趙德耀，李踐飛，張本生，韓凱

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

n-Al2O3/Fe/SiC 復(fù)合鍍技術(shù)修復(fù)船舶空壓機(jī)曲軸方法研究

趙德耀，李踐飛，張本生，韓凱

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

針對(duì)目前船舶空壓機(jī)曲軸等機(jī)械部件修復(fù)中存在的問(wèn)題，對(duì)研制出的基于n-Al2O3/Fe/SiC納米材料復(fù)合鍍技術(shù)的修復(fù)工藝進(jìn)行研究。介紹了新型納米復(fù)合鍍的應(yīng)用范圍、共沉積機(jī)理，對(duì)磨損的船舶空壓機(jī)曲軸進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)修復(fù)后的鍍層進(jìn)行了結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、硬度等物理機(jī)械性能試驗(yàn)，得出了試驗(yàn)結(jié)論。最后得出該納米復(fù)合鍍修復(fù)工藝能夠應(yīng)用于受損的機(jī)械部件。

納米復(fù)合鍍 修復(fù) 曲軸

0 引言

零件損傷和故障的表現(xiàn)形式是多種多樣的，主要表現(xiàn)在磨損、摩擦副的擦傷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面引起的損壞、穴蝕、燒蝕等。其中以磨損為主，多發(fā)生于表面，或者是先從表面開(kāi)始[1]。因此提高零件表面的硬度和耐磨性，減少故障發(fā)生很重要；同時(shí)，在損傷和故障發(fā)生以后，研究如何修復(fù)磨損的零部件，恢復(fù)其原有的技術(shù)狀態(tài)也非常重要[2]。

目前用于零件磨損后修復(fù)的主要表面技術(shù)有鍍鉻、熱噴涂、電刷鍍等。鍍鉻技術(shù)修復(fù)厚度受限且對(duì)環(huán)境和人體有影響；熱噴涂技術(shù)結(jié)合強(qiáng)度不夠高不能用于曲軸等對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求高的零件修復(fù)，噴涂過(guò)程中對(duì)零件進(jìn)行加熱易造成零件變形；電刷鍍技術(shù)也受修復(fù)厚度和結(jié)合強(qiáng)度的影響，不能修復(fù)磨損大或者對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求高的零件[3]。

納米粒子的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)電沉積復(fù)合鍍技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。用納米顆粒代替微米粒子，用電沉積法制備的納米復(fù)合鍍層顯示出了更加優(yōu)異的性能。

船舶空壓機(jī)用于制造高壓氣，對(duì)于船舶生命力具有十分重要的作用?？諌簷C(jī)曲軸是將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，在使用過(guò)程中與連桿持續(xù)摩擦造成的磨損可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)副配合間隙超標(biāo)，影響空壓機(jī)正常運(yùn)行和使用壽命。

本文在研究出基于n-Al2O3/Fe/SiC復(fù)合鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)修復(fù)磨損的船舶空壓機(jī)曲軸方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，還對(duì)實(shí)施修復(fù)后的鍍層進(jìn)行了物理機(jī)械性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該方法能有效提高修復(fù)受損部件，并且鍍層的硬度、強(qiáng)度、耐磨性等性能優(yōu)異。

1 鐵基納米復(fù)合鍍及共沉積機(jī)理

基于n-Al2O3/Fe/SiC的納米復(fù)合電鍍液是單一液相的電鍍液，鍍液中的主要成分是氯化亞鐵、鹽酸、水和納米Al2O3。在電解液中氯化亞鐵、鹽酸和水部分地離解為：FeCl2? Fe2++ 2Clˉ、HCl? H++ Clˉ、H2O? H+＋OHˉ。

鍍層形成過(guò)程中的陰極反應(yīng)為：

1) 鐵離子放電還原并沉積在陰極表面：Fe2++ 2e → Fe;

2) 氫離子放電還原為氫原子，氫原子結(jié)合成氫氣析出：2H++ 2e → H2↑;

鍍層形成過(guò)程中的陽(yáng)極反應(yīng)為：

1) 4OHˉ－4e→O2↑+2H2O;

2) Fe–2e → Fe2+，鐵板失去電子成鐵離子進(jìn)入鍍液中，補(bǔ)充電鍍過(guò)程中鐵離子的消耗。

共沉積過(guò)程分為三個(gè)階段：

1) 鍍液中的固體微粒主要靠攪拌鍍液及微粒在鍍液中的自然沉降，使微粒遷移到陰極表面，并停留一定時(shí)間。

2) 在靜電場(chǎng)力作用下，固體微粒脫去水化膜，與陰極表面直接接觸，形成化學(xué)吸附的強(qiáng)吸附。強(qiáng)吸附的微粒被金屬鐵離子還原時(shí)，機(jī)械地鑲嵌進(jìn)去。

3) 沉積到陰極表面上的固體微粒在繼續(xù)電沉積的過(guò)程中，隨著鍍層的增厚，被整個(gè)埋入鍍層中，固體微粒彌散分布在基體金屬中，形成復(fù)合鍍層。

2 曲軸修復(fù)試驗(yàn)

2.1 修前檢查

曲軸修復(fù)前必須進(jìn)行修前檢查，修前檢查包括：清洗、外觀檢查、鍍前初磨。

2.1.1 清洗

拆掉傳動(dòng)齒輪，用金屬清洗劑洗凈曲軸表面油污，特別清洗油道內(nèi)和軸頸表面，然后用清潔的棉紗擦干。

2.1.2 外觀檢查

1）用肉眼或借助10倍放大鏡觀察，或用鐵錘敲擊曲軸臂，聽(tīng)其聲音等方法，初步檢查各部位表面及圓角處，不能有明顯裂紋及較大的缺陷。

2）用磁力探傷或超聲波探傷進(jìn)一步檢查。探傷時(shí)對(duì)曲軸圓角、油道孔邊緣及曲臂處做重點(diǎn)檢查。軸頸表面不允許有環(huán)形裂紋和橫向裂紋，圓角和曲臂處不允許有裂紋。用磁力探傷時(shí)，探傷后必須退磁，并擦凈鐵粉。

3）測(cè)量曲軸軸頸直徑，軸頸長(zhǎng)度、圓角半徑。軸頸尺寸不允許超過(guò)報(bào)廢尺寸。

4）檢查曲軸回轉(zhuǎn)半徑，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)尺寸±0.5 mm以上時(shí)，需要鍍前校正。

5）檢查曲軸中心線的直線度和各連桿軸頸中心線對(duì)主軸中心線的平行度。當(dāng)直線度小于0.5 mm時(shí)，經(jīng)初磨加工可消除彎曲，大于0.5 mm時(shí)，需進(jìn)行校直。

6）曲軸的校直，可采用靜壓力校直、冷作校直和火焰校直。

2.1.3 鍍前初磨

在曲軸磨床上進(jìn)行磨削，其目的是消除曲軸本身的直線度偏差，軸頸中心線平行度偏差、回轉(zhuǎn)半徑偏差及軸頸的圓度、圓柱度。消除軸頸表面溝痕、氧化層和以往的修復(fù)層，使軸頸表面粗糙度達(dá)到 3.2°。

磨削時(shí)，要保持盡量小的磨削量，以減少鍍層厚度。并考慮到納米鐵基復(fù)合鍍修復(fù)曲軸的鍍層厚度在較優(yōu)（0.15～ 0.75 mm）的范圍內(nèi)。

2.2 曲軸修復(fù)工藝過(guò)程

2.2.1 鍍前準(zhǔn)備

1）用金屬清洗劑對(duì)被鍍曲軸進(jìn)行除油，應(yīng)嚴(yán)格按照選用的清洗劑使用說(shuō)明進(jìn)行，仔細(xì)清洗曲軸各部位，尤其是曲軸油孔通道，待干燥后，用砂布打磨軸頸表面，除去存放中軸頸表面產(chǎn)生的銹跡。

2）堵油道孔 。用橡膠塞或木塞堵油道孔，堵塞物要與軸頸表面相平。

3）絕緣、裝掛。用塑料粘膠帶把不鍍部位，包扎粘住，每條膠帶的接縫處要搭接嚴(yán)密，以防漏電而影響電鍍質(zhì)量。絕緣包扎好的曲軸如圖1所示。

除去極杠、掛鉤及掛具各部位的氧化皮，把曲軸和掛具裝掛好，裝掛時(shí)要保證連接牢靠、導(dǎo)電良好。

4）配置陽(yáng)極板。

5）檢查并調(diào)整鍍液規(guī)范如表1。

6）計(jì)算電流強(qiáng)度和確定電鍍時(shí)間。

各電鍍過(guò)程的電流密度及電鍍時(shí)間，見(jiàn)表2。S：被鍍面積;I：電流強(qiáng)度;D活：對(duì)稱交流活化電流密度;D正：正半波電流密度;D負(fù)：負(fù)半波電流密度;D直：直流鍍電流密度;計(jì)算電流強(qiáng)度：I=D×S(A)。

7）除油膜

8）除氧化膜

用濃度為15%-20%的鹽酸溶液刷洗軸頸表面，不得有遺漏處，酸洗后用清水沖洗，動(dòng)作應(yīng)迅速，沖洗要徹底，沖洗后鍍件掛入鍍槽，如圖2。

2.2.2 施鍍

1）對(duì)稱交流活化

曲軸被鍍軸頸直徑為?49.54 面積S=1.9d m2，按I活=D活×S=6×1.9=11.4 A，迅速準(zhǔn)確地將正負(fù)半波電流調(diào)節(jié)到11.4 A。活化時(shí)間11 min。

2）不對(duì)稱交流起鍍

在對(duì)稱交流活化后，進(jìn)行不對(duì)稱交流起鍍，只升正半波電流，使電壓為0.5～1 V，電鍍時(shí)間為10 min。

3）交流過(guò)渡鍍

在不對(duì)稱交流起鍍的正、負(fù)半波電流基礎(chǔ)上，先用5min鐘時(shí)間均勻地把正半波電流升至I正=1/2D直×S=10×1.9=19 A，再用10分鐘時(shí)間均勻地把負(fù)半波電流降至I負(fù)=1/20D直×S=1×1.9=1.9 A。

4）半直流鍍

在交流過(guò)渡鍍后，把正半波電流調(diào)小，立即轉(zhuǎn)為直流，再迅速調(diào)整電流值為I直=1/2D直×S=10×1.9=19 A，時(shí)間為15 min。

5）直流過(guò)渡鍍

用15 min均勻地把電流I直=1/2D直×S=19升至I直=D直×S=20×1.9=38。

6）全直流鍍I直=D直×S=20×1.9=38，電鍍時(shí)間120 min。電鍍過(guò)程中，間隔40 min刷洗一次陽(yáng)極板，不停電，一塊一塊刷洗。

2.2.3 鍍后處理

1）曲軸出槽后用水沖洗

2）拆掛：拆除掛具、除去各部位的絕緣物，見(jiàn)圖3。

3）中和處理。在20%的碳酸鈉水溶液中浸泡20-30 min，然后取出用清水沖洗。

2.2.4 鍍后曲軸的機(jī)械加工

1）磨削加工

曲軸修復(fù)后，需要磨削。磨削修復(fù)后的曲軸使用60#綠色碳化硅砂輪，按照軸頸圓角半徑的尺寸要求修正砂輪邊緣圓角。磨削工藝參數(shù)見(jiàn)表3。磨削時(shí)砂輪進(jìn)給要平穩(wěn)，當(dāng)粗磨到磨削余量剩0.1 mm時(shí)，進(jìn)行精磨，磨后軸頸表面粗糙度不超過(guò)0.8°。磨削過(guò)程中，由于鍍層硬度較高，因此砂輪很易磨鈍，當(dāng)磨削的鍍層表面有波紋、黑線、部分燒傷等不正?，F(xiàn)象時(shí)，要及時(shí)用金剛石修正砂輪，以恢復(fù)砂輪正常的切削能力。

2）鉆油道孔

磨削后的曲軸要先將油孔中的堵塞物取出，然后在鉆床上將油道孔邊緣鉆成30°～50°的倒角，去掉毛刺。

3）最后清理

用4.9～9.8 Pa的風(fēng)吹或用棉紗通擦油道，徹底清除油道內(nèi)的鐵屑和贓物，并擦凈軸頸表面。修復(fù)后曲軸和修復(fù)前效果見(jiàn)圖4。

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3 鍍層物理機(jī)械性能試驗(yàn)

1）結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)在YDD-1型多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。所測(cè)試件中，大部分試件的鍍層的結(jié)合強(qiáng)度在160～200 Mpa，遠(yuǎn)大于電刷鍍、噴涂等修復(fù)層的結(jié)合強(qiáng)度（70～80 Mpa）。

2）耐磨性試驗(yàn)

采用失重法計(jì)算相對(duì)磨損量作為磨損試樣耐磨性能指標(biāo)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，鍍層在納米Al2O3含量50-60 g/l，潤(rùn)滑良好的情況下，摩擦性能極好。

3）硬度試驗(yàn)

常溫下納米鐵基復(fù)合鍍層的硬度為HV1000左右，起鍍層硬度低于正常鍍層硬度。

4 結(jié)論

基于n-Al2O3/Fe/SiC納米復(fù)合鍍技術(shù)有結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性好、硬度高、無(wú)污染、一次鍍厚能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。從曲軸的修復(fù)試驗(yàn)中得出的修復(fù)工藝可以實(shí)現(xiàn)船舶空壓機(jī)曲軸的修復(fù)，修復(fù)工藝科學(xué)合理。從對(duì)鍍層的物理機(jī)械性能試驗(yàn)介紹看，鍍層具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，能滿足船舶機(jī)械修復(fù)的需要。

:

[1] 劉小兵，王徐承.復(fù)合電沉積的最新研究動(dòng)態(tài)[J]. 電化學(xué)，2003,（2）：17-125.

[2] 徐龍?zhí)茫鞛I士，周美玲. 電刷鍍鎳/鎳包納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層微動(dòng)磨損性能研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2005,（1）：24-27.

[3] 楊欽鵬，湯皎寧. NIi-Al2O3復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能研究[J]. 化學(xué)世界，2004,（7）：350-352.

Research on Repairing Ship Compressor Crankshaft with n-Al2O3/Fe/SiC Composite Plating Technology

Zhao Deyao, Li Jianfei, Zhang Bensheng, Han Kai
(Naval Submarine Academy, Qindao 266042, Shandong, China)

In allusion to current problems of repairing ship compressor crankshaft and other mechanical components, the paper presents on repairing crafts with nano-composite plating technology based on n-Al2O3/Fe/SiC, introduces range of applications, co-deposition mechanism of a new type of nano-composite plating, and repairing tests on the ship air compressor crankshaft and bond strength, wear resistance, hardness and other mechanical properties of lating layer… Test results show that the technologies of the nano-composite plating repairing can be applied to repair damaged mechanical parts.

nano-composite plating; repairing; crankshaft

U664

A

1003-4862（2014）03-0022-05

2013-09-15

趙德耀（1981-），男，學(xué)士，講師。研究方向：電子信息工程。