洗液槽；5、纯水槽；6、镀液槽；7、控制器；8、测温装置一；9、汇流排出液端；10、细长管件；11、支架；12、汇流排入液端；13、测温装置二；14、加热补偿装置；15、脉冲耐蚀泵；16、常压耐蚀泵；17、加热装置；18、出液总线；19、回液总线。

图2(a)-图2(c)为细长管件内壁镀铜后轴向剖面及截面形貌；其中，图2(a)为内经5.6mm、长466mm管内壁镀铜后沿轴向剖开后形貌；图2(b)为图2(a)的局部放大图；图2(c)为管件内壁镀层截面形貌。

图3为细长管件内壁镀镍层截面显微形貌。

图4为细长管件内壁镀镍磷-碳化硅层截面显微形貌。

具体实施方式

如图1所示，本发明用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的装置，主要包括：敏化液槽1、活化液槽2、碱洗液槽3、酸洗液槽4、纯水槽5、镀液槽6、控制器7、测温装置一8、汇流排出液端9、细长管件10、支架11、汇流排入液端12、测温装置二13、加热补偿装置14、脉冲耐蚀泵15、常压耐蚀泵16、加热装置17、出液总线18、回液总线19等，具体结构如下：

敏化液槽1、活化液槽2、碱洗液槽3、酸洗液槽4、纯水槽5、镀液槽6和控制器7并联设置于出液总线18、回液总线19之间，其中敏化液槽1、活化液槽2、碱洗液槽3、酸洗液槽4、纯水槽5为前处理槽。

待镀细长管件10的外壁加保温层(或浸没在恒温油浴护套或恒温水浴护套中)，细长管件10固定在可振动和转动的支架11上，细长管件10的两端通过软连接分别与汇流排出液端9、汇流排入液端12联接。

脉冲耐蚀泵15与常压耐蚀泵16并联，该并联入口端通过管路与出液总线18连通，所述管路上设置加热装置17。进一步地，通过出液总线18与前处理槽和镀液槽6的出口连通。该并联出口端设置加热补偿装置14，加热补偿装置14的出口分两路：一路通过管路与汇流排入液端12相连，另一路通过管路分别与加热装置17和回液总线19连通，所述与回液总线19连通的管路上设置测温装置二13、测温装置一8，测温装置二13与加热补偿装置14通过管路连通。当同时处理的细长管件10较多时，为保证每只细长管件10内镀液流速相同，细长管件10需采用与汇流排两端或多点相连。汇流排出液端9通过管路与回液总线19连通，进一步通过回液总线19与前处理槽和镀液槽6的入液口(回液口)连通，形成回路，每个前处理槽及镀液槽6的入液口和出液口均有阀门控制。

前处理液及化学镀液从镀液槽开始，经加热装置、脉冲耐蚀泵和/或常压耐蚀泵(常压耐蚀泵为恒压、恒流速的流体泵)、加热补偿装置、待镀细长管件，流回镀液槽。其中，为了提高化学镀和化学复合镀的效率，一次可以同时处理多只细长管件，前处理液和镀液通过汇流排流入和流出细长管件；为了进一步提高超高长径比细长管件内壁镀层的均匀性，化学镀和化学复合镀过程中，细长管件的镀液入口端和出口端可多次对调。

当待镀细长管件10竖直放置时(优选)，镀液在细长管件10内部为自下而上循环方式。在整个体系回路中，根据需要可放置多个测温装置，对不同位置的循环镀液温度进行监测。整个体系中的各装置及阀门与总线(出液总线18、回液总线19)相连，由控制器7控制开启和关闭。

本发明用于细长管件内表面化学镀及化学复合镀的方法，包括如下步骤：

(1)清洗：分别打开相应前处理液槽阀门，采用溶剂、碱和酸辅助超声波对管件内壁进行清洗，处理掉管件内表面的油、脂、杂质、氧化皮等，并用纯(清)水多次冲洗；

(2)敏化及活化：分别打开敏化液和活化液槽阀门，对待镀细长管件内壁进行敏化和活化。

(3)在镀液槽内预先配制好镀液，将待镀细长管件通过软连接与汇流排相连，调整加热装置及加热补偿装置，使流经管件的镀液达到预定温度。

(4)打开控制脉冲耐蚀泵及常压耐蚀泵的阀门，调整其功率，并调整与待镀细长管件的高度差，使镀液以合适的流速和压力在体系中流动。

(5)保持镀液在体系中流动预设时间后，关闭脉冲耐蚀泵和/或常压耐蚀泵，取下细长管件，用纯(清)水清洗管件内壁后，吹干。

下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例选择工具钢细长管件，管内径5.6毫米，长度466毫米。细长管件经软连接和接头与汇流排相连并固定在支架上，支架与耐蚀泵(脉冲耐蚀泵和常压耐蚀泵)的高度差控制为50厘米，汇流排其他未接待镀细长管件接头关闭。控制器打开碱洗液槽(内装浓度为10wt％的碳酸氢钠碱水洗液)阀门5分钟，碱洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回碱洗液槽；控制器关闭碱洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开酸洗液槽(内装浓度为5wt％稀硫酸)阀门5分钟，酸洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回酸洗液槽；关闭酸洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开敏化液槽(内装浓度为15wt％氯化亚锡水溶液)阀门2分钟；关闭敏化液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开活化液槽(内装浓度为5wt％氯化靶水溶液)阀门2分钟；关闭活化液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟。关闭纯水槽阀门及常压耐蚀泵，打开镀液槽阀门，并开启脉冲耐蚀泵，脉冲频率为1Hz，打开支架振动器(振动频率1Hz)，镀液成分为：硫酸铜7g/L、碳酸钠10g/L、酒石酸钾钠75g/L、硫脲0.01g/L、氢氧化钠20g/L、三乙醇胺10ml/L、37wt％甲醛12ml/L、水余量(pH 12)，控制加热装置和加热补偿装置使汇流排镀液入口温度为55℃。30分钟后关闭脉冲耐蚀泵及镀液槽阀门，开启常压耐蚀泵及纯水槽阀门，并工作2分钟后关闭整个系统。

取下所镀细长管件，吹干后用线切割机沿管件中轴线将其抛开。如图2(a)-图2(c)所示，可以看到，管件内表面已经沉积了铜镀层，镀层厚度大约为12微米。

实施例2

如图1所示，本实施例选择碳钢细长管件，管内径15毫米，长度300毫米。细长管件经软连接和接头与汇流排相连并固定在支架上，支架与耐蚀泵(脉冲耐蚀泵和常压耐蚀泵)的高度差控制为40厘米。汇流排其他未接待镀细长管件接头关闭。控制器打开碱洗液槽(内装浓度5wt％的氢氧化钠水溶液)阀门10分钟，碱洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回碱洗液槽；控制器关闭碱洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开酸洗液槽(内装浓度为5wt％的稀硫酸+浓度为10wt％的醋酸，稀硫酸与醋酸的重量比例为1：1)阀门5分钟，酸洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回酸洗液槽；关闭酸洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开活化液槽(内装浓度为15wt％的盐酸)阀门2分钟；关闭活化液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟。关闭纯水槽阀门及常压耐蚀泵，打开镀液槽阀门，并开启脉冲耐蚀泵，脉冲频率为1Hz，打开支架振动器(振动频率2Hz)，镀液成分为：硫酸镍80g/L、次亚磷酸钠24g/L、无水醋酸钠12g/L、硼酸8g/L、氯化铵6g/L、硫脲1g/L、水余量(pH 5.0)，控制加热装置和加热补偿装置使汇流排镀液入口温度为90℃。240分钟后关闭脉冲耐蚀泵及镀液槽阀门，开启常压耐蚀泵及纯水槽阀门，并工作2分钟后关闭整个系统。

取下所镀细长管件，吹干后用线切割机沿管件截面将其抛开，制备金相样品，观察镍镀层形貌及厚度。如图3所示，可以看到，镍镀层的厚度约为95微米。

实施例3

如图1所示，本实施例选择碳钢细长管件，管内径15毫米，长度300毫米。细长管件经软连接和接头与汇流排相连并固定在支架上，支架与耐蚀泵(脉冲耐蚀泵和常压耐蚀泵)的高度差控制为40厘米。汇流排其他未接待镀细长管件接头关闭。控制器打开碱洗液槽(内装浓度5wt％的氢氧化钠水溶液)阀门10分钟，碱洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回碱洗液槽；控制器关闭碱洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开酸洗液槽(内装浓度为5wt％的稀硫酸+浓度为10wt％的醋酸，稀硫酸与醋酸的重量比例为1：1)阀门5分钟，酸洗液经加热装置(50℃)及常压耐蚀泵清洗细长管件内表面后流回酸洗液槽；关闭酸洗液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟；关闭纯水槽阀门，并打开活化液槽(内装浓度为15wt％的盐酸)阀门2分钟；关闭活化液槽阀门，并打开纯水槽阀门清洗待镀细长管件内表面2分钟。关闭纯水槽阀门，保持开启常压耐蚀泵，打开镀液槽阀门，并开启脉冲耐蚀泵，脉冲频率为1Hz，打开支架振动器(振动频率1Hz)，镀液成分为：硫酸镍24g/L、次亚磷酸钠26g/L、醋酸钠11g/L、硼酸8g/L、氯化铵6g/L、硫脲1g/L、碳化硅(粒度为3.5微米)10g/L、水余量(pH 4.6)，控制加热装置和加热补偿装置使汇流排镀液入口温度为89℃。120分钟后关闭脉冲耐蚀泵及镀液槽阀门，开启常压耐蚀泵及纯水槽阀门，并工作2分钟后关闭整个系统。

取下所镀细长管件，吹干后用线切割机沿管件截面将其抛开，制备金相样品，观察镍复合镀层形貌及厚度。如图4所示，可以看到，镍镀层的厚度约为30微米，碳化硅颗粒分布在镀层之中。