中空工件内表面制备Ni‑SiC复合镀层的装置的制作方法

本发明涉及金属材料表面改性技术及设备领域，具体是一种用于在回转体或不规则腔体等中空工件的内表面上制备Ni-SiC复合镀层的循环电镀设备。

背景技术：

采用循环电镀装置在中空工件内表面制备Ni-SiC复合镀层时，主要存在以下问题：(1)出水口设置在下夹具底部，易造成复合电镀液不能充满密封电镀台内由工件内表面与阳极外表面形成的电镀腔，导致工件上端没有沉积复合镀层；(2)SiC微粒在电镀液中分散性差，导致复合镀层中SiC微粒含量低，均匀性差；(3)Ni-SiC复合镀层与工件基体间的结合力差。

专利JPA1995188990的装置在循环通道上设置有空气搅拌支路，空气搅拌支路上的压缩空气泵向复合电镀液中混入空气，进而对复合电镀液进行空气搅拌。但是，循环通道内的复合电镀液的流速越大，由压缩空气泵提供的向电镀液中混入空气所需的压力越大，空气越难混入。当电镀液的流速超过某一临界值时，压缩空气泵提供的压力不仅不足以使空气混入复合电镀液中，反而，复合电镀液会倒流到空气浮子流量计和空气压缩泵中，即使所述空气搅拌支路上设置有双向止流阀也不能阻止复合电镀液的回流。因而，若在电镀装置上设置空气搅拌支路，则不能选择过大的电镀液流速，限制了复合电镀液体积流量的选择范围，而复合电镀液体积流量的选择直接决定装置的搅拌效率和复合电镀的沉积速率。因此，合理设计电镀装置的结构，使装置提供的搅拌方式既能实现SiC在复合电镀液中充分悬浮、均匀分散的效果，又能提高搅拌效率，具有重要意义。

专利JPA1999350195和US5647967中装置的电镀腔出水口均设置在下夹具底部。其优势在于电镀液能在重力的作用下回流到储液槽中，而不需要借助水泵的压力回流，具有节能环保的作用；其劣势在于当复合电镀液体积流量较低时，复合电镀液进入电镀腔的速度小于流出电镀腔的速度，因而复合电镀液始终不能充满电镀腔，导致工件上端并未沉积复合镀层。但是，复合电镀液体积流量越小，即复合电镀液的流速越小，复合镀层中SiC含量越高，镀层沉积速率越快。因此，解决采用较低复合电镀液体积流量进行复合电镀时出现的复合电镀液不能充满电镀腔的问题，对于高效快速地制备SiC含量高的Ni-SiC复合镀层具有重要意义。

专利US005540829A中提供了一种提高复合镀层结合力的方法：在复合电镀的前90s内电镀液流速和电流密度分别设置为48m/s和14A/dm²，获得一层SiC含量低的复合镀层作为打底层；90s后，电镀液流速和电流密度分别设置为15m/s和28A/dm²，制备一层SiC高的Ni-SiC复合镀层。但是这种方式在实际操作中很难实现，因为制备打底层的时间只有90s，而获得打底层后将电镀液的流速由48m/s调至15m/s的过程耗时较长，因为为了保护电镀装置，需逐步调节电镀液的流速，且由于人为手动操作无法精确控制调节时间造成复合电镀过程具有不可重复性，导致制备的Ni-SiC复合镀层也具有不稳定性，因而并不能有效解决复合镀层结合力差的问题。目前，对于提高在电镀液循环流动的电镀装置上制备的复合镀层的结合力的研究尚属空白。

西北工业大学在申请号为201610810698.2的发明创造中提出了一种制备中空工件内表面Ni-SiC复合镀层的装置，该装置考虑到利用重力、节能环保的优势而将电镀腔出水口设置在下夹具底部，出现了当复合电镀液体积流量为1.6h/m³时工件上端未沉积Ni-SiC复合镀层的现象。在所述装置中制备Ni-SiC复合镀层的过程，具有沉积速率快(83μm/30min)和SiC含量高的特点，但是复合镀层与基体的结合力较差，说明在所述装置中采用的制备打底层改善结合力的方法效果并不明显。另外，当流入电镀腔对工件进行复合电镀时所需的复合电镀液的量小于电镀液循环泵正常工作时输出的复合电镀液的量时，输送管道内的水压较大易对输送管道造成损伤或破坏。

因此，研究能安全高效地在中空工件内表面制备SiC含量高且分布均匀、结合力好和表面完整的Ni-SiC复合镀层的电镀液循环流动的电镀装置，对于解决回转体或不规则腔体等中空工件内表面力学性能不能满足实际应用要求的问题，具有重要意义。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的复合镀层与基体的结合力较差、易对输送管道造成损伤或破坏的不足，本发明提出了一种中空工件内表面制备Ni-SiC复合镀层的装置。

本发明包括复合电镀液循环流动主通道和镀镍电镀液的流动通道；所述的复合电镀液循环流动主通道包括复合电镀液储液槽、隔膜泵、电磁流量计、密封电镀台、复合电镀液主管路和复合电镀液回流主通道，其中复合电镀液主管路的一端与所述隔膜泵的出口连通，该复合电镀液主管路的另一端与密封电镀台中的下夹具的密封电镀台进水口连通；电磁流量计串接在所述复合电镀液主管路上；在该电磁流量计与所述密封电镀台进水口之间串接有复合电镀通道手动阀。所述的镀镍电镀液的流动通道包括镀镍电镀液储液槽、自吸泵和密封电镀台下排液口。在所述复合电镀液循环流动主通道的隔膜泵与电磁流量计之间并联有复合电镀液回流支路通道。所述复合电镀液回流支路通道的一端接入隔膜泵与电磁流量计入口的之间的复合电镀液主管路上，另一端与位于复合电镀液储液槽顶部的复合电镀液储液槽槽盖上的进液口连通。

所述密封电镀台中的上夹具的上表面有电镀腔出水口，该出水口通过管路与位于所述复合电镀液储液槽槽盖上的进液口连通，形成了复合电镀液回流主通道。

所述的镀镍电镀液的流动通道包括镀镍电镀液储液槽、自吸泵和密封电镀台下排液口。所述镀镍电镀液储液槽的顶盖上开有管孔，镀镍电镀液管路的一端接入该管孔，镀镍电镀液管的另一端接入复合电镀液主管路。在所述镀镍电镀液管路上依次连接有自吸泵和预镀镍通道手动阀，并使该自吸泵的进液口与镀镍电镀液储液槽连通，使该自吸泵的出液口与所述预镀镍通道手动阀的进液口连通。

在所述镀镍电镀液管路上通过三通接头连接有一段镀镍电镀液排液管，该镀镍电镀液排液管的另一端与下夹具的镀镍电镀液排液口连通；在所述镀镍电镀液排液管上安装有密封电镀台排液手动阀。

在所述复合电镀液储液槽一侧的底部和中部均有出液口，分别与下出水管和上出水管连接，并使所述下出水管的入口端与储液槽底部的出液口连通，使上出水管的入口端与储液槽中部的出液口连通；所述上出水管的出口端与下出水管连通。所述下出水管的出口端与隔膜泵的入口连通。

本发明能在小体积流量下制备完整的复合镀层，与基体结合力好，且镀层中SiC含量高，分布均匀。

若密封电镀台的出水口设置在下夹具底部，采用较小的体积流量时，复合电镀液流入电镀腔的速率小于流出电镀腔的速率，则复合电镀液不能充满整个电镀腔，导致未能在中空工件内表面上部沉积Ni-SiC复合镀层。为了解决这一问题，本发明将出水口设置在上夹具顶部。在一定范围内，复合电镀液的体积流量越小，Ni-SiC复合镀层中SiC含量越高，镀层沉积速率越大，硬度越高，表面质量越好。因此，经过改进后，可采用低至0.5m³/h的体积流量进行复合电镀。

本发明采取以下措施以提高复合电镀液循环流动的搅拌效率与效果。

第一：在循环通道上设置一回流支路通道。进行复合电镀前，关闭与密封电镀台相连的手动阀，复合电镀液在隔膜泵的作用下沿回流支路回到复合电镀液储液槽中，完成一次循环流动，持续进行这种循环流动产生的搅拌作用力使SiC微粒快速均匀地分散在复合电镀液中。复合电镀液循环流动的体积流量越大，单位时间内复合电镀液循环流动的次数越多，SiC微粒均匀分散在复合电镀液中所需时间越短，循环流动的搅拌效率越高。优选地，在复合电镀前对复合电镀液进行搅拌时，采用尽可能大的体积流量，提高工作效率。另外，进行复合电镀时，当由隔膜泵输出的复合电镀液的量大于对工件复合电镀时所需的复合电镀液时，多余的复合电镀液经由复合电镀液回流支路通道回流至复合电镀液储液槽中，以降低复合电镀液主管路中的压力，对复合电镀装置具有保护作用；同时，复合电镀液沿回流主通道和回流支路通道循环流动，均能起到搅拌和分散SiC的作用，这种搅拌作用持续至复合电镀完成为止。优选地，选用较大体积流量的隔膜泵，产生的搅拌效果较好。

第二：在复合电镀液储液槽上设置有两个出水口。能充分利用复合电镀液循环流动产生的搅拌作用，使复合电镀液储液槽中上下层的SiC微粒充分混合，实现在复合电镀液中均匀分布。

本发明提供一种在所述电镀装置中连续进行镀镍和Ni-SiC复合电镀以提高复合镀层与基体间结合力的操作方法：关闭位于密封电镀台和电磁流量计之间的手动阀，打开位于密封电镀台底部的镀镍电镀液的流动通道上的两个手动阀；启动自吸泵，密封电镀台内的电镀腔内充满镀镍电镀液后关闭自吸泵；采用大电流密度进行冲击镀镍，在工件内表面制备纯镍打底层；镀镍电镀液在自重作用下沿镀镍电镀液流动通道完全回流至镀镍电镀液储液槽后，再关闭镀镍电镀液的流动通道上的两个手动阀，打开位于密封电镀台和电磁流量计之间的手动阀；然后开始进行复合电镀。

若采用浸泡式电镀方法进行镀镍，镀镍完成后，需将工件转移和安装在复合电镀装置上。这一过程易污染纯镍镀层表面，且获得纯镍打底层后应尽快进行复合电镀，不应在空气中停留较长时间，因为停留时间越长，吸附在打底层表面的灰尘或氧气等污染物越多，不利于形成结合力良好的复合镀层。本发明提供的方法在完成镀镍后不需要转移和安装工件，从而能避免这一过程中对纯镍打底层的污染，也缩短了进行复合电镀前在空气中停留的时间。进行Ni-SiC复合电镀前，先在基体上制备一层纯镍镀层作为打底层，能有效改善Ni-SiC复合镀层与基体间的结合力问题。

制备Ni-SiC复合镀层时，打开与密封电镀台进水口相连通的手动阀和分别与复合电镀液储液槽的两个出水口相连通的两个手动阀，使密封电镀台内复合电镀液倒流至复合电镀液储液槽中，直至密封电镀台内无剩余复合电镀液，即可松开密封组件，取下已完成复合电镀的工件。

综上所述，本发明能够实现三个功能：(1)进行复合电镀前，启动隔膜泵，使复合电镀液沿由复合电镀液储液槽、隔膜泵和支流通道形成的闭合通道循环流动，直至SiC微粒在复合电镀液中均匀悬浮，不需要辅助空气搅拌或其他机械搅拌；(2)安装好中空工件后，先在工件内表面进行冲击镀镍，制备纯镍打底层，再进行Ni-SiC复合电镀，提高复合镀层与工件基体间的结合力；(3)将密封电镀台的出水口设置在上夹具顶部，可采用较小的体积流量进行复合电镀。

在申请号为201610810698.2的发明创造中提出了循环电镀液搅拌与空气搅拌相结合的方式，而本发明提供的搅拌方式则采用单一的循环电镀液搅拌的方式。本发明采用所述搅拌方式具有诸多优势。首先，取消空气搅拌支路，既降低装置成本，节能环保，又减少了空气压缩机造成的噪音污染，从而解决了设置空气搅拌支路引起的一系列问题。其次，不需要考虑因复合电镀液的体积流量过大产生的复合电镀液向压缩空气泵回流的问题，因而在复合电镀前，能采用尽可能大的体积流量对复合电镀液进行循环搅拌，以提高工作效率。第三，能选用较大体积流量的隔膜泵，因为在复合电镀过程中，无论是进入密封电镀台完成复合电镀后沿主回流通道回到复合电镀液储液槽的复合电镀液，还是多余的沿回流支路通道回流复合电镀液储液槽的复合电镀液，均能对复合电镀液储液槽内的SiC起到搅拌作用，且隔膜泵的体积流量越大，搅拌效果与效率越好。

附图说明

图1为本发明提供的电镀装置的结构示意图。

图2为提高复合镀层结合力的方法示意图，其中：Ⅰ表示电镀镍过程；Ⅱ表示Ni-SiC复合电镀过程。图中：

1.复合电镀液储液槽；2.隔膜泵；3.电磁流量计；4.密封电镀台；5.电镀整流电源；6.复合电镀液回流主通道；7.复合电镀液回流支路通道；8.控制面板；9.复合电镀液储液槽槽盖；10.pH计；11.液位计；12.热电偶；13.加热管；14.复合电镀液；15.上出水口；16.下出水口；17.复合电镀通道手动阀；18.密封电镀台进水口；19.下夹具；20.中空工件；21.上夹具；22.密封电镀台上出水口；23.密封组件；24.阳极导电杆；25.镀镍电镀液储液槽；26.镀镍电镀液；27.自吸泵；28.预镀镍通道手动阀；29.密封电镀台排液手动阀；30.密封电镀台下排液口；31.复合电镀液主管路；32.Ni-SiC复合镀层；33.纯镍打底层。

具体实施方式

本实施例是一种Q235钢回转体为待镀中空工件内表面制备Ni-SiC复合镀层的装置，包括复合电镀液循环流动主通道和镀镍电镀液的流动通道。

所述的复合电镀液循环流动主通道包括复合电镀液储液槽1、隔膜泵2、电磁流量计3、密封电镀台4和复合电镀液回流主通道6。所述的镀镍电镀液的流动通道包括镀镍电镀液储液槽25、自吸泵27和密封电镀台下排液口30。在所述复合电镀液循环流动主通道的隔膜泵2与电磁流量计3之间并联有复合电镀液回流支路通道7。

在所述复合电镀液储液槽一侧的底部和中部分别有出液口，形成了电镀液搅拌混合通路。通过该电镀液搅拌混合通路能充分利用复合电镀液循环流动产生的搅拌作用，使分别处于复合电镀液储液槽中上层与下层的SiC微粒充分混合，实现在复合电镀液中均匀分布。具体是：在该复合电镀液储液槽外连接有相互平行的下出水管16和上出水管15，并使所述下出水管的入口端与储液槽底部的出液口连通，使上出水管的入口端与储液槽中部的出液口连通；所述上出水管15的出口端与下出水管连通。所述下出水管16的出口端与隔膜泵2的入口连通。

复合电镀液主管路31的一端与所述隔膜泵2的出口连通，该复合电镀液主管路的另一端与密封电镀台4中的下夹具的密封电镀台进水口18连通；在所述复合电镀液主管路31上串接有电磁流量计3；在该电磁流量计与所述密封电镀台进水口之间串接有复合电镀通道手动阀17。

所述复合电镀液回流支路通道7的一端接入隔膜泵2与电磁流量计3入口的之间的复合电镀液主管路上，另一端与位于复合电镀液储液槽1顶部的复合电镀液储液槽槽盖9上的进液口连通。在所述复合电镀液储液槽内有pH计10、液位计11、热电偶12和加热管13，其中液位计11、热电偶12和加热管13均通过导线与控制面板8连接。

所述密封电镀台4是对现有技术改进得到的。该密封电镀台包括下夹具19、上夹具21、阳极导电杆24；所述下夹具19与上夹具21之间用于安放中空工件20；该下夹具下端的密封电镀台进水口18与所述电磁流量计3的出口通过管路连通。阳极导电杆24位于上夹具的上表面，并通过导线与电镀整流电源5的正极连接，该电镀整流电源5的负极与所述中空工件连接。中空工件20位于下夹具和上夹具之间，从而使所述的复合电镀液循环流动主通道与该中空工件的内腔贯通。上夹具的电镀腔出水口通过管路与所述复合电镀液储液槽1的入水口连通。

在所述上夹具的上表面有电镀腔出水口，该出水口通过管路与位于所述复合电镀液储液槽槽盖上的进液口连通，形成了复合电镀液回流主通道6。

所述的镀镍电镀液的流动通道包括镀镍电镀液储液槽25、自吸泵27和密封电镀台下排液口30。所述镀镍电镀液储液槽25的顶盖上开有管孔，镀镍电镀液管路的一端接入该管孔，镀镍电镀液管的另一端接入复合电镀液主管路31。在所述镀镍电镀液管路上依次连接有自吸泵27和预镀镍通道手动阀28，并使该自吸泵27的进液口与镀镍电镀液储液槽25连通，使该自吸泵27的出液口与所述预镀镍通道手动阀的进液口连通。

在所述镀镍电镀液管路上通过三通接头连接有一段镀镍电镀液排液管，该镀镍电镀液排液管的另一端与下夹具19的镀镍电镀液排液口连通；在所述镀镍电镀液排液管上安装有密封电镀台排液手动阀29。

在进行镀镍时，先关闭复合电镀通道手动阀17，打开预镀镍通道手动阀28和密封电镀台排液手动阀29，启动自吸泵27，镀镍电镀液同时从密封电镀台下排液口30和密封电镀台进水口18进入密封电镀台4。所述密封电镀台4中的电镀腔内充满镀镍电镀液后，关闭自吸泵27、预镀镍通道手动阀28和密封电镀台排液手动阀29让镀镍电镀液保留在电镀腔内进行冲击镀镍。镀镍完成后，打开预镀镍通道手动阀28和密封电镀台排液手动阀29，让镀镍电镀液同时从密封电镀台下排液口30和密封电镀台进水口18流出，回到镀镍电镀液储液槽25中，再关闭预镀镍通道手动阀28和密封电镀台排液手动阀29，打开复合电镀通道手动阀17，开始正常的复合电镀。采用所述过程进行电镀获得的镀层由纯镍打底层32和Ni-SiC复合镀层33组成，能显著提高镀层与基体的结合力。

本发明提供的循环电镀装置的工作原理为：先对储液槽1中的复合电镀液14进行电镀前的预备处理，预备处理主要包括加热电镀液、调节pH、添加新的电镀液、空气搅拌等准备工作，电镀液的参数达到合格电镀工艺要求后，在隔膜泵2驱动下，复合电镀液14从储液槽1底部的下出水管16和/或上出水管15流出进入输液管道内开始循环，经过隔膜泵2后电镀液流入密封电镀台4，完成复合电镀。完成复合电镀后的复合电镀液从位于上夹具上端的密封电镀台上出水口22通过复合电镀液回流主通道6回流至复合电镀液储液槽1内，完成了复合电镀液的循环电镀过程。当密封电镀台4内的复合电镀液完全回流至复合电镀液储液槽后，松开密封组件23，取下已完成复合电镀的工件。

当由隔膜泵2输出的复合电镀液的量大于对工件复合电镀时所需的复合电镀液时，多余的复合电镀液经由复合电镀液回流支路通道7回流至复合电镀液储液槽1中，以降低复合电镀液主管路31中的压力。