轉子刷鍍銅工藝技術分析

權琳琳，樊少忠

(西安航天發動機有限公司， 陜西 西安 710100)

0 引言

產品在機械加工或使用過程中，經常遇到一些軸、套、盤、殼體等零件或一些部件的孔、面、溝、槽等被磨損，因材料特殊、修復難度大，不能再使用而報廢[1]。針對這種情況，采用再制造技術對公差要求較高的配合面進行尺寸修復，即可滿足產品的使用要求[2-5]。在再制造工藝技術中，電鍍技術有著難以取代的優勢[6-8]，因為電鍍技術是在零件表面得到不同鍍層的技術，可以方便、快捷地實現尺寸的修復[9-15]。無論是零件外觀、尺寸的改變還是磨蝕都發生在產品的表面，其基體都是完好的[16-18]。有些機械零件經過長期時效，雖然外觀改變，但其基材比新制造零件更實用，對這些零件進行表面處理即可使其獲得新生[19-23]。在修復性鍍層工藝技術中，常見的有鍍鉻、鍍鎳、鍍銅等，通過控制時間、電流密度等工藝參數，可以達到所需要的鍍層厚度，再經過精磨達到零件指定的尺寸[24]。

某型號轉子因軸承配合面尺寸超差而影響軸承裝配，因此決定對軸承配合面尺寸進行修復。由于轉子內腔灌注有石蠟(熔點47～64 ℃)且前期做過相應的動平衡試驗，包套轉子若采用常規液相電鍍，轉子內腔的石蠟會熔化，影響轉子后續水試試驗，同時常規液相電鍍極易損壞已經完成裝配的轉子，造成零件報廢，任務延期。為挽救產品，結合轉子特點，擬通過研究適宜轉子的刷鍍工藝參數對轉子軸承配合面尺寸進行修復。

1 刷鍍原理及研究思路

1.1 刷鍍原理

刷鍍是修復機械零部件的一種特殊工藝技術，主要具有設備簡單、鍍層沉積速度快、鍍層脆性小、鍍層孔隙率低等特點。與傳統濕法電鍍相比，刷鍍不用鍍槽，而是使用特配的溶液和帶有不溶性陽極的鍍筆。刷鍍與電鍍的基本原理一樣，零件接電源的負極，刷鍍筆接電源的正極，依靠浸滿溶液的刷鍍筆在零件表面上反復擦拭而獲得鍍層，其工作原理如圖1所示。

圖1 刷鍍原理示意圖

零件刷鍍層的形成和零件浸在槽液中電鍍層形成相同，都是溶液中的金屬陽離子在零件上放電和結晶的過程。但不同之處在于，刷鍍過程中鍍筆和零件之間存在相對運動，因而被鍍零件表面不是整體同時發生金屬陽離子還原和結晶，而是零件表面各點在鍍筆與其接觸時發生瞬時放電結晶。此外，正是由于刷鍍筆和零件之間的相對運動，使得刷鍍可以采用比常規電鍍大幾倍到幾十倍的電流密度，且同樣可以獲得均勻、致密、結合力良好的鍍層，沉積速度也比鍍槽電鍍沉積速率快5倍至50倍。

1.2 研究思路

轉子示意圖如圖2所示。

圖2 轉子尺寸修復面示意圖

試驗按以下流程進行：有機溶劑除油→熱水洗→冷水洗→活化→冷水洗→刷預鍍鎳→刷鍍銅→尺寸測量→檢驗交付。轉子軸承配合面補鍍銅技術研究思路如圖3所示。

圖3 轉子刷鍍技術研究思路

1.3 設備儀器

本實驗所使用到的設備儀器有：10 A/12 V直流電源用于刷鍍銅制備，拉伸試驗機(LZW-100G)用于試件拉伸試驗，X射線熒光測厚儀(XRF2020)用于刷鍍銅層厚度檢測。

2 結果與討論

2.1 刷鍍銅電結晶機理

刷鍍銅和電鍍銅雖然都可以獲得銅鍍層，但相關機理尤其是電結晶方面還有著一定的區別。為了研究刷鍍銅工藝與電鍍銅工藝的電結晶機理區別，制備刷鍍銅層試驗件和電鍍銅層試驗件。刷鍍銅電壓6～8 V，線速度18 m/min，刷鍍25 min，試片銅層厚度為23～25 μm；電鍍銅電流密度2.2 A/dm2，電鍍覆時間65 min，試片銅層厚度為23～25 μm。對試片在同樣放大倍數的情況下進行金相觀察，如圖4所示。

圖4 不同鍍層的組織形貌

經能譜分析，刷鍍銅和電鍍銅試片表面銅鍍層均為純凈的銅，均未見雜質元素存在。經金相分析，刷鍍銅層組織為細小的等軸晶[見圖4(a)]；電鍍銅鍍層組織為垂直于生長面的相對粗大的柱狀晶[見圖4(b)]。在金相學中，對于一個晶粒在一個方向上特別長的是柱狀晶，對于一個晶粒均勻細小且各個方向尺寸都相差不大的是等軸晶。

電沉積過程是一個相當復雜的過程，它包括金屬與溶液界面間發生的各種過程和電極上的電結晶過程。金屬的電結晶是金屬形成晶核和晶核成長的過程。與一般鹽類自溶液中結晶的過程相似，形成晶核都是一個形成新相的過程。在金屬結晶過程中，整個體系的自由能變化關系為

(1)

式中：C為過飽和溶液的濃度；Cs為飽和溶液的濃度；σ為在T溫度時溶液與晶粒間的界面張力；V為晶體的摩爾體積；rk為晶核的臨界半徑尺寸。

由式(1)可知，溶液的過飽和度(C/Cs)越大，晶核的臨界半徑尺寸就越小，從而形成的晶粒尺寸就更小。

在金屬電沉積過程中，陰極的平衡狀態為溶液的飽和狀態，而陰極的過電位則相當于溶液的過飽和度。在電結晶時，陰極的過電位越大，形成的晶粒也越細。在刷鍍過程中有著較大的電流密度，該電流密度為常規槽體電鍍的10～20倍，因此在較高的電流密度下，陰極極化程度也較高，鍍層形成的晶粒也更為細致。

在電化學反應過程中，整個電極過程中電子的轉移速度由于存在一定困難而表現出來的極化就是電化學極化。在電極電位離開平衡電位的不同程度或方向，也就產生了陰極極化和陽極極化。電化學反應過程中陰極極化的程度對金屬電結晶的過程有著重要影響。在電鍍過程中，遠、近陰極和陽極之間的電壓是相同的，均由兩部分組成，即陽、陰極電位差和陰、陽極之間鍍液內部的電壓，由此可得

V遠陰極=V近陰極=V=(Φ陽極-Φ陰級)+V內

(2)

V內=IR=ρIL

(3)

式中ρ為比電阻，為固定常數。

以圖5的陰、陽極位置模型計算，假設近陰極電位為Φ1，遠陰極電位為Φ2，陽極電位為ΦA，L1、L2分別為近陰極、遠陰極與陽極的距離[25]，因此將式(3)代入(2)中可得

圖5 電鍍過程陰、陽極位置示意圖

(ΦA-Φ1)+ρI1L1=(ΦA-Φ2)+ρI2L2

(4)

可進一步簡化為

-Φ1+ρI1L1=-Φ2+ρI2L2

(5)

Φ1=Φ2+(Φ1-Φ2)=Φ2+ΔΦ=

(6)

又由L2=(L2-L1)+L1=ΔL+L1，結合式(5)、式(6)可得

(7)

即

(8)

(9)

由此可知，在刷鍍過程中較大的陰極極化程度促使鍍層晶體生長更為細致的等軸晶，鍍層結晶也更為細致。鍍液的陰極極化曲線如圖6所示。

圖6 鍍液的陰極極化曲線示意圖

2.2 刷鍍工藝參數

與電鍍不同，刷鍍過程中的電流值不是一個可調節的獨立工藝參數，與刷鍍溶液種類、鍍液溫度、刷鍍筆的潤濕程度、刷鍍筆與工件的接觸面積、刷鍍筆電阻和工件電壓等有著直接的關系。因此，在刷鍍過程中電壓處于恒定狀態，根據零件狀態確定最佳的電壓值。工作電壓作為刷鍍過程中的一項主要參數，需要根據鍍液種類、零件狀態等確定電壓值。當工作電壓較低時，刷鍍層顏色暗淡；當工作電壓較高時，刷鍍層容易出現鍍層粗糙甚至鍍層燒焦等現象。

結合日常生產所獲得的試驗數據及刷鍍銅溶液的本身性質，為了獲得最佳的刷鍍銅電壓工藝參數，將電壓控制在3～10 V范圍內進行調節，對試驗件進行刷鍍30 min，得出刷鍍電壓與鍍層狀態的具體關系，如表1所示。

表1 電壓與鍍層的關系

在刷鍍過程中，陽極與零件的相對運動速度(線速度)是一個極其重要的工藝參數。每一種刷鍍溶液在刷鍍時陽極與零件均應保持一定的相對運動速度。當相對運動速度太低時，在同樣刷鍍電流下，鍍層容易出現燒焦現象；相對運動速度太高時，會使刷鍍過程中的電流效率降低，導致鍍層沉積速率較低，甚至出現無鍍層的現象。刷鍍線速度與鍍層沉積速率的關系如圖7所示。

圖7 刷鍍線速度與鍍層沉積速率關系

從圖7中可以看出，隨著陽極與零件相對運動速度的增加，刷鍍層的沉積速率整體呈現出先增加而后降低的趨勢。在5 m/min較低速度刷鍍時，雖然有著較高的鍍層沉積速率，但在該速度下鍍層容易變暗或燒焦；在30 m/min高速刷鍍時，由于刷鍍速度較高，不僅鍍筆包裹的鍍液容易甩出，而且會使刷鍍部位的有效電結晶時間較短，電流效率較低，從而鍍層沉積速率較低。因此，根據刷鍍速度對鍍層沉積速率影響的試驗結果，陽極與零件之間的相對運動速度控制在15～20 m/min時有著較高的鍍層沉積速率。

2.3 刷鍍層結合強度

根據航天產品鍍覆層結合強度的檢驗和驗收，電鍍完成后按照QJ 479—90標準中劃格法進行金屬鍍覆層結合強度試驗。劃格法進行金屬鍍覆層結合強度試驗時，劃格器用足夠的力將鍍層劃破至基體金屬，劃線形成1 mm×1 mm的方格，用3M膠帶黏住所劃方格處后揭掉，目視檢查交叉點或線上有無鍍層剝落、片落或起皮。

從圖8的試驗結果可以看出，經劃格法試驗后，刷鍍銅鍍層與基體結合力良好，鍍層無起皮、脫落現象，符合標準要求。

圖8 劃格法試驗后試片外觀

轉子的軸承修復面不僅在后續的氧預壓泵裝配過程中需要一定的力度擠壓軸承配合面(過盈配合)，同時在后續試驗中需經皮帶轉速試驗(轉速大于1 000 r/min)進行考核。因此，轉子軸承配合面鍍層需有較高的結合強度。為了進一步量化測試刷鍍銅層的結合強度(抗拉強度)，采用GB 8642—2002標準進行鍍層結合強度的拉伸試驗測試，拉伸試驗件如圖9所示。

圖9 拉伸試驗件

拉伸試驗件由基體和加載塊組成[見圖9(a)]，在基體塊的端面刷鍍銅層后，采用黏結劑將加載塊與基體塊黏結，并經一定時間完全固化后進行拉力試驗機加載拉伸。在拉力試驗機加載拉伸過程中，以恒速平穩地進行加載，加載速度為400 N/s，直到基體塊與加載塊發生斷裂。經過持續的加載拉伸，當載荷加大至17.184 kN時，抗拉強度(抗拉強度等于載荷與斷裂面橫截面積之比)為36 MPa，基體塊與加載塊發生斷裂。從圖9(b)中可以看出，基體塊與加載塊發生斷裂后，基體塊端面的銅鍍層完整，未發生起皮、脫落等現象，基體塊與加載塊發生斷裂的原因為黏結劑的強度不夠。因此，經過拉伸試驗可以得出，刷鍍銅層的抗拉強度大于36 MPa。

轉子軸承配合面刷鍍銅層后，鍍層結晶細致、光亮，沒有出現鍍層崩邊、起皮、鼓包等結合力不良現象[見圖10(a)]；同時，轉子經水試后軸承配合面的銅鍍層依舊完整，也未出現鍍層崩邊、剝落等現象[見圖10(b)]，滿足了設計需求與試車考核要求。

圖10 轉子鍍層狀態

3 結論

通過開展轉子軸承配合面刷鍍鍍銅技術的研究，制備出了滿足設計要求的產品，同時獲得以下結論。

1)獲得了刷鍍電沉積機理，刷鍍過程中陰極極化程度的增加可促使電結晶過程中晶粒生長為更細致、均勻的等軸晶。

2)基于產品結構、刷鍍加工流程對轉子軸承配合面修復的影響，獲得刷鍍銅最佳工藝參數：電壓6～8 V，線速度15～20 m/min。

3)修復后的轉子軸承配合面尺寸不僅滿足設計要求，同時轉子在皮帶轉速試驗(轉速大于1 000 r/min)中鍍層狀態表現良好，現已通過水試考核驗證了工藝技術的可行性。