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。

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