[发明专利]基于移动阳极的超临界复合电镀加工钻头的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学沉积加工技术领域，具体涉及一种基于移动阳极的超临界复合电镀加工钻头的方法。

背景技术

超临界流体（Supercritical Fluid）是指纯净物质处于临界点（临界压力和临界温度）以上时，所表现出来的一种介于液态和气态的流体。在临界点附近，超临界流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。CO₂气体具有环保、 不燃、无毒、惰性、储备丰富且临界压力（7.39MPa）和温度(31.1℃)不太高等优点，因此超临界CO₂流体被广泛运用。由于超临界CO₂具有较低的粘度（0.03-0.1 MPa·s）和较高的扩散系数（10^- 4 cm²·s^-1），在电铸体系中能为传质提供良好的条件。

目前工业钻头的成型材料常使用钛合金、金刚石材料或特种钢质材料等，这些材料的钻头制备起来工艺复杂，成本偏高且性能不够优异，而采用纳米复合材料能够较好地弥补这些缺点。工业钻头常使用高速钢以及特种钢等作为基体材料，该基体材料通常难以直接进行电化学沉积加工，而采用化学镀的方法对基体材料进行预处理后，则使得在该基体上进行纳米复合电镀成为可能。在将纳米颗粒均匀复合在金属基体材料时，纳米颗粒在电铸过程中所发生的团聚及宏观均匀性较差的问题非常突出。目前大多采用搅拌、超声振动、添加分散剂等方式来处理纳米颗粒的团聚现象，但因原模（金属零件）形状各异，电镀时电场、流场均匀性不易控制等，仍会造成纳米复合电铸层中纳米颗粒团聚和分布不均匀。纳米颗粒的团聚和分布不均匀将会导致不同部位的铸层力学性能差异巨大，严重影响其使用性能。

目前，在超临界环境下电沉积制备纳米复合材料与微细零件的工艺方法和装置已有所见。如授权公告号为CN 101092716B的中国专利文献公开了一种超临界流体细微电镀成型工艺及其装置，其以SCF-CO₂为电镀环境进行微结构零件的成型，通过该方法所得的金属电镀层表面沉积均匀、无积瘤，且铸层组织细密平整，但所得铸层为单一金属，不适用于含有纳米颗粒的复合电镀成型；又如公布号为CN 102146573A的中国专利文献提出了一种超临界流体电铸成型制备纳米复合材料的方法，其主要是在机械搅拌辅助条件下电沉积制备金属基纳米复合材料，电场分布是固定的，从其参数设置和阴阳极设置来看，不能对柱状或管状类阴极进行有效的沉积纳米复合镀层。

发明内容

本发明的目的是：控制纳米颗粒在电镀过程中的团聚现象，针对阴极钻头在电镀过程中不能很好地被镀上纳米复合材料，采用基于匹配移动阳极的超临界复合电镀方法，使得复合镀层在阴极钻头表面能够变得分散均匀、表面平整、组织致密、晶粒细小、性能优异。

本发明的技术方案是：本发明的基于移动阳极的超临界复合电镀加工钻头的方法，采用基于移动阳极的超临界复合电镀装置实施，该基于移动阳极的超临界复合电镀装置包括反应器、直流电源组件、机械搅拌器、二氧化碳气体钢瓶和高压泵；直流电源组件包括电源、阳极棒和阴极棒；其特点是：上述的基于移动阳极的超临界复合电镀装置还包括移动阳极组件、驱动组件和作为阴极主体的被加工钻头；

上述的移动阳极组件包括固定连接板和移动阳极；移动阳极与固定连接板固定连接；驱动组件包括伺服电机、驱动丝杠和连接杆；驱动丝杠内置有与其绝缘的弹性导电线圈；伺服电机与驱动丝杠传动连接；连接杆的左端与固定连接板固定连接；连接杆的右端与驱动丝杠固定连接；移动阳极通过固定连接板、连接杆、；驱动丝杠内置的弹性导电线圈以及阳极棒与电源的正极电连接；被加工钻头的上端与阴极棒的下端固定连接并通过阴极棒与电源的负极电连接；上述的移动阳极组件的移动阳极在驱动组件的驱动下，可相对被加工钻头上下向往复运动；

加工钻头的方法，包括以下步骤：

①对被加工钻头的基体进行预先化学镀处理，在被加工钻头的基体表面镀上一层易于进行电沉积的金属；

②将配置好的含纳米硬质颗粒和复合添加剂的二元体系电镀液加入反应器中，固定作为阴极主体的被加工钻头；调节移动阳极组件的移动阳极的位置使得移动阳极可相对于被加工钻头上下移动；

③向反应器中通入二氧化碳气体，控制反应器内的温度在35～70℃、压力在8～20MPa的范围内，形成以超临界二氧化碳乳化液为载体的三元电镀体系；

④设定移动阳极相对于作为阴极主体的被加工钻头的移动速度和行程，以及电沉积参数，在机械搅拌器的搅拌辅助下得到纳米复合镀层；