一种粉末预先层铺式复合电铸装置的制作方法

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种粉末预先层铺式电沉积装置、利用该预先层铺式电沉积设备快速制备镍及镍合金的新方法。

背景技术：

电铸技术具有复制性能好、加工成本低廉、加工设备相对简单等特点在镍及镍合金制备方面获得广泛应用。复合电铸是一种通过在电解液中添加固体颗粒或纤维，将其沉积到电铸层中。关于复合电铸，CN201410639432公开了一种耐腐蚀耐磨金属表面镀层及其制备方法，在电解液中添加银粉和秸秆粉获得复合表面镀层；CN201410450868公开了一种碳纳米管-铜基复合粉体的电沉积制备方法，将硫酸铜、硫酸、经处理后的碳纳米管、添加剂和水混合均匀后配置成电解液，实现了碳纳米管在铜颗粒中的均匀分布；CN201410373837公开了一种碳纳米管和/或石墨烯增强铅基复合阳极制备方法，将可溶性铅盐、支持电解质、碳纳米管和/或石墨烯、分散剂和水混合均匀后配置成电解液，在电解液中电沉积即能在阴极得到碳纳米管和/或石墨烯铅基复合粉体。

但电铸技术同时存在电铸沉积速率慢的缺点，金属的沉积速率一半每小时沉积数十微米，电铸加工时间长，效率低，成为制约其发展的关键因素。传统的电铸沉积技术受限于电沉积的速率，成形速率慢，无法满足较大工件的成形，而复合电沉积则用于制备复合沉积层。

技术实现要素：

针对传统电铸技术的效率较低的问题，本发明综合复合电铸技术提出了一种粉末预先层铺式复合电铸装置，可用于快速沉积Cu、Ni、Zn、Cr、Sn、Ag等金属及合金的沉积，也可用于用这些金属及合金作为基体的复合材料的快速沉积。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种粉末预先层铺式复合电铸装置，包括电源、电沉积室、阴极极板和阳极极板，阴极极板和阳极极板沉浸在电解液中并且上下平行对置，其特征在于，所述粉末预先层铺式复合电铸装置还包括升降系统、预铺粉系统和控制系统；

所述控制系统控制升降系统的升降以及调节电解液的温度；

所述升降系统实现阴极极板和预铺粉系统的间歇式升降；

所述预铺粉系统包括送粉轴轮、储粉腔和第一推杆，第一推杆推动送粉轴轮将储粉腔的粉末水平输送至阴极极板处，并将粉末铺设于阴极极板上，通过送粉轴轮的往复运动实现粉末压实；

所述预铺粉系统与阴极极板表面平行位于同一平面。

本发明给出控制系统的实现方式：控制系统包括控制器、升降控制装置、温度控制装置，所述温度控制装置包括加热器和温度计，温度控制装置实现对电解液温度进行检测并使电解液温度在室温与80℃之间调节。

第一推杆穿过电沉积室侧壁与送粉轴轮连接，送粉轴轮位于储粉腔上部并可在第一推杆作用下在储粉腔上表面移动，所述送粉轴轮表面粗糙度为3.2μm～6.3μm。

升降系统包括第二推杆和第三推杆，第二推杆和第三推杆穿过电沉积室底部并分别与储粉腔中的推板和阴极极板连接，所述第二推杆推动储粉腔中的推板竖直移动将储粉腔的粉末顶出，第三推杆推动阴极极板竖直移动。

所述预铺粉系统单次铺粉厚度为0.5～2.0mm。

所述阴极极板和阳极极板距离在20～100mm。

所述送粉轴轮沿轴向方向比储粉腔每边宽10～15mm。

在所述送粉轴轮两侧安装有导滑槽，送粉轴轮推动粉末沿导滑槽往前送进，导滑槽宽度为70～75mm，深度为4～6mm。

所述第二推杆每次升降高度为1～4mm，第三推杆单次升降高度为0.5～2mm，第二推杆和第三推杆升降精度均为0.1mm。

一种采用粉末预先层铺式复合电铸装置制备金属及合金的方法，该方法包括金属粉末的预处理、电解液配制、阴极极板初处理、粉末的预铺和电沉积成形，其特征在于，所述金属粉末包括粒度范围在2μm～50μm的不同粒径的金属粉末，该方法所使用的电解液中加入了乙醇、柠檬酸和苯亚磺酸钠，所述柠檬酸质量浓度为2～40g/L，所述乙醇质量浓度为100～500mL/L，苯亚磺酸钠质量浓度为0.2～0.4g/L。

本发明的有益效果是：

采用本发明的装置制备金属和合金铸件具有沉积速率快，结晶组织致密、表面质量好等优点。此外，由于预铺的金属或合金粉末通过快速凝固技术制备，固溶度高、粉末晶粒细小，可实现良好的细晶强化、弥散强化和颗粒强化，可提高铸件的力学性能和成分均匀性，并可实现成分的可调。本发明不需要复杂的设备，而且工艺简单、材料来源广、价格低廉、制备成本低，本发明的研究与应用拓宽了电铸技术的应用领域。

附图说明

图1为本发明粉末预先层铺式复合电铸装置的结构示意图；

图2粉末预先层铺式复合电铸装置俯视图

图3为本发明粉末预先层铺式复合电铸原理图；

图4为预铺镍粉的电铸镍扫描电镜组织；

图5为添加2g/L苯亚磺酸钠光亮剂后沉积镍表层形貌扫描电镜照片。

图中各标号的含义为：1-电源，2-电沉积室，3-阴极极板，4-阳极极板，5-升降系统，6–预铺粉系统，7-控制系统；

51-第二推杆，52-第三推杆；61-送粉轴轮，62-储粉腔，63-第一推杆，64-导滑槽；71-控制器，72-升降控制装置，73-温度控制装置，731-加热器，732-温度计。

具体实施方式

以下是发明人提供的具体实施例，需要说明的是，该实施例是用以对本发明作进一步的解释说明，本发明的保护范围并不限于该实施例。

实施例1：

采用本发明的装置制备金属及合金材料的具体步骤包括金属粉末的预处理、电解液配制、阴极极板初处理、粉末的预铺、电沉积成形。

(1)金属粉末的预处理。①为了提高粉末的压实密度，采用较宽的粉末粒度范围(2μm～50μm)，采用不同粒度的粉末颗粒，采用小颗粒的粉末填充大颗粒之间的间隙，提高粉末的松装密度和压实密度，减少电铸时金属的沉积量，提高电铸成形速率；②为提高粉末的表面活性，对粉末进行球磨处理，在球磨机中用乙醇作为球磨介质湿磨2h；③润湿处理和去除表面油污方法就是在金属粉末加入电解液之前用4mL/L聚丙烯酸溶液浸泡约10h。

(2)电解液配制。采用去离子蒸馏水配制，并添加无水乙醇，利用含乙醇电解液的低沸点实现低温、低电压电沉积。电解槽内含有去离子蒸馏水、乙醇、C₆H₈O_7、NaCl溶液、以及被沉积金属的主盐，C₆H₈O₇作为pH值平衡剂，NaCl为导电剂。NaCl浓度为2～7.5g/L，C₆H₈O₇浓度为2～40g/L，乙醇浓度为100～500mL/L，被沉积金属的主盐浓度为200g/L。整个过程中严格避免污染物或杂质的进入，必要时需要对其进行除杂处理，配制完毕后，需对电解液进行除杂处理。

(3)阴极极板初处理。对阴极极板依次进行，抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。其中抛光可采用①机械抛光，②电解抛光，③化学抛光，其目的是彻底除去极板表面的氧化层、不易去除污迹以及微小毛刺。根据尺寸大小以及形状要求，可以选择上述抛光方法的一种或者几种方法。用丙酮或无水乙醇反复清洗阴极表面，以对其进行除油处理，然后将极板置于稀硫酸浸蚀一段时间，最后用蒸馏水多次冲洗后干燥。

(4)粉末的预铺。活化后的金属粉放置于粉末储藏腔内，由升降装置顶出定量粉末，且另一升降装置将阴极下降一定高度，由送粉轴轮将粉末推送至阴极表面覆盖一定高度。

(5)电沉积成形。电流密度为500A/m²～A/m²，电解液温度为40～80℃。电源接通后，金属阳极在阳极腔溶解，金属离子在预铺粉末间隙间沉积在阴极极板上，并与预铺粉末结合在一起，通过沉积金属将预铺粉末连接起来，形成预铺层金属与沉积金属沉积层。

实施例2：

本实施例中：

阴极基体材料采用紫铜片，尺寸为50mm×50mm×2mm；

阳极材料为纯度为99.9％以上的镍板，形状为50mm×50mm×5mm，阴阳极采用沉浸在电解液中的平行对置式，阴阳极距离在50mm之间；

阳极镍为平面，所述阴极铜片也为平面，阴阳极保持平行，所述的预铺镍粉也保持平行，与阴阳极表面平行，层保证阴极表面电沉积速率的相等，并使沉积层均匀增厚；

所述电铸系统中采用电热管加热，温度控制系统实现温度在室温与80℃之间可调，温度调节精度为0.5℃；

本实施例中采用镍作为沉积金属，选择球形镍粉为预铺金属粉末，粒径分别为61μm(240目)、25μm(500目)、13μm(1000目)、10μm(1340目)、6.5μm(2000目)，粉末个数比值为1：1：2：8：8，按质量比为61μm(240目)：25μm(500目)：13μm(1000目)：10μm(1340目)：6.5μm(2000目)＝103.31：7.12：2：3.04：1配制混合粉末，各种粒径与比例根据Horsfield密实堆积理论，提高粉末的堆积密度，采用行星式球磨机将混合粉末混合均匀，采用不锈钢真空罐和玛瑙球，加入无水乙醇作为分散剂，球磨2h将粉末混合均匀，并提高粉末表面活性。

将球磨混合后的粉末加入本发明粉末预先层铺式复合电铸装置，装置的送粉轴轮比储粉腔和沉积腔每边宽10mm，即送料轴轮总长为70mm，在往沉积腔送粉、铺粉时，送料轴轮推动粉末沿导滑槽往前送进，导滑槽宽度为70mm，深度为5mm，防止粉末在送粉过程中两侧洒出，送粉轴轮为耐热有机玻璃材质，表面粗糙度为3.2μm。

先在储粉腔充填混合镍粉后，电沉积腔中加入电解液，电解液成分为：采用去离子蒸馏水，NaCl 7g/L，柠檬酸(C₆H₈O₇)10g/L，C₂H₅OH 100mL/L，氯化镍(NiCl₂·6H₂O)作为主盐，含量为200g/L，主盐加入速率为5mL/min。沉积前将称好的NaCl和C₆H₈O₇及添加剂放入电解槽，加入溶剂，置入电极。通过加热装置对溶液进行预热，加入氯化镍(NiCl₂·6H₂O)，接通电源开始稳定放电，开始在预铺镍粉的阴极上沉积。

如图3所示，镍粉预先层铺式复合电铸过程为，当所述送粉轴轮完成一次送粉时，镍粉均匀铺设在沉积层表面(或阴极片上)并被压实，电解液中的Ni2⁺离子被还原以已沉积镍层为阴极开始沉积，被还原的镍填充在金属镍粉颗粒之间，沉积金属镍与预铺镍粉结合在一起，并与已沉积的镍层结合在一起，沉积层铸件变厚，当沉积镍将预铺镍粉之间的空隙填充完毕后，送粉装置再次进行铺镍粉，如此循环，直至完成完成电铸。镍粉预铺式电沉积镍沉积层的表面形貌如图4所示，可以看出预铺镍粉颗粒之间被沉积镍填充，沉积镍与预铺镍粉颗粒之间结合紧密。由于采用预铺镍粉，降低了镍的沉积量，经压实后的多颗粒度混合镍粉相对密度可达70％以上，因此镍沉积层的增厚速率可提高到3倍以上，且镍沉积层致密均匀。

沉积时采用100mL/L的C₂H₅OH，有利于提高镍的沉积速率；柠檬酸(C₆H₈O₇)为10g/L时，有利于提高镍的沉积速率，柠檬酸浓度过低时，溶液中出现絮状物，镍沉积速率低。柠檬酸的加入使溶液中的Ni2⁺由水合粒子变为配位粒子提高阴极极化程度，提高镍的沉积速率。以氯化镍(NiCl₂·6H₂O)作为主盐，Cl^-离子为阳极活化剂，可抑制阳极钝化，降低阳极镍板的溶解电位，加速阳极溶解，提高溶液中Ni²⁺浓度，提高镍的沉积速率。

沉积前，送粉轴轮在送粉前回到储料腔左侧，送料腔升降装置推动推杆，推杆推板将储料腔的粉末顶出，而所述沉积腔的升降装置下降一定高度，沉积层表面低于沉积腔上表面1.0mm，送料轴轮推动金属粉末进入沉积腔，并将粉末均匀铺于沉积层的上表面，并通过轴轮压实。完成送料后，送粉轴轮回到初始位置准备下一次送粉。

完成铺粉后，电沉积室内充电解液。电解液中添加光亮剂，提高沉积层的质量，在电解液中添加0.2g/L的苯亚磺酸钠，可显著提高沉积金属晶粒的均匀性，改善沉积层的质量，添加光亮剂后沉积镍的表层如图5所示，表面沉积颗粒均匀，光洁度高。

实施例3：

本发明的电源可以采用脉冲电源，进行等离子电铸；本发明所述的铺粉装置的铺粉轮轴的推杆与沉积室侧壁之间采用间隙配合、储料腔侧壁、沉积室侧壁采用玻璃材质，储料腔粉末升降装置和沉积室阴极升降装置的推版采用耐热有机玻璃材质，储料腔粉末升降装置的推板与储料腔侧壁之间采用间隙配合，沉积室阴极升降装置的推版与沉积室侧壁之间采用间隙配合，防止电解液流出；所述的铺粉装置的铺粉轮轴的推杆、粉末升降装置和阴极升降装置的推杆与电解槽上的孔之间采用间隙配合；采用耐热有机玻璃材质，满足电铸过程中高电压、电解液的腐蚀性和较高温度的特点。

本发明的粉末预先层铺式复合电铸装置升降系统及预铺粉系统工作原理为：

升降系统采用间歇式升降，沉积前储料腔的升降装置顶出1～4mm并停止，升降精度为0.1mm，则粉末高出储料腔边缘1～4mm，沉积腔阴极升降装置下降0.5～2mm并停止，则阴极低于沉积室边缘0.5～2mm并停止，升降精度为0.1mm，铺粉轴轮将高出储料腔边缘的粉末推至沉积室并将沉积室阴极表面的粉末压实，铺粉轴轮回程时再次将粉末压实；当沉积金属将沉积腔阴极表面的粉末间隙填满后，粉末储料腔升降装置再次将粉末顶出1～4mm并停止，而沉积室阴极升降装置再次下降0.5～2mm并停止，进行下一阶段沉积，如此循环。

本发明的粉末预先层铺式复合电铸装置工作过程为：

本发明所述的送粉轴轮在送粉前回到储料腔左侧，送料腔升降装置推动推杆，推杆推板将储料腔的粉末顶出，而所述沉积腔的升降装置下降一定高度，沉积层表面低于沉积腔上表面0.5～2.0mm，所述的粉末升降装置和阴极升降装置采用间歇式升降，升降精度为0.1mm，送料轴轮推动金属粉末进入沉积腔，并将粉末均匀铺于沉积层的上表面，并通过轴轮压实。完成送料后，送粉轴轮回到初始位置准备下一次送粉。

如图3所示，当送粉装置完成一次送粉时，粉末均匀铺设在沉积层表面并被压实，电解液中的金属离子被还原以已沉积层为阴极开始沉积，被还原的金属填充在金属粉末颗粒之间，沉积金属与预铺的金属粉末成分一致，沉积金属与预铺金属粉末结合在一起，并与已沉积的金属层结合在一起，沉积层铸件变厚，当沉积金属将预铺金属粉末之间的空隙填充完毕后，送粉装置再次进行铺粉，如此循环，直至完成电铸。