曲軸電刷鍍鎳-鎢合金鍍層的研究

丁立紅， 雷衛(wèi)寧， 唐從順， 劉維橋， 談 衡

（1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州213001；2.江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州213001）

0 前言

曲軸是柴油機(jī)的重要零部件［1］。曲軸常在高速、交變服役條件下工作，磨損失效趨勢(shì)明顯。失效曲軸再制造，對(duì)提高廢品的利用率及促進(jìn)資源循環(huán)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2-3］。電刷鍍是曲軸再制造的常用方法［4］。鎳基合金（如鎳-鎢合金等）對(duì)提升鍍層的力學(xué)性能有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)其電刷鍍工藝的研究開展得相對(duì)較少。本文在某柴油機(jī)球墨鑄鐵曲軸磨損表面電刷鍍鎳-鎢合金，并對(duì)其制備工藝及性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鎳-鎢合金的制備工藝

電刷鍍工藝過程一般包括預(yù)處理、刷鍍和鍍后處理三大部分。具體工藝見表1。

表1 電刷鍍工序

本實(shí)驗(yàn)采用電刷鍍工藝制備致密快鎳鍍層作為打底層，鎳-鎢合金鍍層作為工作層。制備過程中選擇不同的工藝參數(shù)，探索并改進(jìn)操作設(shè)備和鍍液配方，最終確定最適合的工藝參數(shù)。工藝參數(shù)的選擇對(duì)耐磨性、硬度、抗拉強(qiáng)度等有重要的影響；此外，不同的金屬溶液有著不同的性質(zhì)，對(duì)于工藝參數(shù)的選擇也不同。本文主要研究刷鍍電壓和循環(huán)速率等工藝參數(shù)對(duì)鍍層的制備及其性能的影響。

致密快鎳鍍液配方：Ni2+20～100g／L，乙酸20～100g／L，添加劑I 20～100g／L，添加劑II 20～100g／L，添加劑III 微量，pH值0.9～1.0，溫度40～50℃，電壓8～14 V，陰陽極相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率10～15m／min，流量 連續(xù)或間斷供給，陽極材料 石墨、活性鎳、不銹鋼。

鎳-鎢合金鍍液配方：七水合硫酸鎳39g／L，七水合硫酸鈷23g／L，二水合鎢酸鈉23g／L，一水合檸檬酸42g／L，硫酸鈉6.5g／L，硼酸31g／L，十二烷基硫酸鈉 微量，硫酸錳2g／L，氯化鎂3g／L，氯化鈉5g／L，冰醋酸20g／L，甲酸35g／L，pH值1.4～2.4，電壓8～14V，流量 連續(xù)或間斷供給，陰陽極相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率10～15m／min。

1.2 性能檢測(cè)

采用UMT-2型球盤式磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍層的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，選擇直徑8mm 的高鉻軸承鋼球，控制試驗(yàn)溫度為室溫，盤的旋轉(zhuǎn)半徑為5mm，轉(zhuǎn)速為200r／min，施加載荷為3N。然后采用Nanomap-500Ls型三維接觸式表面輪廓儀觀測(cè)鍍層磨損區(qū)域的形貌，獲取磨痕截面輪廓。通過確定鍍層磨痕截面積，得出鍍層的耐磨性［5］。

鍍層的硬度檢測(cè)在HXD-1000TMS／LCD 型數(shù)字式顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，控制電壓在8～14V，獲得不同厚度的鍍層的硬度變化曲線［6］。

拉伸試驗(yàn)在FR-103C 型電腦式伺服型萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣為非標(biāo)準(zhǔn)的平板試樣，如圖1所示。試樣的中間矩形進(jìn)行刷鍍，其余空間全部用膠帶封閉，以防止電流磁場(chǎng)集中在邊緣，同時(shí)避免接觸到溶液。

圖1 拉伸試樣形狀

2 結(jié)果與討論

2.1 工作電壓、刷鍍時(shí)間、循環(huán)速率對(duì)鎳-鎢合金鍍層耐磨性的影響

采用正交試驗(yàn)方法，研究工藝參數(shù)對(duì)鍍層耐磨性（磨痕截面積）的影響。磨損試驗(yàn)機(jī)作用下鎳-鎢合金鍍層試樣表面凹痕的SEM圖像，如圖2所示。其中：圖2（a）是工作電壓10V，沉積時(shí)間40min，沉積速率3～4m／min時(shí)的表面凹痕的SEM圖像；圖2（b）是工作電壓14V，沉積時(shí)間20min，沉積速率6～8m／min時(shí)的表面凹痕的SEM圖像。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 鎳-鎢合金鍍層表面凹痕的SEM圖像

表2 試驗(yàn)因素對(duì)鍍層磨痕截面積的影響

由表2可知：在工作電壓不變的情況下，控制刷鍍時(shí)間并改變循環(huán)速率，鍍層表面的凹痕變化明顯。鍍筆循環(huán)速率過快，容易導(dǎo)致離子沉積不均勻，內(nèi)部存在間隙，鍍層質(zhì)量降低；循環(huán)速率過慢，會(huì)造成鍍液浪費(fèi)。在沉積速率不變的情況下，控制刷鍍時(shí)間并改變工作電壓，鍍層表面的凹痕變化顯著。工作電壓過低，效率明顯降低，耗時(shí)耗材；工作電壓過高，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，短時(shí)間內(nèi)不能散發(fā)出去，使鍍液溶質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶，從而嚴(yán)重影響鍍層質(zhì)量。各因素對(duì)鍍層磨痕截面積影響的主次順序?yàn)檠h(huán)速率＞工作電壓＞刷鍍時(shí)間。在工作電壓14V，刷鍍時(shí)間20min，循環(huán)速率6～8m／min時(shí)，磨痕截面積小，材料的耐磨性提高。

2.2 電壓對(duì)鎳-鎢合金鍍層硬度的影響

根據(jù)刷鍍參數(shù)分別進(jìn)行四個(gè)硬度檢測(cè)試驗(yàn)：工作電壓分別為8V、10V、12V、14V，在每個(gè)工作電壓下均取鍍層厚度為50μm、100μm、150μm 的試樣進(jìn)行檢測(cè)。然后分別在每個(gè)樣品上取三個(gè)點(diǎn)，在HXD-1000TMS／LCD 型數(shù)字式顯微硬度計(jì)下測(cè)出每個(gè)點(diǎn)的硬度。鎳-鎢合金鍍層的硬度變化曲線，如圖3所示。

圖3 電壓對(duì)鎳-鎢合金鍍層硬度的影響

由圖3可知：在工作電壓不變的條件下，鎳-鎢合金鍍層的硬度隨厚度的增加而提高；但相同厚度樣品的硬度在不同的電壓下有波動(dòng)。在鍍層厚度滿足要求的情況下，控制電壓在10～14V 之間，鍍層的硬度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

2.3 鎳-鎢合金鍍層的抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)中選擇鍍層厚度為100μm 的試樣，在FR-103C型電腦式伺服型萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上得到的數(shù)據(jù)，如表3所示。其中，刷鍍前試樣編號(hào)為A，刷鍍后試樣編號(hào)為B。

表3 刷鍍前后球墨鑄鐵試樣的拉伸參數(shù)

由表3可知：球墨鑄鐵表面刷鍍鎳-鎢合金鍍層后，拉伸應(yīng)力增大，抗拉強(qiáng)度顯著提升。鍍層是以離子形式沉積形成，內(nèi)部結(jié)合緊密，不容易分裂。拉伸應(yīng)力的提升和抗拉強(qiáng)度的提高從另一方面說明鍍層與基體具有很強(qiáng)的附著力，鍍層與基體結(jié)合后以完整體的形態(tài)抵抗外力變形，具有比之前更好的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

本文研究了鎳-鎢合金鍍層的制備工藝，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)鎳-鎢合金鍍層的性能進(jìn)行了分析。首先，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試工作電壓、刷鍍時(shí)間、循環(huán)速率三個(gè)因素對(duì)鎳-鎢合金鍍層耐磨性影響的主次順序。在工作電壓14V，沉積時(shí)間20min，沉積速率6～8 m／min時(shí)，鎳-鎢合金鍍層的耐磨性遠(yuǎn)大于普通球墨鑄鐵的，能夠有效地提高球墨鑄鐵的耐磨性。其次，利用硬度儀測(cè)得鎳-鎢合金鍍層的硬度。在工作電壓相同時(shí)，鍍層的硬度隨厚度的增加而提高，而相同厚度樣品的硬度在不同電壓下有波動(dòng)，在鍍層厚度達(dá)到要求，電壓為14V 時(shí)，鍍層的硬度最高。最后，通過拉伸試驗(yàn)得到刷鍍后的抗拉強(qiáng)度和鍍層的結(jié)合力有很大的提高，完全可滿足磨損曲軸表面再制造工藝要求。

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