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納米碳化硅化學沉積技術在汽車零部件表面上的應用

納米碳化硅化學沉積技術在汽車零部件表面上的應用

要:納米碳化硅與金屬合金在汽車零部件表面進行化學沉積,實現對其表面的改性,達到耐磨、延長疲勞壽命、提高承受沖擊載荷性能和防腐蝕性能的目的。

關鍵詞:納米碳化硅、汽車零部件、化學沉積、表面承受載荷能力、延長疲勞壽命、低成本、防腐性。

一、 引 言

 磨損、腐蝕是金屬材料損耗的重要原因,全世界每年有近四分之一的材料損耗在磨損和腐蝕之中。因此,如何提高金屬材料的耐磨、減磨及抗腐蝕性能,一直以來是材料科學界所關注的一個重要研究課題。

    汽車零部件絕大部分采用鋼鐵材料,其特點是加工性好、可塑性好,強度高,成本相對較低;但是,耐磨損性、耐腐蝕性總是不盡人意。雖然現有工藝可以解決部分缺陷,如熱處理、化學熱處理、鍍覆表面處理等,仍無法滿足高耐磨、耐腐的高要求,從而制約了產品性能的提高和使用壽命的延長,也造成了資源的浪費。

二、納米碳化硅與金屬合金在零件表面上沉積技術的應用范圍

2.1 提高零部件表面的耐磨性:

      由于納米SiC陶瓷顆粒均勻地彌散分布在鍍層合金的晶胞中,形成了金屬合金陶瓷鍍層,因此鍍層中就有無數個硬點,使得鍍層的耐磨性顯著提高。

2.2 零部件表面沉積鍍層后摩擦系數的變化:

 由于納米SiC陶瓷顆粒在合金晶胞中的彌散分布,使得晶胞表面的粗糙度增大,因此鍍層的摩擦系數顯著提高。一對摩擦副雙摩擦面都沉積SiC,摩擦系數可增大100-150%,這種應用比較少;雙摩擦面只沉積單面,摩擦系數可增大10-20%,這種應用比較多,例如:汽車變速器同步器齒環。如果需要降低摩擦系數,可將納米SiC改變為納米石墨,雙面沉積摩擦系數可降低25-35%,單面沉積摩擦系數可降低10-15%。如果鍍層要求既要耐磨又要低摩擦系數,可以沉積納米SiC和納米石墨的復合材料。

2.3 提高零部件表面的高溫耐磨性和承受載荷能力:

   復合沉積鍍層中納米不溶性固體顆粒多為陶瓷材料,陶瓷具有優異的耐高溫性能,因此當零件表面溫度升高時,納米陶瓷相能保持優良的高溫穩定性,對沉積層整體起到支撐作用,有效地提高了零件的高溫耐磨性和承受載荷能力。

2.4 提高零部件表面的抗疲勞性能和使用壽命:

   由于納米復合沉積鍍層中有無數個納米不溶性固體顆粒,當鍍層疲勞時,晶體將滑移變形,這些陶瓷顆粒相當于在晶體滑移線上的“限制樁”,有效地阻止了晶格的滑移,因此提高了零部件表面的抗疲勞性能和使用壽命。

2.5 改善有色金屬的使用性能:

 有色金屬導電、導熱、減磨、防腐性優異黑色金屬,但是硬度、強度差,造成使用壽命短。在其表面根據不同的用途,沉積相應的納米復合材料,即可提高硬度、強度和使用壽命。

三、納米碳化硅與金屬合金在零件表面上的沉積技術

3.1 將直徑30 ~ 50納米的碳化硅粉末乳化分散為固含量34%的納米SiC乳液,加入化學合金鍍液中,溫度在80~85℃,pH值為4.6 ~4.8,每60分鐘可以在齒環零部件表面沉積10微米厚度的納米硅與金屬合金的復合沉積層。

3.2 沉積工藝流程:脫脂 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 敏化 → 水洗 → 退膜 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 去離子水洗 → 去離子水洗 → 化學沉積→ 去離子水洗 → 去離子水洗 →熱去離子水洗→回火 

四、工藝流程說明

4.1 脫脂:脫脂劑為本公司生產的WX-1048高效快速脫脂粉;配比 1﹕20;溫度60 ~70 ℃;時間 10 ~15分鐘。

4.2 水洗:流動自來水漂洗。

4.3 活化: WX-938鋼鐵快速去油去銹活化劑;配比 1﹕1加水稀釋;常溫使用;時間 5 ~8分鐘。

4.4 敏化: WX-1038G敏化劑;配比 1﹕1加水;溫度30 ~35 ℃;時間 5 ~8分鐘。

4.5 退膜: WX-1038E退膜劑;配比 1﹕2加水;溫度85 ~95 ℃;時間 5 ~8分鐘。

4.6 沉積鍍液:

4.6.1 化學鍍多元合金鍍液;配比 A﹕B﹕水=1﹕1﹕7,C為補加液;水為去離子水。

4.6.2 納米SiC乳液; WX-818-4,每升工作鍍液加10.3克,用氨水或檸檬酸調PH值到4.6 ~4.8,溫度80 ~85 ℃,每68分鐘沉積厚度10微米。

4.6.3 工作鍍液的控制:鍍液的最佳工作狀態在N1=8.2 ~9.6,N2=38 ~45,當N1﹤8.2時補加A液,補加量為Va=1.782%×(9.6-N1)×V;當N2﹤38時補加C液,補加量為Vc=0.208%×(45-N2)×V;V為工作液的總容積,N1、N2為實際測定值。

4.6.4 N1、N2值的測定方法:

4.6.5 將工作液攪拌均勻后,取5毫升置入300毫升錐形瓶中,滴入2mlHCL,再滴入30%的雙氧水2ml搖勻,并煮至近干,加入100ml蒸餾水,再加入2ml三乙醇銨,再加入12ml氨水,再倒入少許紫尿酸銨,用0.05N EDTA二鈉滴定至紫色為終點,此時所消耗0.05N EDTA二鈉的毫升數即為N1的點數。

4.6.6 再取10毫升工作液置入100毫升容量瓶中,加純水稀釋至標準刻度搖勻,再吸取此液10毫升置于300毫升錐形瓶中,加入0.02mol硫酸高鐵銨溶液40毫升、純水50毫升、1mol鹽酸10毫升,煮沸10分鐘后再補加1mol鹽酸10毫升,流水冷卻,加亞鐵靈2滴,用0.01mol硫酸鈰標準溶液滴定至無色為終點。此時所消耗0.01mol硫酸鈰標準液的毫升數即為N2的點數。

4.6.7 工作液中納米SiC乳液濃度的控制:用手持式折射儀測試工作液,N=6 ~6.5,當N<6時,補加納米碳化硅乳液,當N>6時,補加水份。

4.6.8 回火:目的是去鍍層應力。

4.6.9 設備:井式氣氛保護回火爐。

4.6.10 溫度:150-160℃。

4.6.11 時間:15小時。

4.6.12 氣氛保護:高純氮氣。

五、納米碳化硅與多元合金鍍層厚度、硬度與附著力測試

5.1 鍍層厚度:將鍍好的零件或試樣,切割鑲嵌拋光后,再用硝酸乙醇腐蝕,放在600倍金相測厚儀下測量,所得厚度如下表:

  由上述表可以看出,204分鐘以后再延長施鍍時間,沉積速度變慢。

5.2 鍍層硬度:將厚度為20微米左右的試樣,用100克的載荷直接打在鍍層上,所得HV硬度值為524。

5.3 鍍層附著力測試:用1000克載荷直接打在鍍層與金屬基體界相 上,觀察鍍層與基體不剝離為合格。

5.4 鍍層厚度、硬度、附著力測試金相 。

 






       厚度:20.19um                   硬度:HV=524

                               









 用1000克載荷直接打在鍍層上的結合相


六、納米碳化硅與金屬合金復合沉積晶胞組織結構

  在復合沉積的過程中,納米碳化硅與金屬合金共同形成晶胞,由晶胞構成鍍層,晶胞內部組織結構在原子力顯微鏡下觀察,納米碳化硅與多元合金復合體如下圖。

 

七、摩擦磨損對比實驗

 7.1 試驗標準:GBT12444.1-90 金屬磨損試驗方法:MM型磨損試驗。

 7.2 實驗試樣:試樣標準外經尺寸為40mm其余按GB12444.1-90標準4.3.1執行。材料為45號鋼,熱處理工藝為高頻淬火,硬度(HRC)45度。

 7.3 試樣分組:

 A組為標準試樣,B組為標準試樣表面再沉積一層10微米厚度的納米碳化硅與合金的復合層。

 7.4 試驗設備:

 濟南益華摩擦學測試技術有限公司生產的MMS-2A數字式摩擦磨損實驗機。

7.5 摩擦方式:

 干摩擦(將試驗的所有試樣,泡在無水乙醇中30分鐘后,取出晾干。)、滾動和滑動復合摩擦。1軸轉速為200轉/分鐘,2軸轉速為160轉/分鐘,均為主動軸。如圖: 


7.6 摩擦系數、時間、試驗力曲線

                                                               A組曲線圖                                                                                                          B組曲線圖

7.7 曲線分析:

7.7.1 摩擦系數:由于A組試驗力超過300N時,試樣表面已失效,因此試驗力大于400N的曲線不做分析。

 由上述表格可以得出結論:B組比 A組摩擦系數增大92.25%-156.16%,平均增大118.36%。

7.7.2 表面疲勞壽命:由曲線圖和記錄數據可以看出:A組在1770秒失效;B組在3010秒失效。因此B組比A組表面疲勞壽命延長70%。

7.7.3 表面承受載荷能力:由曲線圖和記錄數據看出:A組在1770時表面承受載荷為295N;B組在3010秒時表面承受載荷為593N。因此B組比A組表面承受載荷能力增加101%。

八、應用實例

8.1 在國產某自主知識產權中高檔轎車SH78Z手動變速器同步器齒環上的應用

8.1.1.1 應用目的:增大摩擦系數、縮短同步時間、減小換檔力、延長使用壽命。

8.1.1.2 沉積工藝:將材料為MB2的同步器齒環,按上述第二條(納米碳化硅與金屬合金在零件表面上的沉積技術)進行表面沉積。

8.1.1.3 施鍍時間:120分鐘。

8.1.1.4 鍍層厚度:16-20um。

8.1.1.5 鍍前鍍后外觀比較照片:


8.1.2.1 同步器換檔性能壽命比較臺架試驗

8.1.2.2 試驗設備:同步器換檔性能與壽命試驗機。

8.1.2.3 試驗檔位:一/二檔。

8.1.2.4 試驗分組:A組:未鍍一/二檔齒環;B組:噴鉬一/二檔齒環;C組:Sic沉積一/二檔齒組環;D組:Sic沉積一/二檔齒環。

8.1.3.1 試驗結果: 

8.1.3.2  A組

 

8.1.3.3 B組:

 

8.1.3.4 C組:由于內、外環及中間環均鍍Sic,摩擦系數過大,使得同步器齒環抱死,試驗中斷。

8.1.3.5 D組:

 

8.1.3.6 曲線與數據分析對比:

8.1.3.7試驗總結:

由此可見,沉積納米SiC的同步器齒環,使用性能完全超越未處理的銅抷齒環和噴鉬齒環。

8.2 在國產某自主知識產權中高檔轎車SH78Z手動變速器差速器行星齒輪軸表面上的應用:

8.2.1行星齒輪軸:材料:16MnCr5;熱處理工藝:滲碳淬火,滲碳層厚度0.6-1.0mm,硬度HV680。

8.2.2 沉積應用目的:提高承受載荷能力、耐磨性、防咬死。

8.2.3 沉積工藝:將行星齒輪軸,按上述第二條(納米碳化硅與金屬合金在零件表面上的沉積技術)進行表面沉積。

8.2.4 沉積時間:135分鐘。

8.2.5 沉積厚度:20um

8.2.6 試驗前后外觀比較照片:










沉積后試驗前照片













沉積后試驗后照片


8.2.7 差速器性能與耐久試驗:

8.2.7.1 試驗設備:變速器總成綜合試驗臺。

8.2.7.2 試驗對象:某變速器行星齒輪軸。

8.2.7.3 試驗方法:按雪地模式極限工況:掛入五檔,鎖死一端半軸,調整輸入轉速,使另一端半軸轉速1000轉,并加載荷50NM,運行40分鐘后,要求無異常。

8.2.7.4 試驗分組:A組表面進行磷酸錳處理;B組表面進行Sic沉積處理。

8.2.7.5 試驗結果:A組試驗中途斷裂未通過,B組通過。

九、防腐性能測試

9.1 實驗方法:中性鹽霧試驗

9.2實驗標準:ASTM B-117

9.3試樣樣品:同步器齒環,行星齒輪軸。

9.4 試樣分組:A組:表面未做任何處理;B組:表面沉積20um厚度的納米SiC復合層。

9.5 實驗布驟:將A,B兩組同時放入無水乙醇中30分鐘,取出涼干后,進入鹽霧試驗箱,以出現銹斑時間(7級)為標準。

9.6 測試結果:

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

十、成本分析

以同步器環為例分析:

    

由此可見,按使用壽命平均價格計算:A組是D組的5倍;B組是D組的1.88倍;A組是B組的2.65倍。表面沉積SiC使用成本為最低。D組方案如果采用鋼環為基體,零件購入價格可降低為7元,總價格降低為12.80元,其絕對價格也低于A組。

十一、結束語

運用納米SiC與金屬合金的化學沉積對同步器齒環、行星齒輪軸進行表面改性,完全可以降低換檔力、同步時間,極大地提高了零部件的使用壽命、承受載荷性能和防腐蝕性能,并且降低了使用成本,本工藝已經在國產某自主知識產權中高檔轎車SH78Z手動變速器汽車變速器上得到應用。但還有更多的工作和試驗要做,開拓更廣擴的應用領域。

總之,提高國產汽車零部件的品質,是一項長期的工作,還需要我們大家的共同努力。

    




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