中空工件內表面制備Ni?SiC復合鍍層的裝置的制作方法

本發明涉及金屬材料表面改性技術及設備領域，具體是一種用于在回轉體或不規則腔體等中空工件的內表面上制備Ni-SiC復合鍍層的循環電鍍設備。

背景技術：

采用循環電鍍裝置在中空工件內表面制備Ni-SiC復合鍍層時，主要存在以下問題：(1)出水口設置在下夾具底部，易造成復合電鍍液不能充滿密封電鍍臺內由工件內表面與陽極外表面形成的電鍍腔，導致工件上端沒有沉積復合鍍層；(2)SiC微粒在電鍍液中分散性差，導致復合鍍層中SiC微粒含量低，均勻性差；(3)Ni-SiC復合鍍層與工件基體間的結合力差。

專利JPA1995188990的裝置在循環通道上設置有空氣攪拌支路，空氣攪拌支路上的壓縮空氣泵向復合電鍍液中混入空氣，進而對復合電鍍液進行空氣攪拌。但是，循環通道內的復合電鍍液的流速越大，由壓縮空氣泵提供的向電鍍液中混入空氣所需的壓力越大，空氣越難混入。當電鍍液的流速超過某一臨界值時，壓縮空氣泵提供的壓力不僅不足以使空氣混入復合電鍍液中，反而，復合電鍍液會倒流到空氣浮子流量計和空氣壓縮泵中，即使所述空氣攪拌支路上設置有雙向止流閥也不能阻止復合電鍍液的回流。因而，若在電鍍裝置上設置空氣攪拌支路，則不能選擇過大的電鍍液流速，限制了復合電鍍液體積流量的選擇范圍，而復合電鍍液體積流量的選擇直接決定裝置的攪拌效率和復合電鍍的沉積速率。因此，合理設計電鍍裝置的結構，使裝置提供的攪拌方式既能實現SiC在復合電鍍液中充分懸浮、均勻分散的效果，又能提高攪拌效率，具有重要意義。

專利JPA1999350195和US5647967中裝置的電鍍腔出水口均設置在下夾具底部。其優勢在于電鍍液能在重力的作用下回流到儲液槽中，而不需要借助水泵的壓力回流，具有節能環保的作用；其劣勢在于當復合電鍍液體積流量較低時，復合電鍍液進入電鍍腔的速度小于流出電鍍腔的速度，因而復合電鍍液始終不能充滿電鍍腔，導致工件上端并未沉積復合鍍層。但是，復合電鍍液體積流量越小，即復合電鍍液的流速越小，復合鍍層中SiC含量越高，鍍層沉積速率越快。因此，解決采用較低復合電鍍液體積流量進行復合電鍍時出現的復合電鍍液不能充滿電鍍腔的問題，對于高效快速地制備SiC含量高的Ni-SiC復合鍍層具有重要意義。

專利US005540829A中提供了一種提高復合鍍層結合力的方法：在復合電鍍的前90s內電鍍液流速和電流密度分別設置為48m/s和14A/dm²，獲得一層SiC含量低的復合鍍層作為打底層；90s后，電鍍液流速和電流密度分別設置為15m/s和28A/dm²，制備一層SiC高的Ni-SiC復合鍍層。但是這種方式在實際操作中很難實現，因為制備打底層的時間只有90s，而獲得打底層后將電鍍液的流速由48m/s調至15m/s的過程耗時較長，因為為了保護電鍍裝置，需逐步調節電鍍液的流速，且由于人為手動操作無法精確控制調節時間造成復合電鍍過程具有不可重復性，導致制備的Ni-SiC復合鍍層也具有不穩定性，因而并不能有效解決復合鍍層結合力差的問題。目前，對于提高在電鍍液循環流動的電鍍裝置上制備的復合鍍層的結合力的研究尚屬空白。

西北工業大學在申請號為201610810698.2的發明創造中提出了一種制備中空工件內表面Ni-SiC復合鍍層的裝置，該裝置考慮到利用重力、節能環保的優勢而將電鍍腔出水口設置在下夾具底部，出現了當復合電鍍液體積流量為1.6h/m³時工件上端未沉積Ni-SiC復合鍍層的現象。在所述裝置中制備Ni-SiC復合鍍層的過程，具有沉積速率快(83μm/30min)和SiC含量高的特點，但是復合鍍層與基體的結合力較差，說明在所述裝置中采用的制備打底層改善結合力的方法效果并不明顯。另外，當流入電鍍腔對工件進行復合電鍍時所需的復合電鍍液的量小于電鍍液循環泵正常工作時輸出的復合電鍍液的量時，輸送管道內的水壓較大易對輸送管道造成損傷或破壞。

因此，研究能安全高效地在中空工件內表面制備SiC含量高且分布均勻、結合力好和表面完整的Ni-SiC復合鍍層的電鍍液循環流動的電鍍裝置，對于解決回轉體或不規則腔體等中空工件內表面力學性能不能滿足實際應用要求的問題，具有重要意義。

技術實現要素：

為克服現有技術中存在的復合鍍層與基體的結合力較差、易對輸送管道造成損傷或破壞的不足，本發明提出了一種中空工件內表面制備Ni-SiC復合鍍層的裝置。

本發明包括復合電鍍液循環流動主通道和鍍鎳電鍍液的流動通道；所述的復合電鍍液循環流動主通道包括復合電鍍液儲液槽、隔膜泵、電磁流量計、密封電鍍臺、復合電鍍液主管路和復合電鍍液回流主通道，其中復合電鍍液主管路的一端與所述隔膜泵的出口連通，該復合電鍍液主管路的另一端與密封電鍍臺中的下夾具的密封電鍍臺進水口連通；電磁流量計串接在所述復合電鍍液主管路上；在該電磁流量計與所述密封電鍍臺進水口之間串接有復合電鍍通道手動閥。所述的鍍鎳電鍍液的流動通道包括鍍鎳電鍍液儲液槽、自吸泵和密封電鍍臺下排液口。在所述復合電鍍液循環流動主通道的隔膜泵與電磁流量計之間并聯有復合電鍍液回流支路通道。所述復合電鍍液回流支路通道的一端接入隔膜泵與電磁流量計入口的之間的復合電鍍液主管路上，另一端與位于復合電鍍液儲液槽頂部的復合電鍍液儲液槽槽蓋上的進液口連通。

所述密封電鍍臺中的上夾具的上表面有電鍍腔出水口，該出水口通過管路與位于所述復合電鍍液儲液槽槽蓋上的進液口連通，形成了復合電鍍液回流主通道。

所述的鍍鎳電鍍液的流動通道包括鍍鎳電鍍液儲液槽、自吸泵和密封電鍍臺下排液口。所述鍍鎳電鍍液儲液槽的頂蓋上開有管孔，鍍鎳電鍍液管路的一端接入該管孔，鍍鎳電鍍液管的另一端接入復合電鍍液主管路。在所述鍍鎳電鍍液管路上依次連接有自吸泵和預鍍鎳通道手動閥，并使該自吸泵的進液口與鍍鎳電鍍液儲液槽連通，使該自吸泵的出液口與所述預鍍鎳通道手動閥的進液口連通。

在所述鍍鎳電鍍液管路上通過三通接頭連接有一段鍍鎳電鍍液排液管，該鍍鎳電鍍液排液管的另一端與下夾具的鍍鎳電鍍液排液口連通；在所述鍍鎳電鍍液排液管上安裝有密封電鍍臺排液手動閥。

在所述復合電鍍液儲液槽一側的底部和中部均有出液口，分別與下出水管和上出水管連接，并使所述下出水管的入口端與儲液槽底部的出液口連通，使上出水管的入口端與儲液槽中部的出液口連通；所述上出水管的出口端與下出水管連通。所述下出水管的出口端與隔膜泵的入口連通。

本發明能在小體積流量下制備完整的復合鍍層，與基體結合力好，且鍍層中SiC含量高，分布均勻。

若密封電鍍臺的出水口設置在下夾具底部，采用較小的體積流量時，復合電鍍液流入電鍍腔的速率小于流出電鍍腔的速率，則復合電鍍液不能充滿整個電鍍腔，導致未能在中空工件內表面上部沉積Ni-SiC復合鍍層。為了解決這一問題，本發明將出水口設置在上夾具頂部。在一定范圍內，復合電鍍液的體積流量越小，Ni-SiC復合鍍層中SiC含量越高，鍍層沉積速率越大，硬度越高，表面質量越好。因此，經過改進后，可采用低至0.5m³/h的體積流量進行復合電鍍。

本發明采取以下措施以提高復合電鍍液循環流動的攪拌效率與效果。

第一：在循環通道上設置一回流支路通道。進行復合電鍍前，關閉與密封電鍍臺相連的手動閥，復合電鍍液在隔膜泵的作用下沿回流支路回到復合電鍍液儲液槽中，完成一次循環流動，持續進行這種循環流動產生的攪拌作用力使SiC微粒快速均勻地分散在復合電鍍液中。復合電鍍液循環流動的體積流量越大，單位時間內復合電鍍液循環流動的次數越多，SiC微粒均勻分散在復合電鍍液中所需時間越短，循環流動的攪拌效率越高。優選地，在復合電鍍前對復合電鍍液進行攪拌時，采用盡可能大的體積流量，提高工作效率。另外，進行復合電鍍時，當由隔膜泵輸出的復合電鍍液的量大于對工件復合電鍍時所需的復合電鍍液時，多余的復合電鍍液經由復合電鍍液回流支路通道回流至復合電鍍液儲液槽中，以降低復合電鍍液主管路中的壓力，對復合電鍍裝置具有保護作用；同時，復合電鍍液沿回流主通道和回流支路通道循環流動，均能起到攪拌和分散SiC的作用，這種攪拌作用持續至復合電鍍完成為止。優選地，選用較大體積流量的隔膜泵，產生的攪拌效果較好。

第二：在復合電鍍液儲液槽上設置有兩個出水口。能充分利用復合電鍍液循環流動產生的攪拌作用，使復合電鍍液儲液槽中上下層的SiC微粒充分混合，實現在復合電鍍液中均勻分布。

本發明提供一種在所述電鍍裝置中連續進行鍍鎳和Ni-SiC復合電鍍以提高復合鍍層與基體間結合力的操作方法：關閉位于密封電鍍臺和電磁流量計之間的手動閥，打開位于密封電鍍臺底部的鍍鎳電鍍液的流動通道上的兩個手動閥；啟動自吸泵，密封電鍍臺內的電鍍腔內充滿鍍鎳電鍍液后關閉自吸泵；采用大電流密度進行沖擊鍍鎳，在工件內表面制備純鎳打底層；鍍鎳電鍍液在自重作用下沿鍍鎳電鍍液流動通道完全回流至鍍鎳電鍍液儲液槽后，再關閉鍍鎳電鍍液的流動通道上的兩個手動閥，打開位于密封電鍍臺和電磁流量計之間的手動閥；然后開始進行復合電鍍。

若采用浸泡式電鍍方法進行鍍鎳，鍍鎳完成后，需將工件轉移和安裝在復合電鍍裝置上。這一過程易污染純鎳鍍層表面，且獲得純鎳打底層后應盡快進行復合電鍍，不應在空氣中停留較長時間，因為停留時間越長，吸附在打底層表面的灰塵或氧氣等污染物越多，不利于形成結合力良好的復合鍍層。本發明提供的方法在完成鍍鎳后不需要轉移和安裝工件，從而能避免這一過程中對純鎳打底層的污染，也縮短了進行復合電鍍前在空氣中停留的時間。進行Ni-SiC復合電鍍前，先在基體上制備一層純鎳鍍層作為打底層，能有效改善Ni-SiC復合鍍層與基體間的結合力問題。

制備Ni-SiC復合鍍層時，打開與密封電鍍臺進水口相連通的手動閥和分別與復合電鍍液儲液槽的兩個出水口相連通的兩個手動閥，使密封電鍍臺內復合電鍍液倒流至復合電鍍液儲液槽中，直至密封電鍍臺內無剩余復合電鍍液，即可松開密封組件，取下已完成復合電鍍的工件。

綜上所述，本發明能夠實現三個功能：(1)進行復合電鍍前，啟動隔膜泵，使復合電鍍液沿由復合電鍍液儲液槽、隔膜泵和支流通道形成的閉合通道循環流動，直至SiC微粒在復合電鍍液中均勻懸浮，不需要輔助空氣攪拌或其他機械攪拌；(2)安裝好中空工件后，先在工件內表面進行沖擊鍍鎳，制備純鎳打底層，再進行Ni-SiC復合電鍍，提高復合鍍層與工件基體間的結合力；(3)將密封電鍍臺的出水口設置在上夾具頂部，可采用較小的體積流量進行復合電鍍。

在申請號為201610810698.2的發明創造中提出了循環電鍍液攪拌與空氣攪拌相結合的方式，而本發明提供的攪拌方式則采用單一的循環電鍍液攪拌的方式。本發明采用所述攪拌方式具有諸多優勢。首先，取消空氣攪拌支路，既降低裝置成本，節能環保，又減少了空氣壓縮機造成的噪音污染，從而解決了設置空氣攪拌支路引起的一系列問題。其次，不需要考慮因復合電鍍液的體積流量過大產生的復合電鍍液向壓縮空氣泵回流的問題，因而在復合電鍍前，能采用盡可能大的體積流量對復合電鍍液進行循環攪拌，以提高工作效率。第三，能選用較大體積流量的隔膜泵，因為在復合電鍍過程中，無論是進入密封電鍍臺完成復合電鍍后沿主回流通道回到復合電鍍液儲液槽的復合電鍍液，還是多余的沿回流支路通道回流復合電鍍液儲液槽的復合電鍍液，均能對復合電鍍液儲液槽內的SiC起到攪拌作用，且隔膜泵的體積流量越大，攪拌效果與效率越好。

附圖說明

圖1為本發明提供的電鍍裝置的結構示意圖。

圖2為提高復合鍍層結合力的方法示意圖，其中：Ⅰ表示電鍍鎳過程；Ⅱ表示Ni-SiC復合電鍍過程。圖中：

1.復合電鍍液儲液槽；2.隔膜泵；3.電磁流量計；4.密封電鍍臺；5.電鍍整流電源；6.復合電鍍液回流主通道；7.復合電鍍液回流支路通道；8.控制面板；9.復合電鍍液儲液槽槽蓋；10.pH計；11.液位計；12.熱電偶；13.加熱管；14.復合電鍍液；15.上出水口；16.下出水口；17.復合電鍍通道手動閥；18.密封電鍍臺進水口；19.下夾具；20.中空工件；21.上夾具；22.密封電鍍臺上出水口；23.密封組件；24.陽極導電桿；25.鍍鎳電鍍液儲液槽；26.鍍鎳電鍍液；27.自吸泵；28.預鍍鎳通道手動閥；29.密封電鍍臺排液手動閥；30.密封電鍍臺下排液口；31.復合電鍍液主管路；32.Ni-SiC復合鍍層；33.純鎳打底層。

具體實施方式

本實施例是一種Q235鋼回轉體為待鍍中空工件內表面制備Ni-SiC復合鍍層的裝置，包括復合電鍍液循環流動主通道和鍍鎳電鍍液的流動通道。

所述的復合電鍍液循環流動主通道包括復合電鍍液儲液槽1、隔膜泵2、電磁流量計3、密封電鍍臺4和復合電鍍液回流主通道6。所述的鍍鎳電鍍液的流動通道包括鍍鎳電鍍液儲液槽25、自吸泵27和密封電鍍臺下排液口30。在所述復合電鍍液循環流動主通道的隔膜泵2與電磁流量計3之間并聯有復合電鍍液回流支路通道7。

在所述復合電鍍液儲液槽一側的底部和中部分別有出液口，形成了電鍍液攪拌混合通路。通過該電鍍液攪拌混合通路能充分利用復合電鍍液循環流動產生的攪拌作用，使分別處于復合電鍍液儲液槽中上層與下層的SiC微粒充分混合，實現在復合電鍍液中均勻分布。具體是：在該復合電鍍液儲液槽外連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與儲液槽底部的出液口連通，使上出水管的入口端與儲液槽中部的出液口連通；所述上出水管15的出口端與下出水管連通。所述下出水管16的出口端與隔膜泵2的入口連通。

復合電鍍液主管路31的一端與所述隔膜泵2的出口連通，該復合電鍍液主管路的另一端與密封電鍍臺4中的下夾具的密封電鍍臺進水口18連通；在所述復合電鍍液主管路31上串接有電磁流量計3；在該電磁流量計與所述密封電鍍臺進水口之間串接有復合電鍍通道手動閥17。

所述復合電鍍液回流支路通道7的一端接入隔膜泵2與電磁流量計3入口的之間的復合電鍍液主管路上，另一端與位于復合電鍍液儲液槽1頂部的復合電鍍液儲液槽槽蓋9上的進液口連通。在所述復合電鍍液儲液槽內有pH計10、液位計11、熱電偶12和加熱管13，其中液位計11、熱電偶12和加熱管13均通過導線與控制面板8連接。

所述密封電鍍臺4是對現有技術改進得到的。該密封電鍍臺包括下夾具19、上夾具21、陽極導電桿24；所述下夾具19與上夾具21之間用于安放中空工件20；該下夾具下端的密封電鍍臺進水口18與所述電磁流量計3的出口通過管路連通。陽極導電桿24位于上夾具的上表面，并通過導線與電鍍整流電源5的正極連接，該電鍍整流電源5的負極與所述中空工件連接。中空工件20位于下夾具和上夾具之間，從而使所述的復合電鍍液循環流動主通道與該中空工件的內腔貫通。上夾具的電鍍腔出水口通過管路與所述復合電鍍液儲液槽1的入水口連通。

在所述上夾具的上表面有電鍍腔出水口，該出水口通過管路與位于所述復合電鍍液儲液槽槽蓋上的進液口連通，形成了復合電鍍液回流主通道6。

所述的鍍鎳電鍍液的流動通道包括鍍鎳電鍍液儲液槽25、自吸泵27和密封電鍍臺下排液口30。所述鍍鎳電鍍液儲液槽25的頂蓋上開有管孔，鍍鎳電鍍液管路的一端接入該管孔，鍍鎳電鍍液管的另一端接入復合電鍍液主管路31。在所述鍍鎳電鍍液管路上依次連接有自吸泵27和預鍍鎳通道手動閥28，并使該自吸泵27的進液口與鍍鎳電鍍液儲液槽25連通，使該自吸泵27的出液口與所述預鍍鎳通道手動閥的進液口連通。

在所述鍍鎳電鍍液管路上通過三通接頭連接有一段鍍鎳電鍍液排液管，該鍍鎳電鍍液排液管的另一端與下夾具19的鍍鎳電鍍液排液口連通；在所述鍍鎳電鍍液排液管上安裝有密封電鍍臺排液手動閥29。

在進行鍍鎳時，先關閉復合電鍍通道手動閥17，打開預鍍鎳通道手動閥28和密封電鍍臺排液手動閥29，啟動自吸泵27，鍍鎳電鍍液同時從密封電鍍臺下排液口30和密封電鍍臺進水口18進入密封電鍍臺4。所述密封電鍍臺4中的電鍍腔內充滿鍍鎳電鍍液后，關閉自吸泵27、預鍍鎳通道手動閥28和密封電鍍臺排液手動閥29讓鍍鎳電鍍液保留在電鍍腔內進行沖擊鍍鎳。鍍鎳完成后，打開預鍍鎳通道手動閥28和密封電鍍臺排液手動閥29，讓鍍鎳電鍍液同時從密封電鍍臺下排液口30和密封電鍍臺進水口18流出，回到鍍鎳電鍍液儲液槽25中，再關閉預鍍鎳通道手動閥28和密封電鍍臺排液手動閥29，打開復合電鍍通道手動閥17，開始正常的復合電鍍。采用所述過程進行電鍍獲得的鍍層由純鎳打底層32和Ni-SiC復合鍍層33組成，能顯著提高鍍層與基體的結合力。

本發明提供的循環電鍍裝置的工作原理為：先對儲液槽1中的復合電鍍液14進行電鍍前的預備處理，預備處理主要包括加熱電鍍液、調節pH、添加新的電鍍液、空氣攪拌等準備工作，電鍍液的參數達到合格電鍍工藝要求后，在隔膜泵2驅動下，復合電鍍液14從儲液槽1底部的下出水管16和/或上出水管15流出進入輸液管道內開始循環，經過隔膜泵2后電鍍液流入密封電鍍臺4，完成復合電鍍。完成復合電鍍后的復合電鍍液從位于上夾具上端的密封電鍍臺上出水口22通過復合電鍍液回流主通道6回流至復合電鍍液儲液槽1內，完成了復合電鍍液的循環電鍍過程。當密封電鍍臺4內的復合電鍍液完全回流至復合電鍍液儲液槽后，松開密封組件23，取下已完成復合電鍍的工件。

當由隔膜泵2輸出的復合電鍍液的量大于對工件復合電鍍時所需的復合電鍍液時，多余的復合電鍍液經由復合電鍍液回流支路通道7回流至復合電鍍液儲液槽1中，以降低復合電鍍液主管路31中的壓力。