孫 凱, 楊 森, 安 寧

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,遼寧阜新123000,2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧興城125100,3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系,四川德陽 618000）

低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

孫 凱1, 楊 森2, 安 寧3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,遼寧阜新123000,2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧興城125100,3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系,四川德陽 618000）

低溫鍍鐵技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新興電鍍技術(shù),在工程上取得了越來越廣泛的應(yīng)用。介紹了低溫鍍鐵技術(shù)的特點(diǎn),簡要回顧了低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程和國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀,并結(jié)合其研究現(xiàn)狀討論了該技術(shù)的發(fā)展前景。

低溫鍍鐵;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展前景

0 前言

低溫鍍鐵是指用不對稱交流-直流電在較低溫度(4℃即可開始鍍）下進(jìn)行的鍍鐵工藝。其原理是通過一定手段,使交流電兩個(gè)半波不相等,通電后較大的半波使工件呈陰極極性,鍍上一層鍍層;另一個(gè)較小的半波使工件呈陽極極性,將部分鍍層電解掉,這樣逐漸增厚鍍層。低溫鍍鐵設(shè)備簡單,所得鍍層均勻,表面較平滑,結(jié)合強(qiáng)度高。

1 低溫鍍鐵的特點(diǎn)

(1）低溫鍍鐵層硬度高,通過工藝控制可調(diào)整硬度范圍,洛氏硬度最高可達(dá)63～65。

(2）鍍鐵層與基體合成一體,鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高。顯微觀察鍍鐵層的鐵素體與基體鐵素體呈連續(xù)分布。

(3）鍍層表面有微裂紋,呈網(wǎng)狀。有較好的儲(chǔ)油性能和良好的耐磨性能。

(4）低溫鍍鐵沉積速率快,約0.6～1.0 mm/h,鍍層厚度一次可達(dá)2 mm。加之鍍鐵成本低,無毒,故可廣泛應(yīng)用。

2 低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展

國外最早于1846年就開始有關(guān)于鍍鐵的研究報(bào)道,最初應(yīng)用于印刷鉛板表面鍍鐵[2]。在印刷工業(yè)中所用鉛版、銅版上鍍一層很薄的鐵,可提高其耐磨性,延長其使用壽命,同時(shí)能防止某些印刷顏料的作用。當(dāng)時(shí)采用的為硫酸鹽鍍鐵法,這種鍍鐵液沉積速率很慢,應(yīng)用面窄。到了1908年,有學(xué)者開始對氯化物鍍鐵工藝進(jìn)行了研究,結(jié)果在室溫下得到的鍍層硬而脆、內(nèi)應(yīng)力高、結(jié)合力差且易脫落,因此只適用于高溫電鍍。此鍍液體系后經(jīng)改進(jìn),形成了高溫氯化物直流鍍鐵工藝,并在磨損件修復(fù)中得到了廣泛的應(yīng)用;但高溫鍍鐵需要復(fù)雜的加熱和保溫設(shè)備,鍍液揮發(fā)性較大,而且由于是酸性溶液,對環(huán)境污染很嚴(yán)重,并且鍍層硬度和耐磨性能較差[1]。至上世紀(jì)60年代末,由于電子技術(shù)的發(fā)展,一些國家在鍍鐵技術(shù)中采用了不對稱電鍍電源[2],使氯化物鍍鐵技術(shù)得到了發(fā)展,鍍層的硬度及耐磨性能也有了較明顯的提高。近幾年來,大部分國家已把鍍鐵的研究轉(zhuǎn)到了非晶態(tài)鍍層、耐蝕性鍍層和磁性鍍層等方面。

我國是在上世紀(jì)60年代從蘇聯(lián)引進(jìn)了直流鍍鐵技術(shù),用于修復(fù)因磨損等造成尺寸超差的機(jī)械零件[3]。當(dāng)時(shí)由于鍍液溫度一般都在80℃以上,鍍液成分難以控制,在鍍前的陽極刻蝕及電鍍過程中產(chǎn)生的酸霧對人員及環(huán)境均產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響,而且鍍層硬度低(布氏硬度為200～400）,耐磨性能差,使用范圍受到很大限制。1975年,國內(nèi)首次出現(xiàn)了一種不對稱交流-直流鍍鐵工藝,同時(shí)為了使鍍層與基體結(jié)合牢固,鍍前采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸進(jìn)行陽極刻蝕活化,因施鍍溫度僅為25～50℃,故稱為低溫鍍鐵工藝[4]。此工藝設(shè)備簡單,符合我國國情,其鍍層的洛氏硬度可達(dá)50,具有良好的耐磨性,沉積速率可達(dá)0.15～0.30 mm/h,電流效率達(dá)90%以上,一次鍍厚能力達(dá)2.0～3.5 mm,且可連續(xù)鍍覆;鍍液原材料價(jià)廉易購、成本低,引起了廣泛的注意,并對鍍液及鍍層性能進(jìn)行了研究,在國內(nèi)很快得到了發(fā)展和應(yīng)用。由于在用硫酸進(jìn)行陽極刻蝕活化時(shí),處理液容易對操作人員及環(huán)境造成危害,不久就出現(xiàn)了經(jīng)鹽酸腐蝕后直接用直流電小電流起鍍的鍍鐵工藝和鍍槽內(nèi)對稱交流電活化+不對稱交流電起鍍的無硫酸陽極刻蝕鍍鐵工藝。但是由于一些關(guān)鍵的技術(shù)問題,特別是工藝的穩(wěn)定性差、鍍鐵層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高等一直沒能很好解決,致使鍍鐵工件質(zhì)量下降。所以在上世紀(jì)70年代末期,鍍鐵工藝一度出現(xiàn)低潮,許多廠家被迫停產(chǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)。

進(jìn)入上世紀(jì)80代后,董文勝等[5-6]研究出一種無陽極刻蝕的鍍鐵工藝,并成功地應(yīng)用于機(jī)械零件(如曲軸、軸類）以及平面類零件的修復(fù),鍍層與基體結(jié)合牢固,采用拔銷法測定鍍鐵層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)360 MPa。在各種鐵基材料(包括碳素鋼、鑄鐵、鑄鋼、合金鋼）上施鍍,均能取得穩(wěn)定、可靠的鍍層。由于取消了鍍前的陽極刻蝕工序,不僅極大減輕了對環(huán)境的污染,同時(shí)還降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,成品率達(dá)到99%以上,這標(biāo)志著國內(nèi)的鍍鐵技術(shù)已發(fā)展到穩(wěn)定、可靠的實(shí)用階段。

3 低溫鍍鐵的研究現(xiàn)狀

近幾年來,隨著社會(huì)需要日益增加,加之隨著對鍍鐵理論研究的深入,低溫鍍鐵技術(shù)也不斷發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。國內(nèi)早期的鍍鐵修復(fù)多集中在農(nóng)業(yè)機(jī)械及汽車等運(yùn)輸工具上使用的曲軸及其他軸類零部件,目前已進(jìn)入到了修復(fù)船舶、內(nèi)燃機(jī)車、油田、礦山、冶金機(jī)械上的柴油機(jī)曲軸、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、缸套、十字頭等大型零部件的階段。

目前國內(nèi)低溫鍍鐵技術(shù)一個(gè)主要的研究方向是強(qiáng)化鍍層,提高其熱穩(wěn)定性。其中宋修福[7]通過向鍍液中加入蛇紋石納米微粒的方法,獲得優(yōu)越的復(fù)合鍍層,鍍層的顯微硬度達(dá)到了6 000 MPa左右。而楊森,劉憶等[8-11]通過向鍍液中添加稀土鈰的方法,獲得了顯微硬度達(dá)到8 340 MPa的復(fù)合鍍層,并且詳細(xì)研究了p H值、電流密度、溫度以及鍍液中鐵的質(zhì)量濃度對低溫鍍鐵工藝和性能的影響。

宋邦才等[12]研究了刷鍍鐵工藝,在優(yōu)化的鍍液配方及工藝條件下,可獲得良好的鍍鐵層。采用鐵屑和三氯化鐵配制鍍液,成本低、配制速率快、所得鍍層硬度高、結(jié)合力好。黃小婷等[13]開發(fā)了一種刷鍍鐵液的配方,經(jīng)優(yōu)化后的鍍液中獲得的鍍層的最大厚度達(dá)1 mm,洛氏硬度在40～50之間,結(jié)合力、抗氧化性良好。張浩等[14]研究了周期反向脈沖電鍍對鍍鐵層性能的影響。結(jié)果表明:在相同的電流密度下,周期反向脈沖鍍鐵層可深入銅圈1.6 cm,鍍層強(qiáng)度達(dá)38 kN,硬度高,韌性好,延伸率達(dá)3%;電流效率高,沉積效率達(dá)86%,深鍍能力強(qiáng)。

4 低溫鍍鐵的發(fā)展前景

目前鍍鐵技術(shù)仍有很大的潛在市場。一般情況下,大多數(shù)需要鍍覆的部位往往都是零部件的外表面;但像車、船用汽缸套、曲軸等零部件,其內(nèi)表面往往受到較嚴(yán)重的磨損,且數(shù)量巨大。國內(nèi)用鍍鐵方法修復(fù)重要零部件的企業(yè)已具相當(dāng)規(guī)模。

可以預(yù)見,進(jìn)一步提高鍍鐵層的耐蝕、耐熱、耐磨等性能是低溫鍍鐵技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。在鍍液中添加適量的合金元素是有效途徑之一。另外無刻蝕低溫鍍鐵技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn),因此無論是在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用方面都有很大的發(fā)展空間。只要解決相關(guān)的技術(shù)問題,鍍鐵技術(shù)將會(huì)有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。

[1] 付平.無刻蝕鍍鐵及復(fù)合鍍的工藝研究[D].青島:青島科技大學(xué),2005.

[2] 李慶倫,于曉中,汪紅,等.低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展[J].電鍍與涂飾,1998,17(12）:41-43.

[3] 扈心坦.鍍鐵技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展[J].電鍍與環(huán)保,1995,15(5）:8-13.

[4] 田華.電鍍鐵及Fe-SiC復(fù)合電鍍工藝的研究[D].青島:青島科技大學(xué),2006.

[5] 溫仕浩,董文勝,朱寶騏.柴油機(jī)曲軸的復(fù)合修理技術(shù)[J].大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào),1994,20(4）:111-112.

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[9] 殷錦捷,楊森.鐵含量對低溫鍍鐵工藝及性能的影響[J].電鍍與環(huán)保,2008,28(1）:14-15.

[10] 楊森,殷錦捷,劉憶,等.溫度對低溫鍍鐵工藝及性能的影響[J].電鍍與環(huán)保,2008,28(2）:24-25.

[11] 楊森.p H值對低溫鍍鐵層性能的影響[J].電鍍與環(huán)保,2010,30(1）:6-7.

[12] 宋邦才,趙文軫.刷鍍鐵工藝研究與應(yīng)用[J].材料保護(hù),2004,37(12）:31-32.

[13] 黃小婷,楊莉,蔡剛毅,等.厚型電刷鍍鐵液配方的開發(fā)[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,10(4）:70-73.

[14] 張浩,蔣林華,陳施英,等.周期反向脈沖對鍍鐵性能的影響[J].材料保護(hù),2006,39(2）:7-10.

Development and Applications of Low-Temperature Iron Plating Technology

SUN K ai1, YANGSeng2, AN Ning3
(1.Experiment Practice Training Center,Liaoning Engineering and Technical University,Fuxin 123000,China;2.Mining Technology College,Liaoning Engineering and Technical University,Xingcheng 125100,China;3.Detp.of Engineering,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China）

Low-temperature iron plating is a new developing technology beginning from the 1980s at home,which has gained more and more popularity in engineering applications. The features of low-temperature iron plating is described,its development process and present domestic and foreign applications are reviewed briefly,and its developing prospect is also discussed based on its research status.

low-temperature iron plating;application status;development prospect

TQ 153

A

1000-4742(2011）05-0001-03

2010-12-06