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镍—磷—金刚石化学复合镀两相流仿真与复合镀工艺研究

作　者: 陈拥军
导　师: 朱永伟
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 化学复合镀二相流数值模拟纳米金刚石耐磨性能
分类号: TQ153.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 85次
引　用: 3次
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内容摘要

化学复合镀是通过在化学镀溶液中加入各种功能性惰性微粒,使之与镍磷合金共沉积,从而获得不同物理化学性质镀层的一种工艺。它在保持原有基质金属镀层性能的基础上,结合了复合粒子的特性,具有极其广泛的应用前景。纳米颗粒的比表面积很大,自发减小比表面积的倾向使其在化学复合镀液中极易团聚,因此复合镀液中纳米颗粒的分散对获得高质量的复合镀层具有极其重要的影响。本文针对常用的搅拌分散方法,建立了复合镀槽的流体力学模型,用CFD方法分析了固体微粒在镀液中的分布特性;搅拌转速和微粒粒径等对微粒在镀液中的分布影响,并在此基础上优化了镀槽结构。利用优化后的镀槽,采用正交试验设计方法,研究了化学镀液中金刚石含量、表面活性剂种类与含量、搅拌转速对金刚石灰粉化学复合镀层性能的影响;采用单因素实验方法研究了搅拌转速对复合镀层沉积速度的影响以及镀液中金刚石含量对镀层耐磨性的影响。并运用TEM、SEM、XRD、显微硬度、摩擦磨损试验等研究方法分析了复合镀层的表面形貌、组织结构、显微硬度、耐磨性能、热处理对镀层组织结构的影响以及金刚石颗粒在复合镀层中的分布状况。CFD数值仿真表明:1、颗粒粒径、搅拌转速对固相颗粒在镀液中的分布有明显影响。随着粒径的增加,颗粒在镀液的分布均匀性逐渐降低;随着搅拌转速增加,固相颗粒在镀液中分布均匀性明显提高。2、在镀槽中添加挡板,能有效提高镀液速度场的均匀性,有利于镀液湍流的充分发展,提高湍流强度和雷诺切应力,从而大幅度提高镀液中颗粒的分布均匀性。复合镀工艺研究表明:1、对于纳米金刚石灰粉复合镀,镀层耐磨性能的最佳工艺为:镀液中金刚石灰粉含量为6g/L,添加PEG作为表面活性剂,含量为1:20,搅拌转速为450rpm左右(镀液的平均速度为0.1m/s左右,湍流强度为4%左右)。2、Ni-P化学镀中,从不搅拌到搅拌,镀层沉积速度略有增加,随着搅拌转速的增加,沉积速度又随之下降。复合镀中,镀层沉积速度随搅拌转速的增加而下降,特别是搅拌转速较大时,沉积速度下降更加明显。3、复合镀层的硬度随镀层中金刚石含量增加而增大,其耐磨性随镀液中金刚石含量的增加而改善。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
图、表清单  10-13
第一章绪论  13-26
  1.1 化学复合镀概述  13-14
  1.2 Ni-P-微粒的沉积机理及工艺  14-17
    1.2.1 基质金属沉积机理  14-15
    1.2.2 微细颗粒共沉积机理  15-17
  1.3 搅拌对化学复合镀的影响  17
  1.4 搅拌的数值模拟概述  17-24
    1.4.1 CFD 方法简介  18
    1.4.2 CFD 在搅拌研究中的应用  18-20
    1.4.3 CFD 软件简介  20-22
    1.4.4 搅拌的数值模拟方法  22-24
  1.5 本文研究的背景和主要内容  24-26
第二章镀槽固液两相流场的数值模拟  26-40
  2.1 计算模型的建立与网格生成  26-28
    2.1.1 三维实体模型的建立  26
    2.1.2 网格划分  26-27
    2.1.3 网格质量检查  27-28
  2.2 计算模型与求解策略  28-30
    2.2.1 两相计算流体力学模型  28-29
    2.2.2 计算物系与求解策略  29-30
    2.2.3 收敛的判断标准  30
  2.3 固液两相分布的模拟  30-38
    2.3.1 粒径对固相分布的影响  30-33
    2.3.2 体积分数对固相分布的影响  33-35
    2.3.3 搅拌速度对固相分布的影响  35-38
  2.4 小结  38-40
第三章镀槽结构优化探索  40-57
  3.1 流体力学模型及计算方法  40-41
  3.2 不同形状搅拌子的搅拌效果  41-46
    3.2.1 不同形状搅拌子的实体形状  41-42
    3.2.2 使用不同搅拌子时的速度场  42-45
    3.2.3 使用不同搅拌子的固相分布  45-46
  3.3 添加挡板后的搅拌效果模拟  46-53
    3.3.1 添加挡板后镀槽的形状  46-47
    3.3.2 添加挡板后镀槽的速度场  47-52
    3.3.3 添加挡板后的固相分布情况  52-53
  3.4 实验验证  53-56
    3.4.1 实验设计  53
    3.4.2 结果分析  53-56
  3.5 小结  56-57
第四章镀槽结构对化学复合镀的影响  57-69
  4.1 实验准备和方案设计  57-59
    4.1.1 实验材料  57
    4.1.2 实验仪器及设备  57-58
    4.1.3 工艺流程  58
    4.1.4 实验设计  58-59
  4.2 工艺参数对镀层硬度的影响  59-61
  4.3 工艺参数对镀层耐磨性能的影响  61-62
  4.4 镀层形貌组织结构分析  62-68
    4.4.1 镀层表面形貌  62-63
    4.4.2 镀层横截面形貌  63-65
    4.4.3 镀层的组织结构分析  65-68
  4.5 小结  68-69
第五章化学复合镀Ni-P-纳米金刚石工艺研究  69-79
  5.1 搅拌转速对镀层沉积速度影响研究  69-73
    5.1.1 实验设计  69
    5.1.2 结果分析  69-73
  5.2 纳米金刚石灰粉含量对镀层耐磨性能影响研究  73-78
    5.2.1 实验设计  73
    5.2.2 镀液中金刚石浓度对镀层显微硬度的影响  73-74
    5.2.3 镀液中金刚石浓度对镀层耐磨性的影响  74-78
  5.3 小结  78-79
第六章结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 对今后工作的展望  80-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
在学校期间的研究成果及发表的学术论文  86

镍—磷—金刚石化学复合镀两相流仿真与复合镀工艺研究

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