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面向装备再制造的纳米复合电刷镀技术的新发展

05日

面向装备再制造的纳米复合电刷镀技术的新发展

   时间: 2014-05-05

 文   胡振峰,董世运,汪笑鹤,徐滨士(装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室)

 

 摘要:纳米复合电刷镀技术是一项先进的装备再制造工程技术。近年来,其技术基础研究不断深入、应用领域不断拓展。适应再制造产业化的发展,文中在前期研究成果的基础上,介绍了近几年在双纳米材料复合电刷镀、替代硬铬纳米复合合金电刷镀和自动化纳米电刷镀等方面的研究与应用。

 

 关键词:装备再制造;表面工程;纳米复合电刷镀;新进展

 

 0 引言

 

 纳米复合电刷镀技术是再制造工程的关键技术之一,由于其制备的纳米复合电刷镀层具有优异的力学性能,已经在重载车辆侧减速器主/被动轴和大制动鼓密封盖、发动机连杆、凸轮轴和曲轴等零部件的再制造中获得了成功应用[1-2]。前期研究主要集中于在镍基电刷镀液中添加一种纳米颗粒材料,制备出了n-Al203/Ni、n-ZrO2/Ni及n-SiC/Ni等镍基纳米复合电刷镀层。与镍电刷镀层相比,由于纳米颗粒的加入,纳米复合电刷镀层的硬度提高到HV700(镍电刷镀层硬度约HV410)、耐磨性提高l倍以上、抗接触疲劳性能由105周次提高到106周次,显著拓展了镍电刷镀技术的应用范围,解决了普通镍电刷镀无法修复的难题。并且,前期的纳米电刷镀技术依靠手工操作,难以适应再制造工业化生产需要。为了适应再制造产业发展,进一步提高纳米复合电刷镀层性能,需进行升级研发[3-5]

 

 为进一步提高纳米电刷镀层性能,可从两个方面着手。一方面是改变基相金属,即把单一镍金属改变为二元甚至多元合金;另一方面是改变增强相,即把单一的纳米颗粒改变为两种甚至多种纳米颗粒,发挥纳米颗粒的协同增强作用。为进一步提高手工电刷镀技术的工作效率,在原来手工纳米电刷镀基础上,研发了自动化纳米电刷镀技术。

 

 文中主要介绍近年来在提高纳米电刷镀层性能、提高纳米电刷镀工作效率以适应再制造产业化生产需要方面的研究结果。

 

 1 双纳米材料复合电刷镀层

 

 1.1 双纳米材料复合电刷镀层制备方法

 

 制备双纳米材料(含两种纳米颗粒)复合电刷镀层需首先制备双纳米材料复合电刷镀液。在n-Al2O3/Ni(纳米颗粒添加量为15g/L)复合电刷镀液中,分别加入另一种纳米硬质颗粒(纳米碳化物、纳米氧化物、纳米氮化物)或纳米纤维材料(CNTs),采用高能机械化学法对纳米材料进行分散,制备出双纳米材料复合电刷镀液。所用第二种纳米材料包括:n-SiO2,n-ZrO2,n-TiO2,n-Si3N4,n-SiC,纳米金刚石(n-Diam),碳纳米管(CNTs),添加量为5 g/L。

 

 利用所制备的双纳米材料复合电刷镀液,在45钢基体表面制备纳米复合电刷镀层。工艺参数为:刷镀电压12 V,刷镀笔相对运动速度8 m/min。所制备的双纳米材料复合电刷镀层厚度约0.1 mm。

 

 1.2 双纳米材料复合电刷镀层的相对耐磨性

 

 采用SRV型多功能摩擦磨损试验机,在相同实验条件下(载荷5N;滑动速度0.4m/s),对比评价各刷镀层的相对耐磨性(以n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的耐磨性为1),结果如图1所示。其中,图1(a)和(b)分别给出了室温和400℃条件下,各刷镀层的相对耐磨性试验结果。

 

 由图1可以看出,在n-Al2O3/Ni复合电刷镀层中加入不同的纳米颗粒材料,其相对耐磨性的变化不同,也就是说,第二种纳米颗粒对n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的影响作用不同。综合图1(a)和(b)中结果,可以发现:无论是在室温还是在400℃条件下,n-SiO2和n-TiO2均降低了n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的耐磨性能,而n-SiC和n-Diam均显著提高了其耐磨性,n-Si3N4和n-ZrO2的影响不显著。

 

 针对n-SiC和n-Diam显著提高n-Al2O3/Ni复合电刷镀层耐磨性的现象,从复合刷镀液中纳米颗粒对离子吸附、复合刷镀层微观组织等方面,进行了深入分析。研究发现:①n-SiC或n-Diam颗粒的加入,使n-Al2O3/Ni复合镀层的晶粒尺寸得到细化,镀层中的纳米颗粒含量进一步提高,纳米材料在复合电刷镀层中均匀弥散分布,与基质金属结合紧密,这进一步增强了纳米材料对镀层性能的细晶强化作用和第二相硬质点强化作用;②在n-Al2O3/Ni复合刷镀液中加入n-SiC或n-Diam颗粒后,提高了镀液中纳米颗粒对Ni2+和H+等荷正电离子的吸附能力,使纳米颗粒对镀液中的荷正电离子存在竞争吸附优势,纳米颗粒的表面电位由负值变为正值。镀液中纳米颗粒表面电位性质的变化使纳米颗粒与基质金属的共沉积过程由单一的力学机理主导转变成力学机理和电化学机理综合主导的过程,这增强了纳米颗粒与基体金属间的相互作用,有利于提高复合电刷镀层中纳米颗粒的共沉积量,从而提高了纳米复合电刷镀层的综合性能[6]

 

电刷镀层

电刷镀层

图1 不同电刷镀层的耐磨性比较(a)室温(b)400

 

 2 纳米复合合金基电刷镀层及其应用基础

 

 电镀硬铬镀层具有硬度高、耐磨性好和抗氧化腐蚀性能优异等优良的综合性能,工业应用广泛,但是传统电镀硬铬工艺环境污染严重。因此,通过研发合金基纳米复合电刷镀层替代硬铬镀层,具有广阔应用前景和重大社会意义[7-8]

 

 2.1 纳米复合合金基电刷镀层优化与制备

 

 通过成分优化试验,研制了Ni-Co合金电刷镀液,其主要成分为:硫酸镍150 g/L,硫酸钻100 g/L。在此基础上,采用高能机械化学方法,制备出了n-Al2O3/Ni-Co纳米复合电刷镀液,其中n-Al2O3颗粒添加量为20~30 g/L。

 

 采用研发的Ni-Co合金刷镀液和n-Al2O3/Ni-Co纳米复合刷镀液,分别在45钢基体表面制备出了Ni-Co合金电刷镀层和n-Al2O3/Ni-Co纳米复合合金基电刷镀层。制备电刷镀层的工艺参数为:刷镀电压12 V,刷镀笔相对运动速度8 m/min。

 

 2.2 n-Al2O3/Ni-Co复合电刷镀层的性能

 

 2.2.1 硬度

 

 采用显微硬度计测试Ni-Co合金刷镀层与n-Al2O3/Ni-Co纳米复合刷镀层的硬度,并与快镍电刷镀层和硬铬镀层比较,如图2所示。可以看出,Ni-Co合金电刷镀层的硬度值约为750 HV,略低于硬铬镀层的硬度825 HV;n-Al203/Ni-Co纳米复合电刷镀层达1027 HV,高于硬铬镀层的硬度。

 

图2 几种镀层的显微硬度比较

 

 2.2.2 耐磨性

 

 采用CETR-1 rrM型球盘式磨损试验机,在相同试验条件下进行室温干摩擦磨损试验,通过测定磨损体积损失,评价各种镀层的耐磨性能。镀层试样的对磨球为直径4mm的GCrl5钢球,硬度为63HRC。试验载荷为15 N。

 

 以硬铬的相对耐磨性为1.0,结果见表1。结果表明,Ni-Co合金电刷镀层和铲n-Al2O3/Ni-Co纳米复合电刷镀层的相对耐磨性分别是硬铬镀层的0.90和1.08倍。可见单纯的Ni-Co合金刷镀层的耐磨性低于硬铬镀层,而加入纳米颗粒后的纳米复合合金基电刷镀层n-Al2O3/Ni-Co的耐磨性略优于硬铬镀层的耐磨性。分析认为,纳米复合镀层性能提高是由于n-Al2O3颗粒的细晶强化及弥散强化作用。

 

表1 几种镀层的相对耐磨性

 

 2.2.3 抗高温氧化性能

 

 在箱式电炉中对各镀层进行高温氧化试验。加热保温温度为700℃,保温时间依次为1 h、2 h、3 h、6 h、12 h,总保温时间为24 h。采用电子天平测量每次保温前后镀层质量的变化。获得的各试样的氧化增重曲线(氧化动力学曲线)如图3所示。

 

 图3结果表明,在文中试验条件下,快镍刷镀层的抗高温氧化性明显比铬镀层差,Ni-Co合金刷镀层的抗氧化性与铬镀层接近,而n-Al2O3/Ni-Co复合刷镀层的抗高温氧化性能略优于硬铬镀层。

 

图3 几种镀层700℃的氧化动力学曲线

 

 研究分析认为,n-Al2O3/Ni-Co复合刷镀层经过700℃氧化后,n-Al2O3颗粒在高温氧化过程中对镀层表面形成的氧化产物存在着固定和附着的作用,使氧化膜不容易发生开裂和脱落,有利于保持氧化膜的完整性,使复合刷镀层表现出较好的抗高温氧化性能;另外,n-Al2O3颗粒均匀地分布在刷镀层的表面,使镀层合金与氧化环境接触的有效面积相应减小,从而使n-Al2O3/Ni-Co复合刷镀层比Ni-Co合金刷镀层具有更高的抗氧化能力。

 

 3 自动化纳米电刷镀技术及其应用基础

 

 自动化纳米电刷镀技术是适应再制造产业化产需要而发展起来的。它是通过自动化控制的机电设备系统实现纳米电刷镀工艺过程,替代人工操作。它可以显著降低操作人员劳动强度,避免手工纳米电刷镀过程中人为因素的影响,大幅度提高纳米电刷镀的生产效率、提高工艺稳定性和纳米电刷镀再制造产品质量稳定性。

 

 3.1 自动化纳米电刷镀技术关键问题

 

 实现纳米电刷镀工艺过程自动化,其关键在于如何解决如下四个方面的问题:①多种溶液的切换和循环供应、②刷镀运动的自动化、③多步工序的图5连杆自动化纳米电刷镀冉制造专机自动切换以及④工艺参数和镀层质量的综合监控。

 

 针对以上问题,设计研发了自动化纳米电刷镀机,图4给出了其系统构成原理,实现了自动化纳米电刷镀工艺过程。通过自动化纳米电刷镀技术工艺优化,所制备的自动化纳米电刷镀层比手工纳米电刷镀层组织更致密、微区性能更均匀[9-10]

 

图4 自动化纳米电刷镀机组成原理图

 

 3.2 典型零件自动化纳米电刷镀设备及应用

 

 在实现自动化纳米电刷镀工艺过程的基础上,针对重载汽车发动机再制造生产急需,研发出了连杆自动化纳米电刷镀再制造专机(见图5)和发动机缸体自动化纳米电刷镀再制造专机(见图6),并已经在国家循环经济示范试点企业一济南复强动力有限公司的发动机再制造生产中成功应用。

 

 应用实践表明,自动化纳米电刷镀再制造生产工艺成熟,再制造零件的镀层质量稳定,大大降低了工人劳动强度,生产效率显著提高。连杆自动化纳米电刷镀再制造专机可以实现一次同时刷镀6件连杆,生产效率由手工刷镀时的l件/小时提高到12件/小时。发动机缸体自动化纳米电刷镀再制造专机的应用解决了缸体原来无法原尺寸再制造的难题,取得了显著的经济和社会效益。

 

图5 连杆自动化纳米电刷镀再制造专机

 

图6 发动机缸体自动化纳米电刷镀再制造专机

 

 4 结语

 

 纳米电刷镀技术适应再制造工程需求而获得了快速发展,同时,纳米电刷镀技术在再制造生产中的成功应用,有力推动了再制造产业化发展。

 

 随着纳米电刷镀技术在材料、工艺、设备和应用等方面系统研究的深入,今后将进一步根据装备再制造工程应用需要,不断开发新的纳米电刷镀材料,研发适合不同零件再制造生产需要的纳米电刷镀再制造生产设备和技术方法,加大纳米电刷镀技术的推广力度。

 

 另外,随着再制造产业领域的拓展,研发功能性纳米电刷镀层制备方法、探讨纳米电刷镀技术在机械领域外的功能性应用将又是一新的发展方向。

 

参考文献

[1]徐滨士.装备再制造工程的理论与技术[M].北京:国防工业出版社.2007:232-253.

[2]徐滨士,胡振峰.绿色纳米电刷镀技术及其在再制造工程中的应用[J].新工艺新技术,2008,11:7-11

[3]蒋斌.纳米粒子复合电刷镀镍基镀层的强化机理及其性能研究[D].重庆:重庆大学,2003.

[4]胡振峰.纳米颗粒复合电刷镀液研究及其在装备研究中的应用[D].北京:装甲兵工程学院,2004.

[5]董世运,徐滨士,胡振峰,等.纳米颗粒复合电刷镀层的微/纳观结构特征[J].中国表面工程,2009,22(2):65-68.

[6] Yang Hua,Dong Shiyun,Xu Binshi.Microstructure and properties of brush electroplated nano-SiC-n-Al2O3/Ni composite coating[J].Key Engineering Materials,2008,373-374:285-288.

[7]王尚义.镀铬修复及应用实例[M].北京:化学工业出版社,2006:3-5.

[8]汪笑鹤,徐滨士,胡振峰.代替硬铬电镀层的研究现状[J].新技术新工艺,2009,7:86-89.

[9]Jing Xue-dong,Xu Bin—shi,Wang Cheng-tao,et al.A Virtual Instnunent for Monitoring Process of Brush Plating[C].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2004.

[10]董世运,杨华,荆学东,等.自动化纳米复合电刷镀工艺参数的监控技术研究[J].材料保护,2008,41(10):206—209.

 

 

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