專利名稱：化學復合鍍槽的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種表面處理裝置，尤其是一種利用化學方法在零件表面沉積鍍覆保 護層或耐磨層的化學鍍槽，具體地說是一種化學復合鍍槽。
背景技術：
眾所周知，化學復合鍍是在化學鍍溶液中加入各種功能性不溶微粒，使之與鎳磷 合金共沉積從而獲得不同物理化學性質鍍層的一種工藝。它在保持原有基質金屬鍍層性能 的基礎上，結合復合粒子的特性，既強化了金屬鍍層的性能，又對原鍍層性能進行了改善。 共沉積的微細顆粒，特別的亞微米、納米級顆粒的比表面積很大，自發減小表面積的傾向使 其在化學復合鍍液中極易團聚、沉降。因此，微細顆粒能否在化學復合鍍液中均勻彌散分 布是影響復合鍍層性能的關鍵因素。目前，解決這一問題的方法是對微細顆粒進行一定的 前處理工藝，使用分散劑對顆粒進行表面改性；在此基礎上，鍍覆過程中采取一定的攪拌措 施，確保微細顆粒在復合鍍液中均勻分布與有效分散。目前，化學復合鍍工藝在實際生產中的大規模應用還較少。市面上針對化學復合 鍍的專用鍍槽極少，大多以化學鍍槽替代。由于化學鍍與復合鍍工藝的差異，在化學鍍槽中 沒有專用的攪拌裝置，一般使用循環泵帶動鍍槽中鍍液的低速循環交換。鍍液這種定向、低 速、循環的流動方式，并不能滿足化學復合鍍工藝的實際要求。化學復合鍍液中添加的惰性 顆粒，容易在鍍液中團聚，繼而在鍍槽底沉積，這既導致顆粒在鍍液中分布不均，又容易堵 塞循環泵的管道。實踐表明復合鍍液中固相顆粒的分布均勻性及分散狀態，嚴重影響復合 鍍層中顆粒的沉積量與分布狀態，直接決定了復合鍍層的性能。因此，發明一種適用于化學 復合鍍工藝的鍍槽裝置，使得固相顆粒在鍍液中均勻分布與有效分散，具有重要的現實意 義與經濟效益。
發明內容
本發明的目的是針對目前使用普通化學鍍槽代替化學復合鍍槽造成固相顆粒在 復合鍍液中的分布均勻性差，微細顆粒必須借助分散劑才能分散，且分散效果較差的問題， 設計一種可以顯著提高固相顆粒在復合鍍液中的分布均勻性與有效分散，從而解決顆粒在 鍍液中嚴重團聚，在鍍槽中快速沉降問題的復合化學鍍槽。本發明的技術方案是一種化學復合鍍槽，包括槽體2，其特征是所述的槽體2為中空的雙層結構，在槽 體2的中空結構中加注有為內層鍍槽中的鍍液加熱的介質或安裝有為內層鍍槽中的鍍液 加熱的電加熱元件3 ；在槽體2的內層鍍槽中至少安裝有1個防止鍍液中的微細顆粒沉淀 的攪拌槳4 ；在槽體2的內層鍍槽中安裝有至少3片用于改變鍍槽中鍍液流場特性的擋板 1。所述的加熱介質為熱水、蒸汽或熱處理油，所述的加熱介質借助于槽體2的外槽 體上開設的換液通孔在槽體2的中空結構中循環流動。
所述的擋板1為平板結構、帶孔結構、帶槽結構或齒條狀結構。所述的擋板1的一端安裝在與槽體2外形相配的擋板圈5上且在擋板圈5上的位 置可調，擋板圈5定位在槽體2上。擋板1與槽體2的內壁之間最好留有空隙，擋板1的下 端既可處理懸浮狀態，也可插裝在槽體2內底上的定位凹槽或凹孔中。所述的攪拌槳4由電動驅動裝置驅動，攪拌槳4上的葉片形狀為一字槳、十字槳、 渦輪槳、平葉槳或其組合。本發明的有益效果1、本發明通過攪拌槳和擋板的雙重作用，明顯改善了鍍槽中鍍液的流場特性，提 高了鍍液的湍流強度，促使鍍液在鍍槽中的無規則流動，顯著提高鍍液中微細顆粒的分布 均勻性。2、本發明通過綜合作用顯著提高了鍍槽中鍍液的雷諾切應力，有利于鍍液中團聚 態的微細顆粒的分散，降低鍍液中顆粒的粒徑，減少顆粒在鍍槽底部的沉降。3、制備的復合鍍層中顆粒的沉積量顯著提高，且分布均勻、致密，復合鍍層的性能 大大改善。
圖1是本發明的鍍槽的三種常見的結構示意圖。圖2是本發明的槽體的三種常見的結構示意圖。圖3是本發明的攪拌槳的三種常見的結構示意圖。圖4是本發明的三種常見的擋板的結構示意圖。圖5是本發明的鍍槽添加擋板前后的鍍液流動的整體形狀示意圖。其中圖5(a)是無擋板時的鍍液流動的整體形狀示意圖；圖5(b)是為有擋板時的 鍍液流動的整體形狀示意圖。
圖6是本發明的鍍槽添加擋板前后的鍍液的流線圖。
其中圖6(a)是無擋板時的鍍液的流線圖；圖6(b)是有擋板時的鍍液的流線圖。
圖7是本發明的鍍槽添加擋板前后的平均湍流強度比較示意圖。圖8是本發明的鍍槽添加擋板前后鍍液中湍流脈動量隨轉速的變化示意圖。其中圖8(a)為鍍槽添加擋板前后鍍液中uv方向的湍流脈動量隨轉速的變化示 意圖；圖8(b)為鍍槽添加擋板前后鍍液中vw方向的湍流脈動量隨轉速的變化示意圖；圖 8(c)為鍍槽添加擋板前后鍍液中Uw方向的湍流脈動量隨轉速的變化示意圖。
圖9是本發明的鍍槽有擋板和無擋板時鍍液中金剛石粒徑分布示意圖。 其中圖9 (a)是鍍槽有擋板和無擋板時鍍液中微粒的特征值為Dltl時的金剛石粒徑分布 示意圖；圖9(b)是鍍槽有擋板和無擋板時鍍液中微粒的特征值為D5tl時的金剛石粒徑分布 示意圖；圖9(c)是鍍槽有擋板和無擋板時鍍液中微粒的特征值為D9tl時的金剛石粒徑分布 示意圖；圖9(d)是鍍槽有擋板和無擋板時鍍液中微粒的特征值為Dav時的金剛石粒徑分布 示意圖。圖10是本發明的化學復合鍍的工藝流程示意圖。圖11是鍍槽中無擋板和有擋板金剛石復合鍍層的橫截面SEM圖。
其中圖11(a)是鍍槽中無擋板時金剛石復合鍍層的橫截面SEM圖；圖11(b)是鍍槽中有擋板時金剛石復合鍍層的橫截面SEM圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1-4所示。一種化學復合鍍槽，包括擋板1、槽體2、加熱介質或裝置3和攪拌槳4，所述的槽體 2為中空的雙層結構，內層鍍槽和外層鍍槽之間通過加強筋相連，在槽體2的內層鍍槽和外 層鍍槽之間的中空結構中加注有為內層鍍槽中的鍍液加熱使之恒溫的加熱介質或安裝有 為內層鍍槽中的鍍液加熱使之恒溫的電加熱元件3，加熱介質可為循環流動的熱水、蒸汽或 熱處理油，所述的加熱介質可借助于槽體2的外槽體上開設的換液通孔和循環泵在槽體2 的中空結構中循環流動；槽體2的形狀可為圓柱形(圖2a，圖2b)、矩形(圖2c)或多邊體 形，相應的整個化學鍍槽的形狀也可為圓柱形(圖la，圖lb)、矩形(圖Ic)或多邊體形，槽 體2的大小可從200毫升到20立方米。在槽體2的內層鍍槽中至少安裝有1個防止鍍液 中的微細顆粒沉淀的攪拌槳4，每個鍍槽中安裝的攪拌槳4的數量可根據鍍槽的大小設置， 數量可從1個到10個，在確保流場均勻的前提下，在鍍槽中規則或不規則排布，攪拌槳上 葉片形狀可以為一字槳(圖3a)、十字槳(圖3b)、渦輪槳(圖3c)或平葉槳，每個攪拌槳4 還可同時安裝多個葉片，葉片之間的排列次序可調，不同種類的槳葉可混搭使用；在槽體 2的內層鍍槽的安裝有至少3片用于改變鍍槽中鍍液流場特性的擋板1，擋板1的形狀、尺 寸可調，擋板1與鍍槽內壁之間最好留有一定的間隙，以增加湍流效果，擋板1的安裝方向 最好是其長度方向與鍍槽深度方向一致，擋板1的長度可從IOOmm到1000m，寬度從5mm到 200mm，厚度從0. 5mm到10mm，形狀可以是規則幾何形狀薄板或異形板，擋板1上可分布規則 或不規則排列的孔、槽(圖4c)，也可為不分布孔或槽的平板結構(圖4a)，還可為一邊為齒 條結構(圖4b)，擋板1在鍍槽中位置可調，原則上呈規則對稱排列。具體實施時擋板1的 一端安裝在與槽體2外形相配的擋板圈5上(如圖4所示)且在擋板圈5上的位置可調， 擋板圈5定位在槽體2的上端面上(可通過螺釘定位)。擋板1與槽體2的內壁之間最好 留有空隙，擋板1的下端既可處于懸浮狀態，也可頂在槽體2的內底部或插裝在槽體2內底 上的定位凹槽或凹孔中。本實施例未涉及部分如電氣控制部分、恒溫裝置、零件掛架結構、攪拌槳驅動裝 置、加熱裝置等均與現有技術相同，或可采用現有技術加以實現。以下是利用本發明的化學鍍槽進行的一系列實驗，從中可看出本發明通過增加擋 板后所具有的明顯的優點，以進一步體現本發明的創造性。實例一數值仿真——比較鍍槽添加擋板前后的流場特性。通過計算流體力學的軟件對鍍槽添加擋板前后的流場特性進行了數值仿真。鍍槽 結構為圖1(a)，鍍槽形狀為圓柱形，大小為Φ 2X2 (m3)，擋板1的形狀為普通薄板，大小為 0. 25 X 1. 65 (m2)，厚度為0. Olm,數量為4片，擋板1沿鍍槽的軸心均勻分布，如圖2 (a)。攪 拌槳為普通一級一字形槳，槳徑為0. 55m，如圖3(a)。圖5、圖6及圖7分別為在相同攪拌強 度下，鍍槽添加擋板前后鍍液的整體流動特征、鍍液流線及平均湍流強度的比較。鍍槽添加 擋板前，鍍液在鍍槽中形成明顯漩渦，流線呈規則的螺旋形；添加擋板1后，漩渦消失，鍍液 流線趨于復雜，呈無規則狀；鍍槽添加擋板1后，鍍液的平均湍流強度明顯大于無擋板時的 情況，提高約15%。圖8為不同攪拌轉速下，鍍槽添加擋板前后，鍍液在各剪切方向的湍流脈動量比較。剪切方向上鍍液的湍流脈動量越大，說明鍍液作用于固相顆粒的剪切力越大， 越有利于鍍液中“團聚態”顆粒的分散。由圖8知，在不同攪拌轉速下，鍍槽添加擋板時鍍 液在各剪切方向的湍流脈動量均大于鍍槽無擋板時的情況，尤其是在高速攪拌時，這種優 勢更加明顯。由此可知，在鍍槽中添加擋板，確實能起到改善鍍液流場均勻性，提高鍍液湍 流強度與湍流脈動量，有利于固相顆粒在鍍液中的均勻分布與有效分散。實例二 鍍槽添加擋板前后的顆粒粒徑比較為了驗證鍍槽中添加擋板確實有利于鍍液中金剛石分散的觀點，利用JL9200激 光粒度儀測定添加擋板前后鍍液中金剛石的粒徑分布。根據粒度儀的樣品池大小，鍍槽形 狀為圓柱形，大小取Φ75Χ60(πιπι3)，如圖1(b)，擋板1的形狀為薄板，側邊上開有不等距的 方槽(齒條形)。擋板1的大小為50 X 12mm2，厚度為1mm，數量為6片，擋板1沿鍍槽的軸 心均勻分布，如圖4(b)。攪拌槳為普通三級斜槳，槳徑為25mm，如圖3b。配置金剛石含量 為lg/L的復合鍍液，金剛石平均粒徑為0. 5 μ m，分別測定攪拌轉速為200、400、600、800rpm 時，鍍槽添加擋板1前后鍍液中金剛石的粒徑分布。圖9為實驗中所測得的添加擋板前后 鍍液中金剛石的粒徑分布，可以看出鍍槽添加擋板確實有利于金剛石顆粒在鍍液中的分 散。在不同轉速下，添加擋板后，鍍液中微粒的特征值Dltl (圖9a)、D5tl (圖9b)、D9tl (圖9c)、 Dav(圖9d)都小于添加前的情況。攪拌速度為400rpm時，鍍槽中添加擋板后，鍍液中50%的 金剛石微粒粒徑(D5tl)在2. 94 μ m以下，而沒有擋板的鍍槽中的金剛石微粒D5tl為3. 69 μ m, 兩都相差達0. 75 μ m，圖9b ；而添加擋板前后鍍液中金剛石的平均粒徑(Dav)分別為4. 4 μ m 和3. 58 μ m,兩者相差達0. 82 μ m，圖9d。這就充分說明鍍槽添加擋板，改善鍍液流場特性， 提高鍍液湍流強度和雷諾切應力，有利于金剛石在鍍液中的有效分散。實例三鍍槽添加擋板前后所制備的復合鍍層的性能比較實驗中，我們在鍍槽添加擋板前后的情況下，分別制備了鎳-磷-納米金剛石復合 鍍層，鍍槽形狀為長方形，大小為0. 25X0. 20X0. 20 (m3)，如圖1(c)，擋板1形狀為薄板，中 間上開有不等直徑的圓孔(圖4c)。擋板1大小為0. 17X0. 03m2，厚度為0. 005m，在鍍槽中 的分布如圖1(c)。攪拌槳為普通二級渦輪槳，槳徑為0.055m，如圖3(c)。其中鍍液中金剛 石含量均為6g/l。化學復合鍍的工藝流程由前處理、施鍍操作、鍍后處理等組成(圖10)。 圖11是在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察到的金剛石鍍層橫截面形貌。添加擋板后，鍍層中 共沉積的金剛石顆粒含量顯著提高，分布均勻；大部分金剛石顆粒的分散效果較好，除了少 數幾處團聚體的直徑超過1 μ m外，其他的金剛石團聚體的粒徑遠小于0. 5 μ m。而沒有添加 擋板的鍍槽中制備的鍍層中，只有少數一些金剛石，而且團聚比較厲害，粒徑基本上在1 μ m 以上。表1、表2分別為鍍槽添加擋板前后，所制備的金剛石復合鍍層的顯微硬度。所有鍍 層經相同熱處理后，鍍槽添加擋板時所制備的復合鍍層，其顯微硬度遠遠高于鍍槽無擋板 時的情況。由此可知，鍍槽中添加擋板，改善鍍液流場特性，能顯著提高顆粒在鍍液及鍍層 中分布的均勻性，大大提高復合鍍層的性能。表1鍍槽添加擋板前，多批次試樣的顯微硬度
爾YlY2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9石I HV)782.167937142839.7755.3713.6678.4702.1679.7 表2鍍槽添加擋板后，多批次試樣的顯微硬度
6
本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
一種化學復合鍍槽，包括槽體(2)，其特征是所述的槽體(2)為中空的雙層結構，在槽體(2)的中空結構中加注有為內層鍍槽中的鍍液加熱的介質或安裝有為內層鍍槽中的鍍液加熱的電加熱元件(3)；在槽體(2)的內層鍍槽中至少安裝有1個防止鍍液中的微細顆粒沉降的攪拌槳(4)；在槽體(2)的內層鍍槽中安裝有至少3片用于改變鍍槽中鍍液流場特性、提高鍍液湍流強度的擋板(1)。
2.根據權利要求1所述的化學復合鍍槽，其特征是所述的加熱介質為熱水、蒸汽或熱 處理油，所述的加熱介質借助于槽體(2)外槽體上開設的換液通孔在槽體(2)的中空結構 中循環流動。
3.根據權利要求1所述的化學復合鍍槽，其特征是所述的擋板(1)為平板結構、帶孔結 構、帶槽結構或齒條狀結構。
4.根據權利要求1或3所述的化學復合鍍槽，其特征是所述的擋板(1)的一端安裝在 與槽體(2)外形相配的擋板圈(5)上且在擋板圈(5)上的位置可調，擋板圈(5)定位在槽 體⑵上。
5.根據權利要求1所述的化學復合鍍槽，其特征是所述的攪拌槳(4)由電動驅動裝置 驅動，攪拌槳(4)上的葉片形狀為一字槳、十字槳、渦輪槳、平葉槳或其組合。
全文摘要
一種化學復合鍍槽，包括槽體(2)，其特征是所述的槽體(2)為中空的雙層結構，在槽體(2)的中空結構中加注有為內層鍍槽中的鍍液加熱的介質或安裝有為內層鍍槽中的鍍液加熱的電加熱元件(3)；在槽體(2)的內層鍍槽中至少安裝有1個防止鍍液中的微細顆粒沉淀的攪拌槳(4)；在槽體(2)的內層鍍槽的內壁上沿鍍槽深度方向安裝有至少3片用于改變鍍槽中鍍液流場特性、提高鍍液湍流強度的擋板(1)。本發明結構簡單，能明顯改善鍍槽中鍍液的流場特性，提高鍍液的湍流強度，促使鍍液在鍍槽中的無規則流動，顯著提高鍍液中微細顆粒的分布均勻性，提高鍍覆質量。
文檔編號C23C18/32GK101922002SQ20101014526
公開日2010年12月22日 申請日期2010年4月12日 優先權日2010年4月12日
發明者左敦穩, 惠駿, 朱昌洪, 朱永偉, 李軍, 陳擁軍 申請人:南京航空航天大學