無級變速電刷鍍裝置設計

劉航+++楊雨晨+++楊宏

摘 要：應用無級變速和JLT-200A系列智能刷鍍電源，采用普蘭迪微型直流隔膜泵等制備無級變速電刷鍍裝置。在碳鋼表面復合鍍證明，該電刷鍍裝置結構緊湊，體積小，性能穩定，對環境污染小，使用方便。

關鍵詞：無級變速；電刷鍍；復合鍍；設計

1 概述

電刷鍍是借助電化學方法，以浸滿鍍液的鍍筆為陽極，使金屬離子在負極工件表面上放電結晶，形成金屬覆蓋層的工藝過程。同普通電鍍和化學鍍相比較，電刷鍍技術具有電流密度大、操作設備簡單、鍍層沉積速度快、適應性強、質量好等優點[1]，因此在現代表面工程中獲得了廣泛的應用。復合鍍層是表面工程技術中較為活躍的研究熱點之一，也是復合材料領域中一個嶄新的研究方向[2]。復合電刷鍍則是懸浮在刷鍍液中的固體顆粒被鍍筆帶到沉積表面，被生長的基質金屬所捕獲，最終形成復合鍍層[3]。隨著刷鍍時間的增長，鍍層逐漸增厚，直至達到所需的厚度。石墨作為一種自潤滑材料，溶沸點高，膨脹系數小，摩擦系數小，同時具有良好的化學穩定性。Grp/Ni復合鍍層在摩擦面的工作過程中，存在于基質金屬中的石墨顆粒隨著基質金屬的磨損，將不斷地脫落，補充到磨損表面，從而在摩擦面上形成一種潤滑膜，從而起到了減摩、耐磨作用[4]。

應用自制的無級變速電刷鍍裝置在45鋼表面制備了Grp/Ni復合鍍層。采用金相顯微鏡、掃面電鏡、硬度試驗和耐磨性試驗等，研究了不同電壓、溫度、轉速和石墨添加量等電刷鍍工藝條件下，Grp/Ni復合鍍層的顯微組織、形貌特征、硬度及耐磨性能。

2 無級變速電刷鍍裝置設計

電刷鍍通常包括專用直流電源，鍍筆及供液、集液裝置，以及刷鍍轉臺。

2.1 專用直流電源

電刷鍍專用直流電源不同于其他電鍍所用的電源，由整流電路、正負極性轉換裝置、過載保護電路及安培計等幾部分組成。本實驗使用JLT-200A系列智能刷鍍機。刷鍍電源如圖1所示。

2.2 刷鍍筆

鍍筆是電刷鍍的重要操作工具，由陽極、絕緣手柄和散熱裝置組成。根據實際刷鍍零件的尺寸差異，可以選用不同類型的鍍筆以及鍍筆前端的石墨塊。石墨塊的表面積通常為被鍍面的1/3。為了貯存電鍍溶液，防止陽極與被鍍件直接接觸短路，過濾陽極溶解下來的石墨粒子，陽極表面還需用脫脂棉和針織套進行包裹。

2.3 供液、集液裝置

電刷鍍時，根據被刷鍍零件的結構和大小，可以采用不同的方式給筆供液，如澆淋式、蘸取式、和泵液式。關鍵是要做到連續供液，用以保證金屬離子的電沉積能夠正常進行。而且流淌下來的溶液一般采用塑料盤之類的容器收集，以供循環使用。本實驗采用直流隔膜泵供液。采用普蘭迪微型直流隔膜泵，如圖2所示。

2.4 無級變速刷鍍設備

將以上部分包含在內的無級變速電刷鍍設備，本實驗設備的主要優點主要有：

（1）配有變速調節系統，可在實驗過程中精確調節鍍件轉速；

（2）配有小型機床卡盤，能夾持不同直徑的鍍件；

（3）配有微型直流隔膜泵，實現了電鍍液的循環；

（4）解決了鍍件通電問題，實現了電接觸點與鍍件的分離。

3 無級變速電刷鍍裝置在鋼表面電刷鍍實驗

實驗基材是45號，45號鋼是常用的中碳結構鋼。經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性。退火、正火比調質時要稍好，具有較高的強度和較好的切削加工性。45鋼經調質處理后，其綜合力學性能要優化于其他中碳結構鋼。本實驗選擇尺寸為Φ40mm×4mm的圓餅試樣。應用自制的無級變速電刷鍍裝置在45鋼表面制備了Grp/Ni復合鍍層。

3.1 電刷鍍Grp/Ni復合鍍層的表面形貌

圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示分別是刷鍍電壓為 8V、10V、12V、14V 時，Grp/Ni復合鍍層的形貌特征。從圖中明顯看出，當刷鍍電壓為 12V 時，復合刷鍍層表面光滑、平整，無現麻點、起泡的現象、無脫落等現象，更沒有被氧化燒焦的地方。鍍層不僅整體晶粒細小，而且沉積速度也相對較快，此時鍍層的力學性能為最佳。隨著刷鍍電壓的增加，導致電流密度不斷增大，使得Ni2+更容易沉積到工件表面，更容易長大。當電刷鍍的電壓過低時，鍍層的沉積速度會明顯的下降，耗費人力和物力，更會嚴重影響Grp/Ni復合鍍層的最后質量。當刷鍍電壓過高時，伴隨著電源輸出的電流密度的增大，進而導致鍍液、鍍層、鍍筆發熱量增大。將會使得鍍層表面變得比較干燥，不但會使鍍液的蒸發量增大，浪費電刷鍍液，刷鍍筆的陽極也會因為溫度的增加導致燒損加劇，增加更換的頻率，而且也會使得鍍層的表面變黑，甚至更嚴重的是使得鍍層直接脫落。

3.2 電壓對鍍層硬度的影響

鍍層一般都比較薄，所以進行硬度檢測用顯微硬度計（顯微硬度計HVS-1000），加2.942N的力。結果表明，在10～12V范圍內，隨著電壓的升高，鍍層硬度逐漸增大，且在12V時鍍層硬度較高，大小約為HV635。

3.3 電壓對摩擦系數的影響

對鍍層進行磨損試驗的主要目的是檢驗鍍層抵抗磨損的能力能否滿足零件使用時對耐磨性能的要求。加載載荷20N，試驗時間5min，實驗發現，隨著刷鍍電壓的增大，試樣表面的摩擦系數在減小，可得出在本次試驗中耐磨性的峰值出現在14V附近。

3.4 溫度對鍍層組織與性能的影響

分析刷鍍溫度為20℃、30℃、40℃、50℃時的Grp/Ni復合鍍層的表面形貌可知道，隨著溫度的增加，提供足夠的能量，溶液中各成分的活性越強，使得Ni2+更容易沉積到工件表面，更容易長大。但溫度過大，會使鍍層表面發黑，鍍層表面變得粗糙。

4 結束語

（1）無級變速電刷鍍裝置結構緊湊，體積小，性能穩定，對環境污染小，使用方便。

（2）無級變速電刷鍍Grp/Ni復合鍍層結合力良好，能預防粘著磨損的發生，降低摩擦因數，提高耐磨性，滿足實際使用要求。

參考文獻

[1]錢苗根.現代表面技術（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]解念鎖.梯度功能材料的制造方法及應用[J].陜西工學院學報， 2002，18（2）：4-7.

[3]龔海華，靳惠明.脈沖電鍍Ni-SiC納米復合鍍層性能研究[J].化學工程與裝備，2011，40（1）：32-33.

[4]于楊，解念鎖.先進表面工程技術及應用研究[J].科技創新導報，2009（31）：78.

作者簡介：劉航（1996，04-），男，陜西西安人，本科生，研究方向是金屬材料表面強韌化技術。