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纳米碳化硅化学沉积技术在汽车零部件表面上的应用

纳米碳化硅化学沉积技术在汽车零部件表面上的应用

要:纳米碳化硅与金属合金在汽车零部件表面进行化学沉积,实现对其表面的改性,达到耐磨、延长疲劳寿命、提高承受冲击载荷性能和防腐蚀性能的目的。

关键词:纳米碳化硅、汽车零部件、化学沉积、表面承受载荷能力、延长疲劳寿命、低成本、防腐性。

一、 引 言

 磨损、腐蚀是金属材料损耗的重要原因,全世界每年有近四分之一的材料损耗在磨损和腐蚀之中。因此,如何提高金属材料的耐磨、减磨及抗腐蚀性能,一直以来是材料科学界所关注的一个重要研究课题。

    汽车零部件绝大部分采用钢铁材料,其特点是加工性好、可塑性好,强度高,成本相对较低;但是,耐磨损性、耐腐蚀性总是不尽人意。虽然现有工艺可以解决部分缺陷,如热处理、化学热处理、镀覆表面处理等,仍无法满足高耐磨、耐腐的高要求,从而制约了产品性能的提高和使用寿命的延长,也造成了资源的浪费。

二、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上沉积技术的应用范围

2.1 提高零部件表面的耐磨性:

      由于纳米SiC陶瓷颗粒均匀地弥散分布在镀层合金的晶胞中,形成了金属合金陶瓷镀层,因此镀层中就有无数个硬点,使得镀层的耐磨性显著提高。

2.2 零部件表面沉积镀层后摩擦系数的变化:

 由于纳米SiC陶瓷颗粒在合金晶胞中的弥散分布,使得晶胞表面的粗糙度增大,因此镀层的摩擦系数显著提高。一对摩擦副双摩擦面都沉积SiC,摩擦系数可增大100-150%,这种应用比较少;双摩擦面只沉积单面,摩擦系数可增大10-20%,这种应用比较多,例如:汽车变速器同步器齿环。如果需要降低摩擦系数,可将纳米SiC改变为纳米石墨,双面沉积摩擦系数可降低25-35%,单面沉积摩擦系数可降低10-15%。如果镀层要求既要耐磨又要低摩擦系数,可以沉积纳米SiC和纳米石墨的复合材料。

2.3 提高零部件表面的高温耐磨性和承受载荷能力:

   复合沉积镀层中纳米不溶性固体颗粒多为陶瓷材料,陶瓷具有优异的耐高温性能,因此当零件表面温度升高时,纳米陶瓷相能保持优良的高温稳定性,对沉积层整体起到支撑作用,有效地提高了零件的高温耐磨性和承受载荷能力。

2.4 提高零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命:

   由于纳米复合沉积镀层中有无数个纳米不溶性固体颗粒,当镀层疲劳时,晶体将滑移变形,这些陶瓷颗粒相当于在晶体滑移线上的“限制桩”,有效地阻止了晶格的滑移,因此提高了零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命。

2.5 改善有色金属的使用性能:

 有色金属导电、导热、减磨、防腐性优异黑色金属,但是硬度、强度差,造成使用寿命短。在其表面根据不同的用途,沉积相应的纳米复合材料,即可提高硬度、强度和使用寿命。

三、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术

3.1 将直径30 ~ 50纳米的碳化硅粉末乳化分散为固含量34%的纳米SiC乳液,加入化学合金镀液中,温度在80~85℃,pH值为4.6 ~4.8,每60分钟可以在齿环零部件表面沉积10微米厚度的纳米硅与金属合金的复合沉积层。

3.2 沉积工艺流程:脱脂 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 敏化 → 水洗 → 退膜 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 去离子水洗 → 去离子水洗 → 化学沉积→ 去离子水洗 → 去离子水洗 →热去离子水洗→回火 

四、工艺流程说明

4.1 脱脂:脱脂剂为本公司生产的WX-1048高效快速脱脂粉;配比 1﹕20;温度60 ~70 ℃;时间 10 ~15分钟。

4.2 水洗:流动自来水漂洗。

4.3 活化: WX-938钢铁快速去油去锈活化剂;配比 1﹕1加水稀释;常温使用;时间 5 ~8分钟。

4.4 敏化: WX-1038G敏化剂;配比 1﹕1加水;温度30 ~35 ℃;时间 5 ~8分钟。

4.5 退膜: WX-1038E退膜剂;配比 1﹕2加水;温度85 ~95 ℃;时间 5 ~8分钟。

4.6 沉积镀液:

4.6.1 化学镀多元合金镀液;配比 A﹕B﹕水=1﹕1﹕7,C为补加液;水为去离子水。

4.6.2 纳米SiC乳液; WX-818-4,每升工作镀液加10.3克,用氨水或柠檬酸调PH值到4.6 ~4.8,温度80 ~85 ℃,每68分钟沉积厚度10微米。

4.6.3 工作镀液的控制:镀液的最佳工作状态在N1=8.2 ~9.6,N2=38 ~45,当N1﹤8.2时补加A液,补加量为Va=1.782%×(9.6-N1)×V;当N2﹤38时补加C液,补加量为Vc=0.208%×(45-N2)×V;V为工作液的总容积,N1、N2为实际测定值。

4.6.4 N1、N2值的测定方法:

4.6.5 将工作液搅拌均匀后,取5毫升置入300毫升锥形瓶中,滴入2mlHCL,再滴入30%的双氧水2ml摇匀,并煮至近干,加入100ml蒸馏水,再加入2ml三乙醇铵,再加入12ml氨水,再倒入少许紫尿酸铵,用0.05N EDTA二钠滴定至紫色为终点,此时所消耗0.05N EDTA二钠的毫升数即为N1的点数。

4.6.6 再取10毫升工作液置入100毫升容量瓶中,加纯水稀释至标准刻度摇匀,再吸取此液10毫升置于300毫升锥形瓶中,加入0.02mol硫酸高铁铵溶液40毫升、纯水50毫升、1mol盐酸10毫升,煮沸10分钟后再补加1mol盐酸10毫升,流水冷却,加亚铁灵2滴,用0.01mol硫酸铈标准溶液滴定至无色为终点。此时所消耗0.01mol硫酸铈标准液的毫升数即为N2的点数。

4.6.7 工作液中纳米SiC乳液浓度的控制:用手持式折射仪测试工作液,N=6 ~6.5,当N<6时,补加纳米碳化硅乳液,当N>6时,补加水份。

4.6.8 回火:目的是去镀层应力。

4.6.9 设备:井式气氛保护回火炉。

4.6.10 温度:150-160℃。

4.6.11 时间:15小时。

4.6.12 气氛保护:高纯氮气。

五、纳米碳化硅与多元合金镀层厚度、硬度与附着力测试

5.1 镀层厚度:将镀好的零件或试样,切割镶嵌抛光后,再用硝酸乙醇腐蚀,放在600倍金相测厚仪下测量,所得厚度如下表:

  由上述表可以看出,204分钟以后再延长施镀时间,沉积速度变慢。

5.2 镀层硬度:将厚度为20微米左右的试样,用100克的载荷直接打在镀层上,所得HV硬度值为524。

5.3 镀层附着力测试:用1000克载荷直接打在镀层与金属基体界相 上,观察镀层与基体不剥离为合格。

5.4 镀层厚度、硬度、附着力测试金相 。

 






       厚度:20.19um                   硬度:HV=524

                               









 用1000克载荷直接打在镀层上的结合相


六、纳米碳化硅与金属合金复合沉积晶胞组织结构

  在复合沉积的过程中,纳米碳化硅与金属合金共同形成晶胞,由晶胞构成镀层,晶胞内部组织结构在原子力显微镜下观察,纳米碳化硅与多元合金复合体如下图。

 

七、摩擦磨损对比实验

 7.1 试验标准:GBT12444.1-90 金属磨损试验方法:MM型磨损试验。

 7.2 实验试样:试样标准外经尺寸为40mm其余按GB12444.1-90标准4.3.1执行。材料为45号钢,热处理工艺为高频淬火,硬度(HRC)45度。

 7.3 试样分组:

 A组为标准试样,B组为标准试样表面再沉积一层10微米厚度的纳米碳化硅与合金的复合层。

 7.4 试验设备:

 济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMS-2A数字式摩擦磨损实验机。

7.5 摩擦方式:

 干摩擦(将试验的所有试样,泡在无水乙醇中30分钟后,取出晾干。)、滚动和滑动复合摩擦。1轴转速为200转/分钟,2轴转速为160转/分钟,均为主动轴。如图: 


7.6 摩擦系数、时间、试验力曲线

                                                               A组曲线图                                                                                                          B组曲线图

7.7 曲线分析:

7.7.1 摩擦系数:由于A组试验力超过300N时,试样表面已失效,因此试验力大于400N的曲线不做分析。

 由上述表格可以得出结论:B组比 A组摩擦系数增大92.25%-156.16%,平均增大118.36%。

7.7.2 表面疲劳寿命:由曲线图和记录数据可以看出:A组在1770秒失效;B组在3010秒失效。因此B组比A组表面疲劳寿命延长70%。

7.7.3 表面承受载荷能力:由曲线图和记录数据看出:A组在1770时表面承受载荷为295N;B组在3010秒时表面承受载荷为593N。因此B组比A组表面承受载荷能力增加101%。

八、应用实例

8.1 在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器同步器齿环上的应用

8.1.1.1 应用目的:增大摩擦系数、缩短同步时间、减小换档力、延长使用寿命。

8.1.1.2 沉积工艺:将材料为MB2的同步器齿环,按上述第二条(纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术)进行表面沉积。

8.1.1.3 施镀时间:120分钟。

8.1.1.4 镀层厚度:16-20um。

8.1.1.5 镀前镀后外观比较照片:


8.1.2.1 同步器换档性能寿命比较台架试验

8.1.2.2 试验设备:同步器换档性能与寿命试验机。

8.1.2.3 试验档位:一/二档。

8.1.2.4 试验分组:A组:未镀一/二档齿环;B组:喷鉬一/二档齿环;C组:Sic沉积一/二档齿组环;D组:Sic沉积一/二档齿环。

8.1.3.1 试验结果: 

8.1.3.2  A组

 

8.1.3.3 B组:

 

8.1.3.4 C组:由于内、外环及中间环均镀Sic,摩擦系数过大,使得同步器齿环抱死,试验中断。

8.1.3.5 D组:

 

8.1.3.6 曲线与数据分析对比:

8.1.3.7试验总结:

由此可见,沉积纳米SiC的同步器齿环,使用性能完全超越未处理的铜抷齿环和喷鉬齿环。

8.2 在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器差速器行星齿轮轴表面上的应用:

8.2.1行星齿轮轴:材料:16MnCr5;热处理工艺:渗碳淬火,渗碳层厚度0.6-1.0mm,硬度HV680。

8.2.2 沉积应用目的:提高承受载荷能力、耐磨性、防咬死。

8.2.3 沉积工艺:将行星齿轮轴,按上述第二条(纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术)进行表面沉积。

8.2.4 沉积时间:135分钟。

8.2.5 沉积厚度:20um

8.2.6 试验前后外观比较照片:










沉积后试验前照片













沉积后试验后照片


8.2.7 差速器性能与耐久试验:

8.2.7.1 试验设备:变速器总成综合试验台。

8.2.7.2 试验对象:某变速器行星齿轮轴。

8.2.7.3 试验方法:按雪地模式极限工况:挂入五档,锁死一端半轴,调整输入转速,使另一端半轴转速1000转,并加载荷50NM,运行40分钟后,要求无异常。

8.2.7.4 试验分组:A组表面进行磷酸锰处理;B组表面进行Sic沉积处理。

8.2.7.5 试验结果:A组试验中途断裂未通过,B组通过。

九、防腐性能测试

9.1 实验方法:中性盐雾试验

9.2实验标准:ASTM B-117

9.3试样样品:同步器齿环,行星齿轮轴。

9.4 试样分组:A组:表面未做任何处理;B组:表面沉积20um厚度的纳米SiC复合层。

9.5 实验布骤:将AB两组同时放入无水乙醇中30分钟,取出凉干后,进入盐雾试验箱,以出现锈斑时间(7级)为标准。

9.6 测试结果:

       B组的防腐性能提高207.85-271%                        

十、成本分析

以同步器环为例分析:

    

由此可见,按使用寿命平均价格计算:A组是D组的5倍;B组是D组的1.88倍;A组是B组的2.65倍。表面沉积SiC使用成本为最低。D组方案如果采用钢环为基体,零件购入价格可降低为7元,总价格降低为12.80元,其绝对价格也低于A组。

十一、结束语

运用纳米SiC与金属合金的化学沉积对同步器齿环、行星齿轮轴进行表面改性,完全可以降低换档力、同步时间,极大地提高了零部件的使用寿命、承受载荷性能和防腐蚀性能,并且降低了使用成本,本工艺已经在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器汽车变速器上得到应用。但还有更多的工作和试验要做,开拓更广扩的应用领域。

总之,提高国产汽车零部件的品质,是一项长期的工作,还需要我们大家的共同努力。

    




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