一种一体化复合电沉积装置和一体化复合电沉积方法

技术领域

本发明属于电化学沉积技术领域，具体涉及一种一体化复合电沉积装置和一体化复合电沉积方法。

背景技术

电化学，是研究化学现象与电现象之间的相互关系，以及化学能与电能相互转化规律的学科。电化学沉积，是指在外电场作用下电流通过电解质溶液中正负离子的迁移，并在电极上发生得失电子的氧化还原反应，从而形成镀层。在阴极，产生金属离子的还原而获得金属镀层，称为电镀；在阳极，发生阳极金属的氧化而形成氧化膜，称为金属的电化学氧化，简称金属的电氧化。

在电化学沉积过程中，通过向镀液中加入金属等不溶颗粒，可以实现对材料的多种性能的提高，包括耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性，还可以改善摩擦系数、抗微动和抗磨损等性能。

目前，常用的电化学工艺在含有不溶颗粒的电解液电镀时，一般通过磁力搅拌或者其它搅拌将不溶颗粒分散，但是，在上述搅拌过程中电解液会形成漩涡，进而影响金属电沉积与颗粒分布，在试件表面产生流痕状，导致得到的镀层颗粒分布不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化复合电沉积装置和一体化复合电沉积方法，本发明提供的装置能够实现不溶颗粒和金属的均匀沉积，得到的复合镀层中不溶颗粒分布均匀。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种一体化复合电沉积装置，包括母槽A001；所述母槽A001内设置有搅拌装置C001和加热装置E001；

子槽A002；所述子槽A002包括外槽A003和设置在外槽A003中的内槽A004；所述内槽A004的内壁设置有阳极电极；所述内槽A004的底板为筛板；所述外槽A003的底部设置有出入口D001，所述外槽A003的垂直侧壁底部设置有出液口D002；所述外槽A003的出入口D001通过导管分别与母槽A001和输送装置B001的出液口D004相连，输送装置B001的入液口D003通过导管与母槽A001相连；外槽A003的出液口D002通过导管与母槽A001相连。

优选的，所述母槽A001和子槽A002的容量比大于2:1。

优选的，所述母槽A001为以曲面为底面的槽体，所述外槽A003为底面为棱锥结构的槽体。

优选的，所述内槽A004内设置有旋转装置F001，所述旋转装置F001独立设置，可以拆装。

优选的，所述子槽A002中内槽A004的侧壁高度低于外槽A003侧壁高度5～10cm。

优选的，所述输送装置B001为气动隔膜泵。

优选的，所述加热装置E001设置有1～2套；每套加热装置E001包括加热管E002和温度传感器E003；所述加热管E002和温度传感器E003接触设置在母槽A001的侧壁内的任意一侧或两侧。

本发明还提供了上述方案所述一体化复合电沉积装置进行一体化复合电沉积的方法，包括以下步骤：

(1)将镀液和不溶颗粒加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至2.2～3.0m

(2)保持输送装置B001处于开启状态，启动搅拌装置C001进行搅拌，启动加热装置E001进行加热；

(3)保持输送装置B001、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将待沉积试件作为阴极电极进行电沉积，在待沉积试件表面得到复合镀层。

优选的，所述加热的温度为55～60℃。

优选的，所述不溶颗粒的浓度为30～80g/L。

本发明提供了一种一体化复合电沉积装置。本发明通过搅拌装置C001使母槽A001中的镀液与不溶颗粒充分混合均匀得到复合镀液，再通过输送装置B001将复合镀液输送到子槽A002的内槽A004中，内槽A004中的复合镀液溢出后进入通过外槽A003中，然后经过出液口D002通过输送装置B001将复合镀液运送至母槽A001，实现复合镀液循环；本发明提供的一体化复合电沉积装置将作为搅拌槽的母槽A001与作为电沉积槽的子槽A002分开，利用母槽A001中的搅拌装置C001进行搅拌，使不溶颗粒在镀液中均匀分散，其搅拌速度及搅拌方法不影响电沉积效果；电沉积过程中输送装置B001和搅拌装置C001保持工作状态，保证复合镀液组分均匀且充分循环，防止不溶颗粒在母槽底部沉积，实现不可颗粒与金属共沉积；采用本发明的装置进行电沉积时，复合镀液是由下向上涌出的，可以使子槽中的不溶颗粒分布均匀，不会产生漩涡而导致不同部位的不溶颗粒分布不均匀。本发明提供的一体化复合电沉积装置结构简单、易加工、成本低廉且操作方便，可以用于含有不溶颗粒的镀液的复合电沉积，还可以用于具有复杂几何形状的大型工件，如燃气涡轮叶片和精密活门零件等，并且同时适用于化学沉积和电解沉积。

进一步的，本发明采用四面阳极，且试件在电沉积过程中自身旋转，保证零件各部位都能够均匀沉积。

本发明还提供了一种一体化复合电沉积方法。利用上述一体化复合电沉积装置在分散有不溶颗粒的镀液中进行电沉积，只需要控制复合镀液通过输送装置B001的流速为2.2～3.0m

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一体化复合电沉积装置的整体平面示意图；

图2为本发明提供的一体化复合电沉积装置中母槽A001与搅拌装置C001的整体示意图；

图3为本发明提供的一体化复合电沉积装置中在子槽A002内电镀示意图；

图4为本发明提供的一体化复合电沉积装置中子槽A002的底部筛板示意图；

图5为本发明实施例1制备得到的沉积试件效果图(a)及复合镀层表面微观形貌图(b)。

具体实施方式

本发明提供了一种一体化复合电沉积装置，包括母槽A001；所述母槽A001内设置有搅拌装置C001和加热装置E001；

子槽A002；所述子槽A002包括外槽A003和设置在外槽A003中的内槽A004；所述内槽A004的内壁设置有阳极电极；所述内槽A004的底板为筛板；所述外槽A003的底部设置有出入口D001，所述外槽A003的垂直侧壁底部设置有出液口D002；所述外槽A003的出入口D001通过导管分别与母槽A001和输送装置B001的出液口D004相连，输送装置B001的入液口D003通过导管与母槽A001相连；外槽A003的出液口D002通过导管与母槽A001相连。

图1为本发明提供的一体化复合电沉积装置的整体平面示意图，下面结合图1进行详细说明。

本发明提供的一体化复合电沉积装置，包括母槽A001；所述母槽A001内设置有搅拌装置C001和加热装置E001；所述搅拌装置C001优选为板泵；所述板泵的搅拌方式优选为上下搅拌，同时两侧伴有轻微搅动；所述搅拌装置C001优选设置在母槽A001中央(搅拌装置C001的转动搅拌部分位于母槽A001槽体的中心点位置)；所述加热装置E001优选设置有1～2套，更优选为2套；每套加热装置E001优选包括加热管E002和温度传感器E003；所述加热管E002的功率优选为2～5kW，更优选为3kW；所述加热管E002和温度传感器E003接触设置在母槽A001的侧壁内的任意一侧或两侧，更优选接触设置在母槽A001的侧壁内的任意一侧或两侧，进一步优选接触设置在母槽A001的曲面侧壁内的两侧。

在本发明中，所述母槽A001优选为以曲面为底面的槽体，更优选为半圆柱形状，有利于防止不溶颗粒沉积，具体如图2所示；所述母槽A001的槽体内优选设置有两块隔板，所述两块隔板垂直设置，所述两块隔板上边缘与母槽A001边缘平齐，所述两块隔板将母槽A001上部区域划分为左区、中区和右区三部分，搅拌装置C001设置在母槽A001上部区域的中区，将加热装置E001设置在母槽A001上部区域的左区和/或右区，以防止搅拌装置C001对加热装置E001造成破坏，而且不会将母槽A001的槽体完全分隔；所述两块隔板的间距优选占母槽A001槽体最大直径的40％～65％，更优选为45％～55％；所述隔板最下端和母槽A001槽体曲面的垂直距离优选占隔板最上端和母槽A001槽体曲面的垂直距离的25％～55％，更优选为30％～45％；所述隔板设置有对流孔；每片所述隔板上对流孔的个数优选不少于1个，更优选为1～2个；所述对流孔面积占所述隔板面积的5％～20％，更优选为7％～12％；所述母槽A001的材质优选为塑料或不锈钢，所述塑料优选包括聚丙烯、聚四氟乙烯或三丙聚乙烯。本发明提供的一体化复合电沉积装置结构简单，易于操作，制作简单且成本低廉。

图2为本发明提供的一体化复合电沉积装置中母槽A001与搅拌装置C001的整体示意图，本发明将搅拌装置C001设置在母槽A001中央，可以充分搅拌复合镀液中的不溶颗粒，提高复合镀液的均匀性。

本发明提供的一体化复合电沉积装置包括子槽A002；所述子槽A002优选设置在母槽A001上方；所述子槽A002包括外槽A003和设置在外槽A003中的内槽A004。在本发明中，所述母槽A001和子槽A002(外槽A003和内槽A004的容量之和)的容量比优选大于2:1，更优选为(2～6):1，进一步优选为3:1；所述外槽A003优选为底面为棱锥结构的槽体，更优选为底面为四棱锥结构的槽体，进一步优选为长方体和四棱锥的组合体，本发明将外槽设置为上述结构，可以避免不溶颗粒沉积在槽底；所述内槽A004优选为长方体、正方体、圆柱体或棱柱形状，更优选为长方体；所述内槽A004的侧壁高度优选低于外槽A003侧壁高度5～10cm，更优选为8～10cm；所述内槽A004的底板优选为筛板，以和外槽A003互通；所述筛板的形状优选为网格状，具体如图4所示，可以提高复合镀液的均匀程度，避免复合镀液中不溶颗粒沉积，改善电沉积效果；所述筛板的通孔面积优选占筛板总面积的30％～60％，更优选为40％～50％。在本发明中，所述通孔的直径优选为一体化复合电沉积装置工作时所用复合镀液中不溶颗粒的直径的2倍以上，更优选为2～4倍。本发明将母槽A001和子槽A002设置为上述结构，有利于防止不溶颗粒沉积；所述子槽A002的材质优选为塑料或内衬塑料不锈钢；所述塑料优选包括聚丙烯、聚四氟乙烯或三丙聚乙烯。

在本发明中，所述外槽A003和内槽A004的容积比优选为(50～60):(20～30)，更优选为(55～60):(20～25)；所述内槽A004的内壁设置有阳极电极，所述阳极电极悬挂在槽壁边缘，所述阳极电极优选距离槽边及槽底3～5cm；所述内槽A004中优选设置有旋转装置F001，所述旋转装置F001更优选设置在内槽A004中央；所述旋转装置F001上设置有阴极电极，具体的，本发明是以待沉积试件为阴极电极，在进行电沉积时，将待沉积试件悬挂到旋转装置上，可以使得阴极材料在电沉积过程中旋转，保证电沉积的均匀性。本发明对所述旋转装置F001的种类没有特殊要求，只要可以使待沉积试件旋转即可，所述旋转装置F001放置在子槽A002上方即可固定。在本发明中，所述外槽A003的底部设置有出入口D001，优选设置在外槽A003的底部中央；所述外槽A003的出入口D001通过导管与母槽A001相连；所述导管与母槽A001连接处优选安装有止逆阀；所述外槽A003的垂直侧壁底部设置有出液口D002；本发明的一体化复合电沉积装置工作时出入口D001和出液口D002开启，止逆阀关闭，本发明一体化复合电沉积装置工作完毕，止逆阀打开，以将子槽A002中的复合镀液排放干净。

在本发明中，所述外槽A003的出入口D001通过导管分别与母槽A001和输送装置B001的出液口D004相连，输送装置B001的入液口D003通过导管与母槽A001相连；所述输送装置B001优选为气动隔膜泵；连接外槽A003的出入口D001和输送装置B001的出液口D004的导管，用于向外槽A003输入复合镀液，连接输送装置B001的入液口D003和母槽A001的导管，同样用于向外槽A003输入复合镀液；外槽A003的出液口D002通过导管与母槽A001相连，当复合镀液通过输送装置B001进入外槽A003后，再通过内槽A004的底板进入内槽A004，然后从子槽A002的内槽A004溢出到外槽A003，最后复合镀液经过出液口D002通过导管回流到母槽A001，实现复合镀液循环；所述导管的材质优选为塑料，所述塑料优选包括聚丙烯、聚四氟乙烯或三丙聚乙烯。在本发明中，所述阳极电极和阴极电极优选通过开关和导线连接，具体如图3所示。

本发明还提供了上述方案所述一体化复合电沉积装置进行一体化复合电沉积方法，包括以下步骤：

(1)将镀液和不溶颗粒加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至2.2～3.0m

(2)保持输送装置B001处于开启状态，启动搅拌装置C001进行搅拌，启动加热装置E001进行加热；

(3)保持输送装置B001、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将待沉积试件作为阴极电极进行电沉积，在待沉积试件表面得到复合镀层。

本发明将镀液和不溶颗粒加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至2.2～3.0m

启动输送装置B001并将流速调节至2.2～3.0m

启动加热装置E001进行加热后，本发明保持输送装置B001、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将待沉积试件作为阴极电极，进行电沉积，在待沉积试件表面得到复合镀层。在本发明中，所述待沉积试件作为阴极电极优选将待沉积试件通过导电铜线与旋转装置F001上的导电挂钩相连，所述导电铜丝缠绕在待沉积试件一端或插入待沉积试件孔洞中；所述旋转装置F001的旋转速率优选为10～50s/转，更优选为25～35s/转；所述电沉积的电流密度优选为2～5A/dm

在本发明中，所述待沉积试件优选包括不锈钢、高温合金或碳钢金属零部件；所述高温合金优选包括GH4169高温合金或GH738高温合金；本发明对所述待沉积试件的形状没有要求，任意形状的待沉积试件均可；在本发明的具体实施例中，所述待沉积试件的形状优选为不锈钢圆柱试件、GH4169杆状精密活门零件或GH738高温合金圆片试件；所述待沉积试件作为阴极电极进行电沉积前优选进行预处理；当所述待沉积试件为不锈钢或高温合金时，所述预处理优选包括依次进行的表面处理、活化处理和预镀处理；所述表面处理优选使用砂纸将待沉积试件表面打磨平整，表面无明显划痕与锈迹，之后对待沉积试件进行除油；所述砂纸的型号优选为600～1500目，更优选为800～1200目；所述电解除油的温度优选为45～55℃，更优选为48～52℃；所述除油包括电解除油或化学除油；所述电解除油包括依次进行阳极电解和阴极电解；所述阳极电解的时间优选为3～10min，更优选为5～7min；所述阴极电解的时间优选为10～60s，更优选为20～40s；本发明对所述阳极电解和阴极电解没有特殊要求，采用本领域的常规操作即可；所述化学除油用溶液优选包括溶质和水，所述溶质优选包括Na

在本发明中，所述活化处理优选对待沉积试件依次进行酸洗和活化；所述酸洗用溶液优选为盐酸溶液；所述盐酸溶液的浓度优选为190～235g/L，更优选为200～220g/L；所述酸洗的时间优选为1～2min，更优选为2min；所述活化用溶液优选为氢氟酸和盐酸的混合溶液，所述氢氟酸和盐酸的混合溶液中氢氟酸的浓度优选为9.0～13.5g/L，更优选为11g/L，所述氢氟酸和盐酸的混合溶液中盐酸的浓度优选为8～13g/L，更优选为10g/L；所述活化的时间优选为1～2min，更优选为2min。

在本发明中，所述预镀处理优选在待沉积试件表面进行预镀镍；所述预镀镍用溶液优选包括NiCl

当所述待沉积试件为精密活门零件时，所述预处理优选包括依次进行的封胶处理、表面处理、活化处理和预镀处理；所述封胶处理优选对精密活门零件不需电沉积部位进行封胶处理，留出需要电沉积部位，配备相对应夹具；所述表面处理优选对精密活门零件进行除油；所述除油与所述待沉积试件为不锈钢或高温合金时一致；所述活化处理和预镀处理优选与所述待沉积试件为不锈钢或高温合金时一致。

在本发明中，所述电沉积结束后优选将沉积镀件取出，然后依次进行洗涤和干燥。在本发明中，所述洗涤用试剂优选为去离子水；所述洗涤的次数优选为1～5次，更优选为2～4次；所述干燥的温度优选为20～35℃，更优选为25～30℃，所述干燥的时间优选为5～15min，更优选为8～12min。在本发明中，当所述待沉积试件为精密活门零件时，优选在干燥后进行脱胶处理，以去除封胶处理时沉积镀件表面的封胶；本发明对所述脱胶处理没有特殊要求，采用本领域常用的脱胶处理手段即可。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明的方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

由一体化复合电沉积装置制备不锈钢圆柱试件，镀层为Ni-cBN复合镀层：

(1)不锈钢试件表面处理：使用600～1500目砂纸将不锈钢试件表面打磨平整，表面无明显划痕与锈迹；对不锈钢试件进行电解除油，在50℃条件下，阳极电解5min，阴极电解30s；

(2)不锈钢试件活化处理：对不锈钢试件依次进行酸洗和活化，酸洗溶液为200g/L盐酸溶液，酸洗时间为2min，活化溶液为氢氟酸和盐酸的混合溶液，所述氢氟酸和盐酸的混合溶液中氢氟酸的浓度为11g/L，盐酸的浓度为10g/L，活化时间为2min；

(3)不锈钢试件预镀镍：在不锈钢试件表面进行预镀镍，预镀镍工艺为：预镀镍溶液包括NiCl

(4)将不锈钢试件作为阴极电极进行电沉积时，复合镀液组成为：Ni(NH

(5)将复合镀液加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至2.2m

(6)保持输送装置B001(气动隔膜泵)处于开启状态，启动搅拌装置C001以400rpm速率进行搅拌，启动加热装置E001加热至55℃；

(7)保持输送装置B001(气动隔膜泵)、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将不锈钢试件通过导电铜丝挂钩固定在旋转装置F001的导电挂钩上，启动旋转装置F001开始旋转，将不锈钢试件作为阴极电极进行电沉积，电沉积温度为60℃，电沉积时间为60min，在不锈钢试件表面得到复合镀层；

(8)取出不锈钢试件，清洗干燥。

实施例2

由所述一体化复合电沉积装置制备GH4169杆状精密活门零件，镀层为Ni-cBN复合镀层：

(1)GH4169杆状精密活门零件试件封胶处理：在对GH4169杆状精密活门零件试件电沉积之前，对GH4169杆状精密活门零件试件不需电沉积部位进行封胶处理，留出需要电沉积部位，配备相对应夹具；

(2)GH4169杆状精密活门零件试件表面处理：对GH4169杆状精密活门零件试件进行化学除油，化学除油用溶液中含有Na

(3)GH4169杆状精密活门零件试件活化处理：对GH4169杆状精密活门零件试件依次进行酸洗和活化，酸洗溶液为200g/L盐酸溶液，酸洗时间为2min，活化溶液为氢氟酸和盐酸的混合溶液，所述氢氟酸和盐酸的混合溶液中氢氟酸的浓度为11g/L，盐酸的浓度为10g/L，活化时间为2min；

(4)GH4169杆状精密活门零件试件预镀镍：在GH4169杆状精密活门零件试件表面进行预镀镍，预镀镍用溶液包括NiCl

(5)将GH4169杆状精密活门零件试件作为阴极电极进行电沉积时，复合镀液组成为：Ni(NH

(6)将复合镀液加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至2.7m

(7)保持输送装置B001(气动隔膜泵)处于开启状态，启动搅拌装置C001以400rpm速率进行搅拌，启动加热装置E001加热至60℃；

(8)保持输送装置B001(气动隔膜泵)、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将GH4169杆状精密活门零件试件通过导电铜丝挂钩固定在旋转装置F001的导电挂钩上，启动旋转装置F001开始旋转，将GH4169杆状精密活门零件试件作为阴极电极进行电沉积，电沉积温度为55℃，电沉积时间为30min，在GH4169杆状精密活门零件试件表面得到复合镀层；

(9)取出GH4169杆状精密活门零件试件，清洗干燥，脱胶。

实施例3

由所述一体化复合电沉积装置制备GH738高温合金圆片试件，镀层为Ni-cBN复合镀层：

(1)GH738高温合金圆片试件表面处理：使用600～1500目砂纸将GH738高温合金圆片试件表面打磨平整，表面无明显划痕与凹坑；对GH738高温合金圆片试件进行化学除油，化学除油用溶液中含有Na

(2)GH738高温合金圆片试件活化处理：对GH738高温合金圆片试件依次进行酸洗和活化，酸洗溶液为200g/L盐酸溶液，酸洗时间为2min，活化溶液为氢氟酸和盐酸的混合溶液，所述氢氟酸和盐酸的混合溶液中氢氟酸的浓度为11g/L，盐酸的浓度为10g/L，活化时间为2min；

(3)GH738高温合金圆片试件预镀镍：在GH738高温合金圆片试件表面进行预镀镍，预镀镍用溶液包括NiCl

(4)将GH738高温合金圆片试件作为阴极电极进行电沉积时，复合镀液组成为：Ni(NH

(5)将复合镀液加入母槽A001和子槽A002中，启动输送装置B001并将流速调节至3.0m

(6)保持输送装置B001(气动隔膜泵)处于开启状态，启动搅拌装置C001以400rpm速率进行搅拌，启动加热装置E001加热至60℃；

(7)保持输送装置B001(气动隔膜泵)、搅拌装置C001和加热装置E001处于开启状态，将GH738高温合金圆片试件通过导电铜丝挂钩固定在旋转装置F001的导电挂钩上，启动旋转装置F001开始旋转，将GH738高温合金圆片试件作为阴极电极进行电沉积，电沉积温度为50℃，电沉积时间为60min，在GH4169高温合金圆片试件表面得到复合镀层；

(8)取出GH4169高温合金圆片试件，清洗干燥。

图5为本发明实施例1制备得到的沉积试件效果图(a)及复合镀层表面微观形貌图(b)，根据图5中(a)可知，本发明实施例1制备得到的沉积试件的表面光滑，没有明显的结构缺陷；根据图5中(b)可知，本发明实施例1制备得到的复合镀层的组分均匀，不溶颗粒均匀分布在复合镀层表面，没有出现团聚现象和划痕缺陷。

由以上实施例可知，本发明提供的一体化复合电沉积方法利用上述一体化复合电沉积装置，可以用于含有不溶颗粒的镀液的复合电沉积，还可以用于具有复杂几何形状的大型工件，得到的复合镀层组分均匀，力学性能优异。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。