n-Al2O3/Fe/SiC 复合镀技术修复船舶空压机曲轴方法研究

赵德耀，李践飞，张本生，韩凯

（海军潜艇学院，山东青岛 266042）

n-Al2O3/Fe/SiC 复合镀技术修复船舶空压机曲轴方法研究

赵德耀，李践飞，张本生，韩凯

（海军潜艇学院，山东青岛 266042）

针对目前船舶空压机曲轴等机械部件修复中存在的问题，对研制出的基于n-Al2O3/Fe/SiC纳米材料复合镀技术的修复工艺进行研究。介绍了新型纳米复合镀的应用范围、共沉积机理，对磨损的船舶空压机曲轴进行了修复试验，并对修复后的镀层进行了结合强度、耐磨性、硬度等物理机械性能试验，得出了试验结论。最后得出该纳米复合镀修复工艺能够应用于受损的机械部件。

纳米复合镀 修复 曲轴

0 引言

零件损伤和故障的表现形式是多种多样的，主要表现在磨损、摩擦副的擦伤、结构强度方面引起的损坏、穴蚀、烧蚀等。其中以磨损为主，多发生于表面，或者是先从表面开始[1]。因此提高零件表面的硬度和耐磨性，减少故障发生很重要；同时，在损伤和故障发生以后，研究如何修复磨损的零部件，恢复其原有的技术状态也非常重要[2]。

目前用于零件磨损后修复的主要表面技术有镀铬、热喷涂、电刷镀等。镀铬技术修复厚度受限且对环境和人体有影响；热喷涂技术结合强度不够高不能用于曲轴等对结合强度要求高的零件修复，喷涂过程中对零件进行加热易造成零件变形；电刷镀技术也受修复厚度和结合强度的影响，不能修复磨损大或者对结合强度要求高的零件[3]。

纳米粒子的出现，为传统电沉积复合镀技术带来了新的机遇。用纳米颗粒代替微米粒子，用电沉积法制备的纳米复合镀层显示出了更加优异的性能。

船舶空压机用于制造高压气，对于船舶生命力具有十分重要的作用。空压机曲轴是将电动机的回转运动转换为活塞直线往复运动的关键部件，在使用过程中与连杆持续摩擦造成的磨损可能产生运动副配合间隙超标，影响空压机正常运行和使用寿命。

本文在研究出基于n-Al2O3/Fe/SiC复合镀技术的基础上，对该技术修复磨损的船舶空压机曲轴方法进行了试验研究，还对实施修复后的镀层进行了物理机械性能试验，试验表明，该方法能有效提高修复受损部件，并且镀层的硬度、强度、耐磨性等性能优异。

1 铁基纳米复合镀及共沉积机理

基于n-Al2O3/Fe/SiC的纳米复合电镀液是单一液相的电镀液，镀液中的主要成分是氯化亚铁、盐酸、水和纳米Al2O3。在电解液中氯化亚铁、盐酸和水部分地离解为：FeCl2⇆ Fe2++ 2Cl¯、HCl⇆ H++ Cl¯、H2O⇆ H+＋OH¯。

镀层形成过程中的阴极反应为：

1) 铁离子放电还原并沉积在阴极表面：Fe2++ 2e → Fe;

2) 氢离子放电还原为氢原子，氢原子结合成氢气析出：2H++ 2e → H2↑;

镀层形成过程中的阳极反应为：

1) 4OH¯－4e→O2↑+2H2O;

2) Fe–2e → Fe2+，铁板失去电子成铁离子进入镀液中，补充电镀过程中铁离子的消耗。

共沉积过程分为三个阶段：

1) 镀液中的固体微粒主要靠搅拌镀液及微粒在镀液中的自然沉降，使微粒迁移到阴极表面，并停留一定时间。

2) 在静电场力作用下，固体微粒脱去水化膜，与阴极表面直接接触，形成化学吸附的强吸附。强吸附的微粒被金属铁离子还原时，机械地镶嵌进去。

3) 沉积到阴极表面上的固体微粒在继续电沉积的过程中，随着镀层的增厚，被整个埋入镀层中，固体微粒弥散分布在基体金属中，形成复合镀层。

2 曲轴修复试验

2.1 修前检查

曲轴修复前必须进行修前检查，修前检查包括：清洗、外观检查、镀前初磨。

2.1.1 清洗

拆掉传动齿轮，用金属清洗剂洗净曲轴表面油污，特别清洗油道内和轴颈表面，然后用清洁的棉纱擦干。

2.1.2 外观检查

1）用肉眼或借助10倍放大镜观察，或用铁锤敲击曲轴臂，听其声音等方法，初步检查各部位表面及圆角处，不能有明显裂纹及较大的缺陷。

2）用磁力探伤或超声波探伤进一步检查。探伤时对曲轴圆角、油道孔边缘及曲臂处做重点检查。轴颈表面不允许有环形裂纹和横向裂纹，圆角和曲臂处不允许有裂纹。用磁力探伤时，探伤后必须退磁，并擦净铁粉。

3）测量曲轴轴颈直径，轴颈长度、圆角半径。轴颈尺寸不允许超过报废尺寸。

4）检查曲轴回转半径，当回转半径超过标准尺寸±0.5 mm以上时，需要镀前校正。

5）检查曲轴中心线的直线度和各连杆轴颈中心线对主轴中心线的平行度。当直线度小于0.5 mm时，经初磨加工可消除弯曲，大于0.5 mm时，需进行校直。

6）曲轴的校直，可采用静压力校直、冷作校直和火焰校直。

2.1.3 镀前初磨

在曲轴磨床上进行磨削，其目的是消除曲轴本身的直线度偏差，轴颈中心线平行度偏差、回转半径偏差及轴颈的圆度、圆柱度。消除轴颈表面沟痕、氧化层和以往的修复层，使轴颈表面粗糙度达到 3.2°。

磨削时，要保持尽量小的磨削量，以减少镀层厚度。并考虑到纳米铁基复合镀修复曲轴的镀层厚度在较优（0.15～ 0.75 mm）的范围内。

2.2 曲轴修复工艺过程

2.2.1 镀前准备

1）用金属清洗剂对被镀曲轴进行除油，应严格按照选用的清洗剂使用说明进行，仔细清洗曲轴各部位，尤其是曲轴油孔通道，待干燥后，用砂布打磨轴颈表面，除去存放中轴颈表面产生的锈迹。

2）堵油道孔 。用橡胶塞或木塞堵油道孔，堵塞物要与轴颈表面相平。

3）绝缘、装挂。用塑料粘胶带把不镀部位，包扎粘住，每条胶带的接缝处要搭接严密，以防漏电而影响电镀质量。绝缘包扎好的曲轴如图1所示。

除去极杠、挂钩及挂具各部位的氧化皮，把曲轴和挂具装挂好，装挂时要保证连接牢靠、导电良好。

4）配置阳极板。

5）检查并调整镀液规范如表1。

6）计算电流强度和确定电镀时间。

各电镀过程的电流密度及电镀时间，见表2。S：被镀面积;I：电流强度;D活：对称交流活化电流密度;D正：正半波电流密度;D负：负半波电流密度;D直：直流镀电流密度;计算电流强度：I=D×S(A)。

7）除油膜

8）除氧化膜

用浓度为15%-20%的盐酸溶液刷洗轴颈表面，不得有遗漏处，酸洗后用清水冲洗，动作应迅速，冲洗要彻底，冲洗后镀件挂入镀槽，如图2。

2.2.2 施镀

1）对称交流活化

曲轴被镀轴颈直径为Ø49.54 面积S=1.9d m2，按I活=D活×S=6×1.9=11.4 A，迅速准确地将正负半波电流调节到11.4 A。活化时间11 min。

2）不对称交流起镀

在对称交流活化后，进行不对称交流起镀，只升正半波电流，使电压为0.5～1 V，电镀时间为10 min。

3）交流过渡镀

在不对称交流起镀的正、负半波电流基础上，先用5min钟时间均匀地把正半波电流升至I正=1/2D直×S=10×1.9=19 A，再用10分钟时间均匀地把负半波电流降至I负=1/20D直×S=1×1.9=1.9 A。

4）半直流镀

在交流过渡镀后，把正半波电流调小，立即转为直流，再迅速调整电流值为I直=1/2D直×S=10×1.9=19 A，时间为15 min。

5）直流过渡镀

用15 min均匀地把电流I直=1/2D直×S=19升至I直=D直×S=20×1.9=38。

6）全直流镀I直=D直×S=20×1.9=38，电镀时间120 min。电镀过程中，间隔40 min刷洗一次阳极板，不停电，一块一块刷洗。

2.2.3 镀后处理

1）曲轴出槽后用水冲洗

2）拆挂：拆除挂具、除去各部位的绝缘物，见图3。

3）中和处理。在20%的碳酸钠水溶液中浸泡20-30 min，然后取出用清水冲洗。

2.2.4 镀后曲轴的机械加工

1）磨削加工

曲轴修复后，需要磨削。磨削修复后的曲轴使用60#绿色碳化硅砂轮，按照轴颈圆角半径的尺寸要求修正砂轮边缘圆角。磨削工艺参数见表3。磨削时砂轮进给要平稳，当粗磨到磨削余量剩0.1 mm时，进行精磨，磨后轴颈表面粗糙度不超过0.8°。磨削过程中，由于镀层硬度较高，因此砂轮很易磨钝，当磨削的镀层表面有波纹、黑线、部分烧伤等不正常现象时，要及时用金刚石修正砂轮，以恢复砂轮正常的切削能力。

2）钻油道孔

磨削后的曲轴要先将油孔中的堵塞物取出，然后在钻床上将油道孔边缘钻成30°～50°的倒角，去掉毛刺。

3）最后清理

用4.9～9.8 Pa的风吹或用棉纱通擦油道，彻底清除油道内的铁屑和赃物，并擦净轴颈表面。修复后曲轴和修复前效果见图4。

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3 镀层物理机械性能试验

1）结合强度试验镀层的结合强度试验在YDD-1型多功能材料力学试验机上进行。所测试件中，大部分试件的镀层的结合强度在160～200 Mpa，远大于电刷镀、喷涂等修复层的结合强度（70～80 Mpa）。

2）耐磨性试验

采用失重法计算相对磨损量作为磨损试样耐磨性能指标。

试验结果表明，镀层在纳米Al2O3含量50-60 g/l，润滑良好的情况下，摩擦性能极好。

3）硬度试验

常温下纳米铁基复合镀层的硬度为HV1000左右，起镀层硬度低于正常镀层硬度。

4 结论

基于n-Al2O3/Fe/SiC纳米复合镀技术有结合强度高、耐磨性好、硬度高、无污染、一次镀厚能力强等优点。从曲轴的修复试验中得出的修复工艺可以实现船舶空压机曲轴的修复，修复工艺科学合理。从对镀层的物理机械性能试验介绍看，镀层具有优异的物理机械性能，能满足船舶机械修复的需要。

:

[1] 刘小兵，王徐承.复合电沉积的最新研究动态[J]. 电化学，2003,（2）：17-125.

[2] 徐龙堂，徐滨士，周美玲. 电刷镀镍/镍包纳米Al2O3颗粒复合镀层微动磨损性能研究[J]. 摩擦学学报，2005,（1）：24-27.

[3] 杨钦鹏，汤皎宁. NIi-Al2O3复合镀层的摩擦学性能研究[J]. 化学世界，2004,（7）：350-352.

Research on Repairing Ship Compressor Crankshaft with n-Al2O3/Fe/SiC Composite Plating Technology

Zhao Deyao, Li Jianfei, Zhang Bensheng, Han Kai
(Naval Submarine Academy, Qindao 266042, Shandong, China)

In allusion to current problems of repairing ship compressor crankshaft and other mechanical components, the paper presents on repairing crafts with nano-composite plating technology based on n-Al2O3/Fe/SiC, introduces range of applications, co-deposition mechanism of a new type of nano-composite plating, and repairing tests on the ship air compressor crankshaft and bond strength, wear resistance, hardness and other mechanical properties of lating layer… Test results show that the technologies of the nano-composite plating repairing can be applied to repair damaged mechanical parts.

nano-composite plating; repairing; crankshaft

U664

A

1003-4862（2014）03-0022-05

2013-09-15

赵德耀（1981-），男，学士，讲师。研究方向：电子信息工程。