一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法
2023-10-26 17:37:02 4
一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法，目的在於解決目前對管狀工件內表面進行電化學處理時，普遍存在無法製備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，該方法包括如下步驟：將對電極插入管狀工件內，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。本發明能有效解決前述問題，在管狀工件內表面製備出均勻性較好的鍍層，鍍層的均勻性得到了顯著提高。同時，本發明操作簡單，對設備的要求低，成本低，能夠滿足工業化生產需要。同時，通過控制相對移動速度、設置輔助管道、多個對電極串聯等措施，使得鍍層的均勻性進一步提高，還能滿足超長管狀工件鍍層的製備需求。
【專利說明】—種管狀工件內表面均勻電化學處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電化學領域，尤其是表面電化學處理的方法，具體為一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法。
【背景技術】
[0002]高功率輸入耦合器的外導體採用316L不鏽鋼管內壁，該316L不鏽鋼管內壁需要鍍制均勻無 氧銅鍍層，以滿足其進一步提高超導腔高功率輸入耦合器功率傳輸水平的需求。對於長徑比大於3的金屬管道或零部件中的通孔內表面而言，常規的電鍍、電解等電化學處理方法由於電流密度分布不均，不能製備出厚度均勻的鍍層或均勻電化學處理，甚至會出現管道或通孔中央沒有鍍層或不能進行電化學處理的問題，因而長徑比越大的管道或通孔內表面均勻處理越困難。而前述高功率輸入耦合器的316L不鏽鋼管，其長徑比高達11以上，常規的電鍍方法難以在不鏽鋼管內壁鍍制均勻無氧銅鍍層。
[0003]在電池殼、發動機氣缸、滑動軸承外圈、軍事上用的槍炮管、傳輸石油或其它化工產品的管路等的製造過程中，常需要對對管道的內表面進行電化學處理，從而製備出相應的鍍層。《表面工程資訊》2006年第5期中「電池殼電沉積技術的發展現狀及趨勢」一文中，對電池殼這種管道零件的電鍍所存在的問題進行了闡述:目前常見的方法是對電鍍溶液的配方進行調整，提高鍍液的深鍍能力和分散能力，改善鍍層厚度的均勻性；其次，是對鍍層進行進一步後處理，在一定程度上改善較薄鍍層的性能。然而，這些措施並不能徹底解決鍍層厚度不均所帶來的問題，因此，改善這種管道零件內表面電化學處理的均勻性，仍然是研究的方向。管狀工件內表面真空鍍膜方法的研究進展(《真空》2012年第I期，韓永超等)一文中，介紹了常見的管道內表面真空鍍膜技術。然而，真空鍍膜設備投入大，生產成本高，且同樣存在鍍層厚度均勻性差的問題。
[0004]綜上，目前對管狀工件內表面進行電化學處理時，普遍存在無法製備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，因此，迫切需要一種新的方法，以解決上述問題。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的在於:針對目前對管狀工件內表面進行電化學處理時，普遍存在無法製備出厚度均勻鍍層或均勻電化學處理的問題，提供一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法。本發明能有效解決前述問題，在管狀工件內表面製備出均勻性較好的鍍層，鍍層的均勻性得到了顯著提高。同時，本發明操作簡單，對設備的要求低，投資小，工件處理成本低，能夠滿足工業化生產的需要。同時，本發明通過控制相對移動速度、設置輔助管道、多個對電極串聯等措施，使得鍍層的均勻性進一步提高，還能滿足超長管狀工件鍍層的製備需求。實驗表明:通過控制相對移動速度按拋物線函數變化做變速移動，目標管狀工件內表面電化學處理的均勻性可達93%以上，顯著優於現有技術。
[0006]為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法，將對電極插入管狀工件內，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
[0007]在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動。
[0008]在電化學處理過程中，對電極靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。
[0009]在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。
[0010]在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。
[0011]對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定:
(1)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布； (2)根據步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率係數方程，從而得到管狀工件內部不同位置的變速往復相對運動速率。
[0012]對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定:
(a)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布；
(b)根據步驟a中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率係數方程，對對電極在管狀工件內不同位置變速往復相對運動速率係數取倒數，得對電極通過管狀工件不同位置的時間係數，根據時間係數可確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
[0013]所述管狀工件的兩端分別設置有輔助管道。
[0014]所述輔助管道的內徑與管狀工件的內徑相等。
[0015]所述對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
[0016]進一步，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，完成超長管狀工件內表面的電化學處理。
[0017]針對前述問題，本發明提供一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法，該方法以現有技術為基礎，提供一種全新的處理方法，該方法採用現有設備，無需採用真空設備，具有設備成本低、投入小的優點，同時採用本發明製備的鍍層，其厚度均勻性較好，生產成本低，能夠用於電池殼、發動機氣缸、滑動軸承外圈、軍事上用的槍炮管、傳輸石油或其它化工產品的管路等管狀工件內表面電化學處理，滿足大規模、工業化應用的需求。
[0018]該方法將對電極插入管狀工件內，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。本發明以管狀工件的軸線作為運動方向，通過對電極和管狀工件的相對運動，有效改善管狀工件內表面鍍層厚度的均勻性。通過後述實施例可以看出，採用本發明能夠優化管狀工件內表面的電流密度分布，進而改善相應鍍層的厚度。採用本發明有效解決了採用現有方法存在的內表面鍍層厚度不均勻的問題，所製備的鍍層均勻性得到了顯著改善。對電極和管狀工件作相對運動的方式包括幾種，其中兩種如下:在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動；或對電極靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。通過實施例可以看出，採用上述方式，能夠有效改善管狀工件內表面鍍層厚度分布的均勻性。
[0019]進一步，對電極或管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。通過實施例3、4，可以看出，所製備的管狀工件兩側、中部的厚度均得到了明顯的改善，厚度均勻性較現有技術具有顯著的進步。
[0020]進一步，對電極或管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。本發明採用變速運動，可以更好地調整管狀工件內表面的鍍層厚度均勻性。同時，本發明給出了兩種確定變速運動速度的方法:通過確定管狀工件內部不同位置的變速往復相對運動速率或通過不同位置所需的時間，來完成變速運動。以管狀工件靜止，對電極移動為例，通過本發明的方法，確定對電極通過管狀工件不同位置的速度或對電極通過管狀工件不同位置所需的時間，完成管狀工件的變速運動。其中，變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定:
(I)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布；(2)根據步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率係數方程，從而得到管狀工件內部不同位置的變速往復相對運動速率。對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定:(1)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復 相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布；(2)根據步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率係數方程，對對電極在管狀工件內不同位置變速往復相對運動速率係數取倒數，得對電極通過管狀工件不同位置的時間係數，根據時間係數可確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
[0021]本發明通過控制移動速度，按拋物線函數變化，進一步提高目標管道內表面電化學處理的均勻性。
[0022]進一步，通過實施例4可以看出，本發明通過在在目標管道的兩端增加輔助端管(即輔助管道)，能進一步提高目標管狀工件內表面電化學處理的均勻性。實驗結果也表明，與未添加輔助管道時相比，目標管狀工件的厚度均勻性得到進一步提高。進一步，輔助管道分別設置在管狀工件的兩端。更優選地，輔助管道的內徑與管狀工件的內徑相等。
[0023]本發明中的對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。進一步，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯，採用對電極串聯分段、同時進行超長管狀工件的均勻化電化學處理，可滿足長管狀工件以及超長管狀工件的電化學處理需求。本發明的管狀工件可為金屬(或金屬化處理後的)管道、通孔，即本發明的方法能夠用於金屬(或金屬化處理後的)管道、通孔內表面均勻電化學處理。本發明中的電化學處理包括電鍍、電泳塗覆、陽極氧化、電解處理等方式。
[0024]綜上所述，本發明將對電極插入管狀工件內，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極，通過對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，使得電化學處理過程中的電流密度分布的不均勻性隨著相對軸向移動而在管狀工件內表面移動，管狀工件內表面的電流密度分布因掃描疊加作用而總體趨於均勻。通過在管狀工件的兩端添加輔助管道，將電化學處理過程中管狀工件兩端的不均勻性部分轉移到輔助管道，可以進一步提高目標管狀工件內表面的電化學處理均勻性。實驗表明:通過控制相對移動速度按拋物線函數變化做變速移動，目標管狀工件內表面電化學處理的均勻性可達93%以上。對於超長管道，通過多個對電極串聯來分段、同時進行均勻電化學處理，能夠滿足超長管狀工件內表面處理的需要，其電化學處理具有良好的均勻性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
圖1為實施例1的計算模型圖。
[0026]圖2為實施例1的電流密度分布圖。
[0027]圖3為實施例 1的歸一化電流密度分布圖。
[0028]圖4為實施例2的計算模型圖。
[0029]圖5為實施例2的電流密度分布圖。
[0030]圖6為實施例2的歸一化電流密度分布圖。
[0031]圖7為實施例3的計算模型圖。
[0032]圖8為實施例3的電流密度分布圖。
[0033]圖9為實施例3的歸一化電流密度分布圖。
[0034]圖10為實施例4的計算模型圖。
[0035]圖11為實施例4的電流密度分布圖。
[0036]圖12為實施例4的歸一化電流密度分布圖。
[0037]圖13為實施例5中，移動過程中，陽極在管道內不同位置的移動速度係數曲線圖。
[0038]圖14為實施例5中，移動過程中，陽極通過管道內不同位置的時間係數曲線圖。
[0039]圖15為實施例5中歸一化鍍層厚度分布圖。
[0040]圖16為實驗驗證中製備管件的部分剖視圖。
[0041]圖17為圖16中部分I的微觀金相圖。
[0042]圖18為圖16中部分II的微觀金相圖。
[0043]圖19為圖16中部分III的微觀金相圖。
[0044]圖20為對實驗驗證中製備管件不同位置鍍層厚度分布的測量結果分布圖。【具體實施方式】
[0045]本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0046]本說明書中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其它等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
[0047]下述實施例通過計算軟體以管道內表面電鍍銅為例，進行2D模擬計算。其中，實施例1、實施例2為常規電鍍技術，實施例3、實施例4、實施例5為本發明的內容，換言之，實施例1、2為對比實施例，實施例3、4、5為本發明的技術方案。
[0048]對於管狀工件內表面電鍍，其均勻性取決於陽極的布置，這種幾何因素決定了電鍍過程中的一次電流密度分布。同時電極表面由於外加電流密度的流過而引起電極極化，從而帶來二次電流密度分布。在電鍍過程中，電鍍液在空氣攪拌作用下，離子遷移與流動充分，其濃差極化引起的三次電流密度分布可以忽略。計算模型中綜合考慮一次和二次電流密度分布進行計算。在相同的時間內，鍍層厚度與電流密度成正比，電流密度的均勻性直接反映出鍍層厚度的均勻性。
[0049]模型中目標管道長20cm，內徑2cm，長徑比為10，管道外表面做絕緣處理。
[0050]鍍液體系:硫酸一硫酸銅鍍液；
陽極反應:Cu — 2e — Cu2+ ；
陰極反應:Cu2+ +2e — Cu ；
電極反應動力學Butler-Volmer方程如下:
【權利要求】
1.一種管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，將對電極插入管狀工件內，以對電極和管狀工件為電化學處理的兩極；在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
2.根據權利要求1所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，在電化學處理過程中，管狀工件靜止，對電極沿管狀工件的軸線作往復運動。
3.根據權利要求1所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，在電化學處理過程中，對電極靜止，管狀工件沿其軸線作往復運動。
4.根據權利要求1-3任一項所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動。
5.根據權利要求1-3任一項所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動。
6.根據權利要求5所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法,其特徵在於,對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中變速往復相對運動速率通過如下步驟進行確定: (1)對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布； (2)根據步驟I中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到變速往復相對運動速率係數方程，從而得到管狀工件內部不同位置的變速往復相對運動速率。
7.根據權利要求5所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法,其特徵在於,對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作變速往復相對軸向運動，其中對電極通過管狀工件不同位置的時間通過如下步驟進行確定: Ca)對電極沿管狀工件的軸線作勻速往復相對軸向運動，計算出管狀工件內部的歸一化電流密度分布； (b)根據步驟a中所得到的歸一化電流密度分布進行拋物線擬合，得到對電極變速往復相對運動速率係數方程，對對電極在管狀工件內不同位置變速往復相對運動速率係數取倒數，得對電極通過管狀工件不同位置的時間係數，根據時間係數確定對電極通過管狀工件不同位置的時間。
8.根據權利要求1-7任一項所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，所述管狀工件的管端設置有輔助管道。
9.根據權利要求1-8任一項所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，所述對電極為至少一個，在電化學處理過程中，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動。
10.根據權利要求9所述的管狀工件內表面均勻電化學處理方法，其特徵在於，所述對電極為至少二個，對電極之間相互串聯，對電極和管狀工件沿管狀工件的軸線作相對軸向運動，完成超長管狀工件內表面的電化學處理。
【文檔編號】C25D5/04GK103924270SQ201410155778
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】王慶富, 陳林, 法濤, 黃煌, 王曉紅 申請人:四川材料與工藝研究所