柴油机曲轴再制造镀前处理工艺研究

钱海峰， 雷卫宁， 唐从顺， 刘维桥， 谈 衡

（1.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州213001；2.江苏理工学院 化学与环境工程学院，江苏 常州213001）

0 前言

曲轴是柴油机最重要的零部件之一。由于长期在高速运转、交变负荷和高密度负载的条件下工作，曲轴表面易损伤，因而对其性能要求很高。曲轴制造工艺复杂、周期长、价格昂贵，其制造成本约占一台柴油机的10%～20%［1］。对曲轴进行再制造，提高废品的利用率并降低成本，对促进资源循环利用具有重要的现实意义。电刷镀技术是曲轴再制造的常见方法之一，镀前处理是其重要环节［2-4］。与钢质曲轴不同，失效的球墨铸铁曲轴表面含有大量石墨或孔洞，镀前处理过程复杂，要求很高。处置不当会造成镀层与基体结合力不高，甚至出现开裂、脱落等现象，严重影响再制造质量。目前这方面的工艺研究还不充分。本文以QT700-2材质的某型柴油机曲轴再制造为对象，对其电刷镀前处理工艺进行研究，探索简洁、高效的镀前处理新工艺。

1 实验

传统的表面预处理主要包括除锈、清洗、修整、除油四个步骤［5-6］。球墨铸铁经传统的表面预处理法处理后，依然存在着细微的杂粒和油层，而且加工条纹明显，晶体组织不锃亮，严重影响镀层的效果，如图1所示。

本课题组在传统的表面预处理技术上，增加了电净和活化两个步骤。电净用于去除基体表面的微观油污，活化则用于去除基体表面的膜层和碳元素微粒。

图1 球墨铸铁经传统表面预处理法处理后的表面形貌

1.1 实验原理

电净是以电化学原理为基础，将试件与碱性电净液分接两极，并用电净液擦拭工件表面的过程［7］。不同材质的基体，电净液的配方和配制方法不同。本实验采用的是阴极电净，工件表面与阴极相接，发生还原反应，并伴有氢气析出，其反应式为：

活化的原理是通过电化学作用活化表层金属，并除去微观层次的膜层和杂质，使镀层能够更容易与基体结合。活化时电压反接，活化分初次活化和二次活化。初次活化是为了去除基体表面的氧化层，采用酸性活化液，工件表面发生氧化反应和部分溶解反应；二次活化是为了去除基体表面的炭黑层，采用有机活化液。

初次活化反应式：

二次活化反应式：

1.2 实验材料与工艺流程

1.2.1 预处理液预处理液包含电净液和活化液。本课题组对其进行了部分改进，具体配方见表1。

1.2.2 试件与仪器

本实验采用QT700-2材质的球墨铸铁，其尺寸为20mm×20mm×2mm。

实验仪器：DSD-200-S 型刷镀电源，金相显微镜，S-3400型扫描电镜，HXD-1000TMS／LCD 型数字式显微硬度计，UMT-2型球盘式磨损试验机。

1.2.3 实验方法

工作电压、镀笔相对速度和处理时间等因素均影响预处理质量。电净电压不宜过高，本实验采用12V 和14 V 的电压。考虑到电净效率和散热状况，镀笔相对速度为6m／min，避免速度过快，电流不稳定。电净时间为60s。

表1 预处理液配方

初次活化时，根据电压和时间分别进行三组实验：电压分别为6V、10V、14V，每组实验的时间为5s、10s、15s、20s、30s、60s。

二次活化时同样做三组实验：电压分别为14V、16V、18 V，每组实验的时间为20s、40s、60s、80s、100s、120s。活化时镀笔相对速度为6m／min。

2 结果与讨论

2.1 电净后的表面形貌

电净后球墨铸铁的表面形貌，如图2所示。与图1相比，电净后的表面更加锃亮、洁净，金相组织清晰。但电净只是去除微观表面的油污，并没有改变表面的金相组织。

图2 电净后球墨铸铁的表面形貌

2.2 初次活化后的表面形貌

选择6V 电压时，随着活化时间的延长，表面膜层逐渐消失，同时表面的机加工条纹被腐蚀，金属晶体组织发黑。选择10V 电压时，随着活化过程的进行，表面膜层也逐渐消失，但活化20s后金相组织就已经发黑，变化也渐渐停止。选择14V 电压时，在15～20s之间铸铁表面变化最明显，20s后表面明显变黑，并有重新钝化的迹象，同时铸铁件升温明显，容易造成表面氧化，形成循环，不易控制。

电压不变时，随着活化时间的延长，活化效果明显，但活化至一定时间后，变化不再显著；有效活化时间随电压的升高而缩短；在相同的活化时间内，活化效果随电压的升高而变得明显。这是因为升高电压，铸铁表面的电化学溶解速度加快，气泡增多，剥离作用明显，但电压过高，也会导致散热慢，降低活化效率。

图3为三组电压下活化20s时的表面形貌。通过分析初次活化的表面形貌并考虑后续的活化处理，得出酸性活化液的最佳活化工艺为：电压10V，时间20s。此时基体表面的膜层及机加工条纹基本被腐蚀掉，渗碳体和球状石墨暴露在表面，导致表面不平整，严重影响镀层质量，需要二次活化来除炭黑。

图3 三组电压下活化20s时的表面形貌

2.3 二次活化后的表面形貌

选择14V 电压时，随着活化时间的延长，表面的炭黑层逐渐消失，但变化并不明显。选择16V 电压时，随着活化过程的进行，表面的炭黑层逐渐消失，锃亮明显；若活化时间继续延长，黑色痕迹仍一直存在。选择18V 电压时，随着活化时间的延长，表面的炭黑层逐渐消失，锃亮明显；当活化时间达到80s时，表面的炭黑层基本消失，且明显好于14V和16V 时的；但随着活化时间继续延长，黑色重新显现。这是因为基体因电压升高及热量过高而引起表面轻度腐蚀，同时伴有活化液晶体析出。

经过金相观察和分析，球墨铸铁经有机活化液二次活化后，疏松的球状石墨在高电压下被氧化成CO2，并以气体形式脱离基体，使金属晶体组织显露出来。宏观上看，表面洁净，呈银灰色，黑色消除。图4为三组电压下活化80s时的表面形貌。每组实验在活化80s时效果最明显，且电压越高，活化效果越好。于是得到二次活化的最佳工艺条件为：电压18V，时间80s。

图4 三组电压下活化80s时的表面形貌

3 改进预处理后刷镀层的性能

经过改进后的表面预处理工艺，严格按照电刷镀的工艺规范，并创造良好的刷镀环境，在铸铁件表面制备镍-钨合金镀层。图5为不同表面预处理工艺对镍-钨合金镀层表面形貌的影响。由图5可知：经过预处理的镀层外观良好，表面平整光滑；而缺少预处理的镀层则易出现开裂、起皮等不良现象。

图5 不同表面预处理工艺对镍-钨合金镀层表面形貌的影响

3.1 硬度

在一定的电压下，刷镀时间越长，镍-钨合金镀层越厚，硬度也越大。本课题组采用8 V、10 V、12V电压，镀层厚度为50μm、100μm、150μm 的样品进行正交试验，并对每个试样取三组硬度数据，取平均值。统计分析得出：8V 电压下，50μm 厚的镀层的硬度为3 873 MPa；12V 电压下，150μm 厚的镀层的硬度达到6 104 MPa。而普通球墨铸铁的硬度一般在1 400～2 500 MPa之间，所以经过预处理后制备的镍-钨合金镀层在硬度上可满足再制造曲轴的要求。

3.2 耐磨性

合金镀层对曲轴表面起到保护和强化作用，耐磨性是其中一个重要指标。采用UMT-2型球盘式磨损试验机对上述正交试验样品和基体样品进行磨损试验，并对表面凹痕SEM 成像，结果如图6 所示。由图6可知：普通球墨铸铁表面的凹痕较深且粗糙，而镍-钨合金镀层表面的凹痕较浅，证明镍-钨合金镀层与基体具有很强的附着力，可以有效地提高球墨铸铁的耐磨性。同时拉伸性能也得到了很大的提高，满足再制造曲轴的要求。

图6 球墨铸铁试样表面凹痕的SEM图像

4 结语

（1）适当的电净电压可以有效去除球墨铸铁表面的油污，一般控制在10～15V，电净时间为60s。

（2）采用改进后的酸性活化液进行初次活化，其酸性降低，但仍能保持良好的电导率和活化能力。适当增加活化电压和时间，能明显提高活化效果，但如果时间过长、电压过大，会对基体表面产生一定的腐蚀。初次活化的最佳工艺参数为：电压10V，活化时间20s。

（3）二次活化采用有机活化液去除表层的碳元素。提高电压，能加快活化速度；电压不变的情况下，活化时间过长也会轻度腐蚀基体。最佳的活化参数为：电压18V，活化时间80s。

（4）改进表面预处理工艺后，镍-钨合金镀层的性能明显提升，可满足再制造曲轴的要求。

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