一種基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭方法技術

本發明專利技術提供一種基于移動陽極的超臨界復合電鍍工具鉆頭方法，該方法的主要步驟包括：對鉆頭的基體材料進行預處理，使之具備電沉積納米復合鍍層的能力；向反應器中加入配置好的電鍍液，密封后，通入CO2氣體，加入表面活性劑，形成超臨界條件下的電鍍體系；設定滿足電沉積要求的電流、溫度和機械攪拌速度等參數；調節陰陽極之間的相對位置，設定陽極移動速度和行程，接通電源，使納米復合鍍層能完好地沉積到作為陰極主體的被加工鉆頭表面；將電沉積后的鉆頭取下洗凈，得到表面具有高性能復合納米鍍層的鉆頭。本發明專利技術的方法制得的鉆頭表面組織細密，耐磨性和硬度都有較大提升，使用壽命增加。

【技術實現步驟摘要】
本申請是申請號為201410412652.6，申請日為2014年8月20日，專利技術創造名稱為“基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭的方法”的專利技術專利申請的分案申請。
本專利技術涉及電化學沉積加工
，具體涉及一種基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭的方法。
技術介紹
超臨界流體（Supercritical Fluid）是指純凈物質處于臨界點（臨界壓力和臨界溫度）以上時，所表現出來的一種介于液態和氣態的流體。在臨界點附近，超臨界流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象。CO2氣體具有環保、 不燃、無毒、惰性、儲備豐富且臨界壓力（7.39MPa）和溫度(31.1℃)不太高等優點，因此超臨界CO2流體被廣泛運用。由于超臨界CO2具有較低的粘度（0.03-0.1 MPa·s）和較高的擴散系數（10- 4 cm2·s-1），在電鑄體系中能為傳質提供良好的條件。目前工業鉆頭的成型材料常使用鈦合金、金剛石材料或特種鋼質材料等，這些材料的鉆頭制備起來工藝復雜，成本偏高且性能不夠優異，而采用納米復合材料能夠較好地彌補這些缺點。工業鉆頭常使用高速鋼以及特種鋼等作為基體材料，該基體材料通常難以直接進行電化學沉積加工，而采用化學鍍的方法對基體材料進行預處理后，則使得在該基體上進行納米復合電鍍成為可能。在將納米顆粒均勻復合在金屬基體材料時，納米顆粒在電鑄過程中所發生的團聚及宏觀均勻性較差的問題非常突出。目前大多采用攪拌、超聲振動、添加分散劑等方式來處理納米顆粒的團聚現象，但因原模（金屬零件）形狀各異，電鍍時電場、流場均勻性不易控制等，仍會造成納米復合電鑄層中納米顆粒團聚和分布不均勻。納米顆粒的團聚和分布不均勻將會導致不同部位的鑄層力學性能差異巨大，嚴重影響其使用性能。目前，在超臨界環境下電沉積制備納米復合材料與微細零件的工藝方法和裝置已有所見。如授權公告號為CN 101092716B的中國專利文獻公開了一種超臨界流體細微電鍍成型工藝及其裝置，其以SCF-CO2為電鍍環境進行微結構零件的成型，通過該方法所得的金屬電鍍層表面沉積均勻、無積瘤，且鑄層組織細密平整，但所得鑄層為單一金屬，不適用于含有納米顆粒的復合電鍍成型；又如公布號為CN 102146573A的中國專利文獻提出了一種超臨界流體電鑄成型制備納米復合材料的方法，其主要是在機械攪拌輔助條件下電沉積制備金屬基納米復合材料，電場分布是固定的，從其參數設置和陰陽極設置來看，不能對柱狀或管狀類陰極進行有效的沉積納米復合鍍層。
技術實現思路
本專利技術的目的是：控制納米顆粒在電鍍過程中的團聚現象，針對陰極鉆頭在電鍍過程中不能很好地被鍍上納米復合材料，采用基于匹配移動陽極的超臨界復合電鍍方法，使得復合鍍層在陰極鉆頭表面能夠變得分散均勻、表面平整、組織致密、晶粒細小、性能優異。本專利技術的技術方案是：本專利技術的基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭的方法，采用基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置實施，該基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置包括反應器、直流電源組件、機械攪拌器、二氧化碳氣體鋼瓶和高壓泵；直流電源組件包括電源、陽極棒和陰極棒；其特點是：上述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置還包括移動陽極組件、驅動組件和作為陰極主體的被加工鉆頭；上述的移動陽極組件包括固定連接板和移動陽極；移動陽極與固定連接板固定連接；驅動組件包括伺服電機、驅動絲杠和連接桿；驅動絲杠內置有與其絕緣的彈性導電線圈；伺服電機與驅動絲杠傳動連接；連接桿的左端與固定連接板固定連接；連接桿的右端與驅動絲杠固定連接；移動陽極通過固定連接板、連接桿、驅動絲杠內置的彈性導電線圈以及陽極棒與電源的正極電連接；被加工鉆頭的上端與陰極棒的下端固定連接并通過陰極棒與電源的負極電連接；上述的移動陽極組件的移動陽極在驅動組件的驅動下，可相對被加工鉆頭上下向往復運動；上述的移動陽極組件的移動陽極設有4個；該4個移動陽極固定設置在固定連接板的四個角部；被加工鉆頭設有4個，該4個被加工鉆頭與4個移動陽極分別對應各設置1個；加工鉆頭的方法，包括以下步驟：①對被加工鉆頭的基體進行預先化學鍍處理，在被加工鉆頭的基體表面鍍上一層易于進行電沉積的金屬；②將配置好的含納米硬質顆粒和復合添加劑的二元體系電鍍液加入反應器中，固定作為陰極主體的被加工鉆頭；調節移動陽極組件的移動陽極的位置使得移動陽極可相對于被加工鉆頭上下移動；上述的電鍍液為含硫酸鎳和氯化鎳的鎳鹽溶液；納米硬質顆粒為直徑30～60nm的金剛石納米顆粒；復合添加劑為由十二烷基類化合物和醚類化合物組成的添加劑；③向反應器中通入二氧化碳氣體，控制反應器內的溫度在35～70℃、壓力在8～20MPa的范圍內，形成以超臨界二氧化碳乳化液為載體的三元電鍍體系；④設定移動陽極相對于作為陰極主體的被加工鉆頭上下移動最大單向行程為5cm；采用勻速或簡諧運動的移動方式，平均速度控制在1-20mm/s；電沉積時間為1-3小時；在機械攪拌器的攪拌輔助下得到納米復合鍍層；⑤電沉積完畢，通過后處理，得到所需性能要求的具有納米復合鍍層的鉆頭。進一步的方案是：上述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置的反應器包括主體和內襯；內襯設于主體的內周壁上；反應器的主體的上端左側設有進氣口；反應器的主體的上端右側設有排液口；反應器的主體內部設有加熱線圈；機械攪拌器設置在反應器內；機械攪拌器采用水平向間歇攪拌方式工作；高壓泵用于將二氧化碳氣體鋼瓶內存儲的二氧化碳氣體通過反應器的主體的進氣口向主體內抽壓；上述的移動陽極組件的固定連接板為整體呈方形的板體件，固定連接板的四個角部設有弧形的缺口；固定連接板為由銅制框架結構外履絕緣、耐高壓、耐酸的工程塑料制成；移動陽極為金屬導體件；移動陽極固定設置在固定連接板的四個角部的弧形缺口上且與固定連接板的銅制框架結構電連接；驅動組件的驅動絲杠為中空的絲杠；上述的彈性導電線圈設置在驅動絲杠的中空部位內；且該彈性導電線圈的下端伸出驅動絲杠的左側；該彈性導電線圈的上端伸出驅動絲杠的上端；該彈性導電線圈與驅動絲杠通過絕緣墊片絕緣；驅動絲杠由其下部與伺服電機傳動連接；上述的連接桿由銅柱外履絕緣、耐高壓、耐酸的工程塑料制成。進一步的方案是：上述的移動陽極為高2cm、直徑3cm、厚度為2mm的圓柱狀純鎳薄壁環；被加工鉆頭的外壁與移動陽極的內壁之間的距離為1cm。進一步的方案是：上述的鎳鹽溶液的濃度為300～450g/L；納米金剛石顆粒的濃度為1～20g/L；復合添加劑的濃度為0.1～2g/L。進一步的方案是：上述的步驟①中對被加工鉆頭的基體進行預先化學鍍處理，在被加工鉆頭的基體表面所鍍的金屬為純銅或純鎳；步驟②中的電鍍液還包括濃度為30g/L～60g/L的作為電沉積緩釋劑的硼酸。進一步的方案是：上述的直流電源組件的電源輸出的電流密度為7A/dm2；上述的機械攪拌器設置在反應器內；機械攪拌器水平向間歇攪拌，攪拌速率為200～500rpm。進一步的方案還有：上述的復合添加劑為由十二烷基硫酸鈉和聚乙二醇三甲基壬基醚；十二烷基硫酸鈉的濃度為0.2g/L，聚乙二醇三甲基壬基醚的濃度為0.8g/L。本專利技術具有積極的效果：（1）本專利技術通過采用移動陽極電鍍方法，作為陰極主體的被加工鉆頭在電鍍時保證了其本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭方法，采用基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置實施；所述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置包括反應器（1）、直流電源組件（4）、機械攪拌器（5）、二氧化碳氣體鋼瓶（6）和高壓泵（7）；所述的直流電源組件（4）包括電源（41）、陽極棒（42）和陰極棒（43）；其特征在于：所述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置還包括移動陽極組件（2）、驅動組件（3）和作為陰極主體的被加工鉆頭（8）；所述的移動陽極組件（2）包括固定連接板（21）和移動陽極（22）；移動陽極（22）與固定連接板（21）固定連接；驅動組件（3）包括伺服電機（31）、驅動絲杠（32）和連接桿（33）；驅動絲杠（32）內置有與其絕緣的彈性導電線圈；伺服電機（31）與驅動絲杠（32）傳動連接；連接桿（33）的左端與固定連接板（21）固定連接；連接桿（33）的右端與驅動絲杠（32）固定連接；移動陽極（22）通過固定連接板（21）、連接桿（33）、驅動絲杠（32）內置的彈性導電線圈以及陽極棒（42）與電源（41）的正極電連接；被加工鉆頭（8）的上端與陰極棒（43）的下端固定連接并通過陰極棒（43）與電源（41）的負極電連接；所述的移動陽極組件（2）的移動陽極（22）在驅動組件（3）的驅動下，可相對被加工鉆頭（8）上下向往復運動；所述的移動陽極組件（2）的移動陽極（22）設有4個；該4個移動陽極（22）固定設置在固定連接板（21）的四個角部；被加工鉆頭（8）設有4個，該4個被加工鉆頭（8）與4個移動陽極（22）分別對應各設置1個；加工鉆頭的方法，包括以下步驟：①對被加工鉆頭（8）的基體進行預先化學鍍處理，在被加工鉆頭（8）的基體表面鍍上一層易于進行電沉積的金屬；②將配置好的含納米硬質顆粒和復合添加劑的二元體系電鍍液加入反應器（1）中，固定作為陰極主體的被加工鉆頭（8）；調節移動陽極組件（2）的移動陽極（22）的位置使得移動陽極（22）可相對于被加工鉆頭（8）上下移動；所述的電鍍液為含硫酸鎳和氯化鎳的鎳鹽溶液；納米硬質顆粒為直徑30～60nm的金剛石納米顆粒；復合添加劑為由十二烷基類化合物和醚類化合物組成的添加劑；③向反應器（1）中通入二氧化碳氣體，控制反應器（1）內的溫度在35～70℃、壓力在8～20MPa的范圍內，形成以超臨界二氧化碳乳化液為載體的三元電鍍體系；④設定移動陽極（22）相對于作為陰極主體的被加工鉆頭（8）上下移動最大單向行程為5cm；采用勻速或簡諧運動的移動方式，平均速度控制在1?20mm/s；電沉積時間為1?3小時；在機械攪拌器（5）的攪拌輔助下得到納米復合鍍層；⑤電沉積完畢，通過后處理，得到所需性能要求的具有納米復合鍍層的鉆頭。...

【技術特征摘要】
1.一種基于移動陽極的超臨界復合電鍍加工鉆頭方法，采用基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置實施；所述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置包括反應器（1）、直流電源組件（4）、機械攪拌器（5）、二氧化碳氣體鋼瓶（6）和高壓泵（7）；所述的直流電源組件（4）包括電源（41）、陽極棒（42）和陰極棒（43）；其特征在于：所述的基于移動陽極的超臨界復合電鍍裝置還包括移動陽極組件（2）、驅動組件（3）和作為陰極主體的被加工鉆頭（8）；所述的移動陽極組件（2）包括固定連接板（21）和移動陽極（22）；移動陽極（22）與固定連接板（21）固定連接；驅動組件（3）包括伺服電機（31）、驅動絲杠（32）和連接桿（33）；驅動絲杠（32）內置有與其絕緣的彈性導電線圈；伺服電機（31）與驅動絲杠（32）傳動連接；連接桿（33）的左端與固定連接板（21）固定連接；連接桿（33）的右端與驅動絲杠（32）固定連接；移動陽極（22）通過固定連接板（21）、連接桿（33）、驅動絲杠（32）內置的彈性導電線圈以及陽極棒（42）與電源（41）的正極電連接；被加工鉆頭（8）的上端與陰極棒（43）的下端固定連接并通過陰極棒（43）與電源（41）的負極電連接；所述的移動陽極組件（2）的移動陽極（22）在驅動組件（3）的驅動下，可相對被加工鉆頭（8）上下向往復運動；所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷衛寧，劉維橋，李小平，王創業，錢海峰，劉麗琴，沈宇，
申請(專利權)人：江蘇理工學院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32