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双向脉冲镍钴合金电铸技术实验研究

作　者: 于明明
导　师: 李洪友
学　校: 华侨大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 镍钴合金双向脉冲电沉积工艺参数优化数值模拟仿真
分类号: TQ153.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

镍钴合金具有较高的硬度、良好的耐磨抗蚀性、热传导和磁性能有着广阔的应用前景。而作为电沉积技术三大应用领域之一的电铸技术因其具有极高的复制精度和快速复制能力，能准确复制复杂型面及结构，常用于造型复杂、高精度要求的薄壁件、空心件、注塑模具及电火花型腔用电极等零件的生产和制造。镍钴合金组成成分和显微组织结构的不同对其物理化学性能有很大影响。因此，研究电沉积镍钴合金过程，控制合金组分和其组织结构，对获得优良的物理化学性能来说非常重要。本文主要内容有以下几方面：（1）研究双向脉冲电沉积制备镍钴合金镀层机理。通过分析合金共沉积条件及原理，获得脉冲电沉积镍钴合金机理，阐释镍-钴异常共沉积行为。研究工艺过程的影响因素，得到脉冲电源参数（脉冲波形、脉冲电流密度、占空比、脉冲导通及关断时间等）对电沉积过程的影响规律。（2）镍钴合金双向脉冲电铸技术实验研究。通过单因素正交试验方法进行了镍钴合金双向脉冲电铸试验设计及优化，研究了电解液组成和工艺条件（电解液Co2+浓度、脉冲电源参数、电解液温度等）对镍钴合金铸层组成成分、表面形貌、组织结构、沉积速率及不同钴含量镀层硬度、强度、耐蚀性、抗高温氧化等机械物理性能的影响规律；（3）利用高倍数码显微镜（VHX）、扫描电子显微镜（SEM）以及X射线衍射（XRD）等现代检测技术对铸层的成分、表面形貌、组织结构等进行了分析，且通过显微硬度测试、腐蚀失重、热处理、热重分析等手段对铸层的硬度、耐蚀性以及热稳定性能进行了测试；实验研究了镍钴合金模具电铸工艺过程，得到电铸镍钴合金电铸模具。（4）采用多物理场分析软件Comsol Multiphysics对金属镍电化学沉积过程进行了有限元数值模拟，分析了电沉积过程中几何因素（即镀槽大小，阴、阳极间距变化，阴极板长短，绝缘挡板的放置以及电解液温度等）对沉积层厚度分布均匀性的影响。应用该软件可有效地预测各种工艺条件下沉积层厚度变化的趋势，为实际生产和工艺优化提供参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-17
  1.1 前言  9
  1.2 选题背景及研究意义  9-10
  1.3 电沉积镍钴合金技术研究现状  10-16
    1.3.1 电沉积镍钴合金机理研究  11-13
    1.3.2 电沉积镍钴合金工艺研究  13-16
  1.4 本文主要研究内容  16-17
第2章合金脉冲电铸基本理论研究  17-29
  2.1 合金电铸基本原理  17
  2.2 合金共沉积基本原理  17-18
    2.2.1 单金属的沉积电位  17-18
    2.2.2 合金共沉积的条件  18
    2.2.3 实现合金共沉积的方法  18
  2.3 镍钴合金共沉积  18-21
    2.3.1 镍钴的异常共沉积行为  19
    2.3.2 Ni-Co 合金在氨基磺酸镍镀液中的沉积机理  19-21
  2.4 脉冲电沉积基本理论分析  21-27
    2.4.1 脉冲波形对电沉积过程的影响  21-24
    2.4.2 脉冲电沉积中双电层电容效应对脉冲波形的影响  24-25
    2.4.3 脉冲电沉积中的扩散传质  25-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章 Ni-Co 合金脉冲电铸试验研究  29-85
  3.1 实验设备及条件  29-32
    3.1.1 实验装置  29-30
    3.1.2 主要实验仪器  30-31
    3.1.3 试验材料  31
    3.1.4 电铸液的配制  31-32
  3.2 材料性能检测方法  32-33
  3.3 脉冲电铸镍钴合金工艺流程  33-35
    3.3.1 芯模前处理  33-34
    3.3.2 脉冲电沉积过程  34-35
    3.3.3 芯模分离及后处理  35
  3.4 脉冲电沉积正交试验设计  35-42
    3.4.1 正交试验设计之一  35-38
    3.4.2 正交试验设计之二  38-42
  3.5 Ni-Co 合金性能测试  42-52
    3.5.1 镍钴合金显微结构分析  42-45
    3.5.2 铸层层耐蚀性实验  45-50
    3.5.3 镀层抗高温氧化性  50-52
  3.6 电解液组成及工艺条件对镍钴合金脉冲电沉积的影响  52-79
    3.6.1 电解液组成对铸层钴含量的影响  52-53
    3.6.2 铸层中钴含量对 Ni-Co 合金铸层显微硬度的影响  53-54
    3.6.3 铸液温度对铸层性能的影响  54-57
    3.6.4 单脉冲电参数对 Ni-Co 脉冲电沉积的影响  57-62
    3.6.5 双脉冲电参数对 Ni-Co 脉冲电沉积的影响  62-79
  3.7 双向脉冲镍钴合金电铸模具技术研究  79-82
    3.7.1 电铸模具工艺流程  79-80
    3.7.2 镍钴合金电铸模具试验研究  80-81
    3.7.3 模具电铸实验结果  81-82
  3.8 本章小结  82-85
第4章沉积层厚度分布均匀性数值仿真  85-103
  4.1 前言  85
  4.2 Comsol Multiphysics 多物理场仿真软件  85-86
    4.2.1 Comsol Multiphysics 功能说明  85
    4.2.2 Comsol Multiphysics 组成模块  85-86
    4.2.3 电镀模块  86
  4.3 沉积层厚度分布基础理论分析  86-88
    4.3.1 电沉积层厚度  86-87
    4.3.2 对流—扩散传质理论分析  87-88
  4.4 沉积层厚度均匀性仿真  88-101
    4.4.1 控制方程及边界条件的设定  89
    4.4.2 有限元模型的建立  89-91
    4.4.3 仿真结果分析  91-93
    4.4.4 几何等因素对沉积层厚度均匀性的影响  93-101
  4.5 小结  101-103
第5章结论和展望  103-105
  5.1 结论  103-104
  5.2 展望  104-105
参考文献  105-109
致谢  109-111
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  111

双向脉冲镍钴合金电铸技术实验研究

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