丁立紅， 雷衛(wèi)寧， 唐從順， 劉維橋， 談 衡

（1.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州213001；2.江蘇理工學院 化學與環(huán)境工程學院，江蘇 常州213001）

0 前言

曲軸是柴油機的重要零部件［1］。曲軸常在高速、交變服役條件下工作，磨損失效趨勢明顯。失效曲軸再制造，對提高廢品的利用率及促進資源循環(huán)利用具有重要的現(xiàn)實意義［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）對提升鍍層的力學性能有著獨特的優(yōu)勢，但對其電刷鍍工藝的研究開展得相對較少。本文在某柴油機球墨鑄鐵曲軸磨損表面電刷鍍鎳-鎢合金，并對其制備工藝及性能進行研究。

1 實驗

1.1 鎳-鎢合金的制備工藝

電刷鍍工藝過程一般包括預處理、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

本實驗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)，探索并改進操作設備和鍍液配方，最終確定最適合的工藝參數(shù)。工藝參數(shù)的選擇對耐磨性、硬度、抗拉強度等有重要的影響；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，陰陽極相對運動速率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，陰陽極相對運動速率10～15m／min。

1.2 性能檢測

采用UMT-2型球盤式磨損試驗機對鍍層的耐磨性進行檢測，選擇直徑8mm 的高鉻軸承鋼球，控制試驗溫度為室溫，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］。

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

拉伸試驗在FR-103C 型電腦式伺服型萬能材料拉伸試驗機上進行。拉伸試樣為非標準的平板試樣，如圖1所示。試樣的中間矩形進行刷鍍，其余空間全部用膠帶封閉，以防止電流磁場集中在邊緣，同時避免接觸到溶液。

圖1 拉伸試樣形狀

2 結(jié)果與討論

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

采用正交試驗方法，研究工藝參數(shù)對鍍層耐磨性（磨痕截面積）的影響。磨損試驗機作用下鎳-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，沉積時間40min，沉積速率3～4m／min時的表面凹痕的SEM圖像；圖2（b）是工作電壓14V，沉積時間20min，沉積速率6～8m／min時的表面凹痕的SEM圖像。正交試驗結(jié)果見表2。

圖2 鎳-鎢合金鍍層表面凹痕的SEM圖像

表2 試驗因素對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，會造成鍍液浪費。在沉積速率不變的情況下，控制刷鍍時間并改變工作電壓，鍍層表面的凹痕變化顯著。工作電壓過低，效率明顯降低，耗時耗材；工作電壓過高，會產(chǎn)生大量熱量，短時間內(nèi)不能散發(fā)出去，使鍍液溶質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶，從而嚴重影響鍍層質(zhì)量。各因素對鍍層磨痕截面積影響的主次順序為循環(huán)速率＞工作電壓＞刷鍍時間。在工作電壓14V，刷鍍時間20min，循環(huán)速率6～8m／min時，磨痕截面積小，材料的耐磨性提高。

2.2 電壓對鎳-鎢合金鍍層硬度的影響

根據(jù)刷鍍參數(shù)分別進行四個硬度檢測試驗：工作電壓分別為8V、10V、12V、14V，在每個工作電壓下均取鍍層厚度為50μm、100μm、150μm 的試樣進行檢測。然后分別在每個樣品上取三個點，在HXD-1000TMS／LCD 型數(shù)字式顯微硬度計下測出每個點的硬度。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。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。

2.3 鎳-鎢合金鍍層的抗拉強度

試驗中選擇鍍層厚度為100μm 的試樣，在FR-103C型電腦式伺服型萬能材料拉伸試驗機上得到的數(shù)據(jù)，如表3所示。其中，刷鍍前試樣編號為A，刷鍍后試樣編號為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，拉伸應力增大，抗拉強度顯著提升。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。拉伸應力的提升和抗拉強度的提高從另一方面說明鍍層與基體具有很強的附著力，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，并通過實驗對鎳-鎢合金鍍層的性能進行了分析。首先，通過正交試驗設計測試工作電壓、刷鍍時間、循環(huán)速率三個因素對鎳-鎢合金鍍層耐磨性影響的主次順序。在工作電壓14V，沉積時間20min，沉積速率6～8 m／min時，鎳-鎢合金鍍層的耐磨性遠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，利用硬度儀測得鎳-鎢合金鍍層的硬度。在工作電壓相同時，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，在鍍層厚度達到要求，電壓為14V 時，鍍層的硬度最高。最后，通過拉伸試驗得到刷鍍后的抗拉強度和鍍層的結(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。

［1］黃邦戈，陸宇衡，謝德錦.發(fā)動機曲軸再制造工藝研究［J］.機械制造技術(shù)，2011（5）：10-12.

［2］王守河，張東，張霖.等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）曲軸的開發(fā)［J］.汽車工藝與材料，2010（5）：3-8.

［3］張東，張春雨，李永真.圓角滾壓強化工藝在等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）曲軸上的應用［J］.汽車工藝與材料，2010（5）：10-13.

［4］朱勝，姚巨坤.電刷鍍再制造工藝技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2009（6）：1-3.

［5］王長生，袁峰.摩擦磨損試驗磨痕檢測新方法的研究［J］.制造業(yè)信息化，2009（12）：122-123.

［6］孟佳讌.金屬材料拉伸試樣制備［J］.中國船舶研究所，2007（4）：10-12.