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柴油機(jī)曲軸再制造鍍前處理工藝研究

2015-01-29 02:15:02錢海峰雷衛(wèi)寧唐從順劉維橋
電鍍與環(huán)保 2015年5期
關(guān)鍵詞:曲軸鍍層活化

錢海峰, 雷衛(wèi)寧, 唐從順, 劉維橋, 談 衡

(1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 常州213001;2.江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 常州213001)

0 前言

曲軸是柴油機(jī)最重要的零部件之一。由于長期在高速運(yùn)轉(zhuǎn)、交變負(fù)荷和高密度負(fù)載的條件下工作,曲軸表面易損傷,因而對其性能要求很高。曲軸制造工藝復(fù)雜、周期長、價(jià)格昂貴,其制造成本約占一臺(tái)柴油機(jī)的10%~20%[1]。對曲軸進(jìn)行再制造,提高廢品的利用率并降低成本,對促進(jìn)資源循環(huán)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。電刷鍍技術(shù)是曲軸再制造的常見方法之一,鍍前處理是其重要環(huán)節(jié)[2-4]。與鋼質(zhì)曲軸不同,失效的球墨鑄鐵曲軸表面含有大量石墨或孔洞,鍍前處理過程復(fù)雜,要求很高。處置不當(dāng)會(huì)造成鍍層與基體結(jié)合力不高,甚至出現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響再制造質(zhì)量。目前這方面的工藝研究還不充分。本文以QT700-2材質(zhì)的某型柴油機(jī)曲軸再制造為對象,對其電刷鍍前處理工藝進(jìn)行研究,探索簡潔、高效的鍍前處理新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的表面預(yù)處理主要包括除銹、清洗、修整、除油四個(gè)步驟[5-6]。球墨鑄鐵經(jīng)傳統(tǒng)的表面預(yù)處理法處理后,依然存在著細(xì)微的雜粒和油層,而且加工條紋明顯,晶體組織不锃亮,嚴(yán)重影響鍍層的效果,如圖1所示。

本課題組在傳統(tǒng)的表面預(yù)處理技術(shù)上,增加了電凈和活化兩個(gè)步驟。電凈用于去除基體表面的微觀油污,活化則用于去除基體表面的膜層和碳元素微粒。

圖1 球墨鑄鐵經(jīng)傳統(tǒng)表面預(yù)處理法處理后的表面形貌

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

電凈是以電化學(xué)原理為基礎(chǔ),將試件與堿性電凈液分接兩極,并用電凈液擦拭工件表面的過程[7]。不同材質(zhì)的基體,電凈液的配方和配制方法不同。本實(shí)驗(yàn)采用的是陰極電凈,工件表面與陰極相接,發(fā)生還原反應(yīng),并伴有氫氣析出,其反應(yīng)式為:

活化的原理是通過電化學(xué)作用活化表層金屬,并除去微觀層次的膜層和雜質(zhì),使鍍層能夠更容易與基體結(jié)合?;罨瘯r(shí)電壓反接,活化分初次活化和二次活化。初次活化是為了去除基體表面的氧化層,采用酸性活化液,工件表面發(fā)生氧化反應(yīng)和部分溶解反應(yīng);二次活化是為了去除基體表面的炭黑層,采用有機(jī)活化液。

初次活化反應(yīng)式:

二次活化反應(yīng)式:

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與工藝流程

1.2.1 預(yù)處理液預(yù)處理液包含電凈液和活化液。本課題組對其進(jìn)行了部分改進(jìn),具體配方見表1。

1.2.2 試件與儀器

本實(shí)驗(yàn)采用QT700-2材質(zhì)的球墨鑄鐵,其尺寸為20mm×20mm×2mm。

實(shí)驗(yàn)儀器:DSD-200-S 型刷鍍電源,金相顯微鏡,S-3400型掃描電鏡,HXD-1000TMS/LCD 型數(shù)字式顯微硬度計(jì),UMT-2型球盤式磨損試驗(yàn)機(jī)。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

工作電壓、鍍筆相對速度和處理時(shí)間等因素均影響預(yù)處理質(zhì)量。電凈電壓不宜過高,本實(shí)驗(yàn)采用12V 和14 V 的電壓。考慮到電凈效率和散熱狀況,鍍筆相對速度為6m/min,避免速度過快,電流不穩(wěn)定。電凈時(shí)間為60s。

表1 預(yù)處理液配方

初次活化時(shí),根據(jù)電壓和時(shí)間分別進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn):電壓分別為6V、10V、14V,每組實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為5s、10s、15s、20s、30s、60s。

二次活化時(shí)同樣做三組實(shí)驗(yàn):電壓分別為14V、16V、18 V,每組實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為20s、40s、60s、80s、100s、120s。活化時(shí)鍍筆相對速度為6m/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 電凈后的表面形貌

電凈后球墨鑄鐵的表面形貌,如圖2所示。與圖1相比,電凈后的表面更加锃亮、潔凈,金相組織清晰。但電凈只是去除微觀表面的油污,并沒有改變表面的金相組織。

圖2 電凈后球墨鑄鐵的表面形貌

2.2 初次活化后的表面形貌

選擇6V 電壓時(shí),隨著活化時(shí)間的延長,表面膜層逐漸消失,同時(shí)表面的機(jī)加工條紋被腐蝕,金屬晶體組織發(fā)黑。選擇10V 電壓時(shí),隨著活化過程的進(jìn)行,表面膜層也逐漸消失,但活化20s后金相組織就已經(jīng)發(fā)黑,變化也漸漸停止。選擇14V 電壓時(shí),在15~20s之間鑄鐵表面變化最明顯,20s后表面明顯變黑,并有重新鈍化的跡象,同時(shí)鑄鐵件升溫明顯,容易造成表面氧化,形成循環(huán),不易控制。

電壓不變時(shí),隨著活化時(shí)間的延長,活化效果明顯,但活化至一定時(shí)間后,變化不再顯著;有效活化時(shí)間隨電壓的升高而縮短;在相同的活化時(shí)間內(nèi),活化效果隨電壓的升高而變得明顯。這是因?yàn)樯唠妷?,鑄鐵表面的電化學(xué)溶解速度加快,氣泡增多,剝離作用明顯,但電壓過高,也會(huì)導(dǎo)致散熱慢,降低活化效率。

圖3為三組電壓下活化20s時(shí)的表面形貌。通過分析初次活化的表面形貌并考慮后續(xù)的活化處理,得出酸性活化液的最佳活化工藝為:電壓10V,時(shí)間20s。此時(shí)基體表面的膜層及機(jī)加工條紋基本被腐蝕掉,滲碳體和球狀石墨暴露在表面,導(dǎo)致表面不平整,嚴(yán)重影響鍍層質(zhì)量,需要二次活化來除炭黑。

圖3 三組電壓下活化20s時(shí)的表面形貌

2.3 二次活化后的表面形貌

選擇14V 電壓時(shí),隨著活化時(shí)間的延長,表面的炭黑層逐漸消失,但變化并不明顯。選擇16V 電壓時(shí),隨著活化過程的進(jìn)行,表面的炭黑層逐漸消失,锃亮明顯;若活化時(shí)間繼續(xù)延長,黑色痕跡仍一直存在。選擇18V 電壓時(shí),隨著活化時(shí)間的延長,表面的炭黑層逐漸消失,锃亮明顯;當(dāng)活化時(shí)間達(dá)到80s時(shí),表面的炭黑層基本消失,且明顯好于14V和16V 時(shí)的;但隨著活化時(shí)間繼續(xù)延長,黑色重新顯現(xiàn)。這是因?yàn)榛w因電壓升高及熱量過高而引起表面輕度腐蝕,同時(shí)伴有活化液晶體析出。

經(jīng)過金相觀察和分析,球墨鑄鐵經(jīng)有機(jī)活化液二次活化后,疏松的球狀石墨在高電壓下被氧化成CO2,并以氣體形式脫離基體,使金屬晶體組織顯露出來。宏觀上看,表面潔凈,呈銀灰色,黑色消除。圖4為三組電壓下活化80s時(shí)的表面形貌。每組實(shí)驗(yàn)在活化80s時(shí)效果最明顯,且電壓越高,活化效果越好。于是得到二次活化的最佳工藝條件為:電壓18V,時(shí)間80s。

圖4 三組電壓下活化80s時(shí)的表面形貌

3 改進(jìn)預(yù)處理后刷鍍層的性能

經(jīng)過改進(jìn)后的表面預(yù)處理工藝,嚴(yán)格按照電刷鍍的工藝規(guī)范,并創(chuàng)造良好的刷鍍環(huán)境,在鑄鐵件表面制備鎳-鎢合金鍍層。圖5為不同表面預(yù)處理工藝對鎳-鎢合金鍍層表面形貌的影響。由圖5可知:經(jīng)過預(yù)處理的鍍層外觀良好,表面平整光滑;而缺少預(yù)處理的鍍層則易出現(xiàn)開裂、起皮等不良現(xiàn)象。

圖5 不同表面預(yù)處理工藝對鎳-鎢合金鍍層表面形貌的影響

3.1 硬度

在一定的電壓下,刷鍍時(shí)間越長,鎳-鎢合金鍍層越厚,硬度也越大。本課題組采用8 V、10 V、12V電壓,鍍層厚度為50μm、100μm、150μm 的樣品進(jìn)行正交試驗(yàn),并對每個(gè)試樣取三組硬度數(shù)據(jù),取平均值。統(tǒng)計(jì)分析得出:8V 電壓下,50μm 厚的鍍層的硬度為3 873 MPa;12V 電壓下,150μm 厚的鍍層的硬度達(dá)到6 104 MPa。而普通球墨鑄鐵的硬度一般在1 400~2 500 MPa之間,所以經(jīng)過預(yù)處理后制備的鎳-鎢合金鍍層在硬度上可滿足再制造曲軸的要求。

3.2 耐磨性

合金鍍層對曲軸表面起到保護(hù)和強(qiáng)化作用,耐磨性是其中一個(gè)重要指標(biāo)。采用UMT-2型球盤式磨損試驗(yàn)機(jī)對上述正交試驗(yàn)樣品和基體樣品進(jìn)行磨損試驗(yàn),并對表面凹痕SEM 成像,結(jié)果如圖6 所示。由圖6可知:普通球墨鑄鐵表面的凹痕較深且粗糙,而鎳-鎢合金鍍層表面的凹痕較淺,證明鎳-鎢合金鍍層與基體具有很強(qiáng)的附著力,可以有效地提高球墨鑄鐵的耐磨性。同時(shí)拉伸性能也得到了很大的提高,滿足再制造曲軸的要求。

圖6 球墨鑄鐵試樣表面凹痕的SEM圖像

4 結(jié)語

(1)適當(dāng)?shù)碾妰綦妷嚎梢杂行コ蚰T鐵表面的油污,一般控制在10~15V,電凈時(shí)間為60s。

(2)采用改進(jìn)后的酸性活化液進(jìn)行初次活化,其酸性降低,但仍能保持良好的電導(dǎo)率和活化能力。適當(dāng)增加活化電壓和時(shí)間,能明顯提高活化效果,但如果時(shí)間過長、電壓過大,會(huì)對基體表面產(chǎn)生一定的腐蝕。初次活化的最佳工藝參數(shù)為:電壓10V,活化時(shí)間20s。

(3)二次活化采用有機(jī)活化液去除表層的碳元素。提高電壓,能加快活化速度;電壓不變的情況下,活化時(shí)間過長也會(huì)輕度腐蝕基體。最佳的活化參數(shù)為:電壓18V,活化時(shí)間80s。

(4)改進(jìn)表面預(yù)處理工藝后,鎳-鎢合金鍍層的性能明顯提升,可滿足再制造曲軸的要求。

[1]王麗梅.淺談我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(6):130-131.

[2]徐濱士.再制造工程基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005:232-252.

[3]徐濱士.再制造工程與自動(dòng)化表面工程技術(shù)[J].金屬熱處理,2008,33(1):9-14.

[4]柳泉,劉奎仁,韓慶,等.AZ31鎂合金離子液體鍍鋁前處理[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2011,21(9):2111-2116.

[5]步華,杭東良.鋅合金壓鑄件的鍍前處理[J].材料保護(hù),2004,37(1):55-56.

[6]包春江,王瑞麗.電刷鍍表面預(yù)處理工藝研究[J].表面技術(shù),2010,39(3):78-81.

[7]朱荻.電化學(xué)原理[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:286-295.

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