CN101092733A - 一种金属表面磨损自修复镀层制备方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种金属表面磨损自修复镀层制备方法和装置属于材料表面工程技术领域。本发明采用超高频脉冲电镀方法，在金属零件表面获得铁及其合金与羟基硅酸镁等微矿物颗粒构成的复合镀层。该复合镀层表面在摩擦过程中，矿物颗粒材料粉碎并与摩擦面上的铁基金属产生置换反应，能持续生成致密的铁基硅酸盐金属陶瓷层并能部分或全部恢复磨损部位尺寸，在零件运行动态过程中完成磨损部位的自修复，显著延长零件的使用寿命。表面镀层磨损率较基体降低15％以上。同时，摩擦表面硬度和光洁度提高，摩擦系数大幅度降低。主要适用于金属磨损自修复领域。
Description
技术领域
本发明涉及到一种金属表面磨损自修复镀层制备和零件修复工艺，属于材料表面工程技术领域。
背景技术
磨损是机械零件失效的主要原因之一，世界上每年由于磨损造成的损失十分巨大。在材料表面工程领域，国内外在提高摩擦副寿命的研究主要集中在两方面：一是改善钢制零件表面微观结构或成分；二是通过添加润滑剂或润滑油，或是在摩擦副表面生成固体润滑膜。实现机械零件摩擦磨损自修复是材料学和摩擦学设计的重要目标。
金属磨损自修复技术是20世纪70年代由前苏联学者提出的，上世纪末该技术被引进我国并在工程实验应用中取得了明显效果，是一项全新的表面工程和绿色再制造技术。
所谓的金属磨损自修复技术是指采用金属或非金属细小颗粒添加到油品和润滑脂中使用，在摩擦磨损条件下可以在机械零件表面上生成自修复保护膜层。其中引起广泛关注的自修复材料是主要成分为蛇纹石(羟基硅酸镁)为主的多种复杂组分构成的润滑油添加剂，因为自修复实际上是一种条件自修复，与摩擦副相对运动和润滑材料密切相关。润滑介质中的矿物颗粒和金属表面是否发生具有自修复作用的置换反应取决于摩擦过程中多种过程和条件，因此出现其应用的实际效果不够稳定的现象。另外该技术受摩擦副形状和摩擦条件的限制，应用面是有限的。而利用含有自修复矿物成分的复合材料来改善钢制零件表面成分，并实现磨损自修复的技术则未见报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具备磨损自修复功能的金属表面复合镀层材料，使得金属零件在运行中能够实现磨损自修复，显著延长零件的使用寿命，同时能够显著降低摩擦副之间的摩擦系数的金属表面磨损自修复镀层制备方法和装置。
本发明的技术构思是，将自修复矿物添加剂直接加入金属基体，使得矿物颗粒在基体中以复合物形态存在，确保在摩擦磨损过程中，微凸体接触时产生的闪温，使颗粒相中的镁原子与金属基体中的铁原子发生均匀的置换反应，最终在摩擦表面生成具有自修复作用的陶瓷层。
采用超高频脉冲电镀方法，在金属零件表面获得铁及其合金与羟基硅酸镁等微矿物颗粒构成的复合镀层。该复合镀层表面在摩擦过程中，矿物颗粒材料粉碎并与摩擦面上的铁基金属产生置换反应，能持续生成致密的铁基硅酸盐金属陶瓷层并能部分或全部恢复磨损部位尺寸，在零件运行动态过程中完成磨损部位的自修复，显著延长零件的使用寿命。表面镀层磨损率较基体降低15％以上。同时，摩擦表面硬度和光洁度提高，摩擦系数大幅度降低。
本发明的技术原理是，蛇纹石，即羟基硅酸镁，属1∶1型三八面体层状含水硅酸盐，理想分子式为Mg3(Si2O5)(OH)4，结晶构造式为3MgO·2SiO2·2H2O，其中结构水主要以羟基的形式存在于晶体结构单元层的八面体片中。蛇纹石具有很高的活性，主要是蛇纹石存在许多活性基团，即O-Si-O键、Si-O-Si键、含镁键类、羟基和氢键。特别是O-Si-O键，该键在高温时易发生断裂。氧与硅的共价键断裂后，能够产生出两种氧：O*-和O，*表示有1个未偶电子，与金属易形成共价键型的高氧化态氧化物陶瓷结构。
在材料摩擦过程中，以羟基硅酸镁为主的复杂无机矿石组合物能够从复合材料中释放出来，在摩擦力作用下粉碎并均匀分布于铁质基体表面，与基体铁基金属充分均匀接触。同时，在摩擦磨损过程中，微凸体发生断裂时产生的闪温，使微粒晶体中的镁原子与金属表层的铁原子发生置换反应，在摩擦表面生成铁硅酸盐新晶体。在摩擦能的作用下，新晶体在摩擦表面不断增加，最终形成了与铁基金属成化学键结合的耐磨保护层。
这些硅酸盐物质在高温高压下在金属材料表面形成晶体，由于蛇纹石及其转换产物都为层状结构，在应力作用下层间易发生错动，因此摩擦系数很小，大大降低了摩擦副之间的摩擦磨损。
表面层的厚度并不是线性增长，保护层的生成速度和厚度与摩擦释放的能量及矿物颗粒释放的数量成正比，而是自动调节的：当磨损发生时，摩擦能增高，矿物材料和摩擦副表面发生的一系列复杂的反应开始进行，保护膜层同时开始生长；而当磨痕获得修复时，金属间释放的摩擦能降低，矿物材料和摩擦副表面的一系列反应就会停止，保护膜层也就不再增厚。因此，修复剂微粒发生化学反映生成保护层的部位是有选择性的，它只在金属磨损的部位上发生。
本发明的技术特点是，自修复实际上是一种条件自修复，它与摩擦副相对运动和润滑材料密切相关。采用羟基硅酸镁颗粒作为润滑油添加剂的表面成膜过程包括：
(1)自修复材料在金属表面物理吸附；
(2)自修复材料在金属表面化学吸附；
(3)自修复材料在金属表面成膜及表面均匀化。
而采用具有羟基硅酸镁为主的复合材料，在摩擦过程中羟基硅酸镁矿物相将直接承受表面微凸体的挤压和滑擦作用形成的高压，矿物颗粒材料被剪切和粉碎，与基体铁基金属充分均匀接触；同时由于表面接触和摩擦产生的闪温，使得羟基硅酸镁矿物与摩擦面上的铁基金属产生热化学和力化学置换反应，形成相对于目前技术更加稳定和均匀的铁硅酸盐陶瓷层。
制备具有羟基硅酸镁为主的复合相是本发明的关键，采用普通的冶炼制备基体，或采用热喷涂或堆焊形成的表面涂层，在工艺中的高温会促使羟基硅酸镁分解，蛇纹石在常压下650～800℃温度区间，羟基逐渐脱失，，降低基体本身的机械性能，并且无法起到表面摩擦磨损自修复的作用。本研究中选用复合电镀技术制备具有自修复作用的表面镀层，制备过程在常温条件下进行，确保了羟基硅酸镁颗粒没有发生相变，镀层的基体为铁基合金，复合材料为羟基硅酸镁颗粒。
本发明的技术解决方案是，
一种金属表面磨损自修复镀层制备装置，由高频直流脉冲电镀电源1、电压表2、电流表3、机械搅拌器4、搅拌器转速控制箱5、电镀槽6、阳极7、阴极8、加热管9和加热恒温装置10构成。高频直流脉冲电镀电源1参数是120～30V、20 kHz、能够周期换向；高频直流脉冲电镀电源1的正极经过电流表3与阳极7连接，阳极7是铁阳极，高频直流脉冲电镀电源1的负极与阴极8连接，阴极8是工件，高频直流脉冲电镀电源1的正负极间连接有电压表2，机械搅拌器4与搅拌器转速控制箱5连接，阳极7、阴极8和机械搅拌器4置于电镀槽6内，电镀槽6内的加热管9与加热恒温装置10连接。
一种金属表面磨损自修复镀层制备方法，
(1)制备微矿物粉体材料：在本发明中采用机械球磨粉碎制备微矿物颗粒，所制备的矿物颗粒直径尺寸范围在0.01～10μm，表面采用碱处理、酸处理和表面活性剂处理工艺。
(2)配制复合电镀液：根据不同零件表面对电镀层基体材料的要求，本发明研制出铁、铁-磷合金、铁-镍合金、铁-锰合金、铁-铬合金以及以上元素构成的三元合金与微矿物颗粒构成的复合电镀液。其中三种铁-羟基硅酸镁镀液典型配方和工艺参数如下：
表1 铁-羟基硅酸镁镀液典型配方
| 成分和参数 | 配方1 | 配方2 | 配方3 |
| 氯化铁g/L | 400 | 40 | |
| 硫酸亚铁g/L | 240 | 250 | |
| 氯化钙g/L | 300 | ||
| 氯化铵g/L | 20 | ||
| 微矿物颗粒g/L | 1～20 | 1～20 | 1～20 |
| pH | 1.2～1.8 | 2.8～3.5 | 3.5～5.5 |
| T/℃ | 15～70 | 15～70 | 15～70 |
| Dk/A·dm-2 | 2～8 | 4～10 | 2～10 |
(3)制备工艺参数和条件：
电镀的工艺流程为：零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期换向活化→周期换向起镀→过渡镀→脉冲直流镀→水洗→中和→水洗→干燥。
电镀工艺中采用周期换向方法提高镀层和基体的结合强度，活化正负换向时间比为：2～4∶5，为3～5min；起镀正负换向时间比为：4～6∶5，为5～10min。
采用高频支流脉冲电源方法降低镀层内应力并保持沉积颗粒材料均匀性，脉冲直流镀的频率为2～20kHz。
采用适当机械搅拌提高镀液中颗粒悬浮特性，电镀阳极板采用铁阳极。采用加热恒温装置严格控制电镀液温度控制范围，以保证镀层质量。
本发明所达到的有益效果是：
(1)所制备的具有摩擦磨损自修复特性零件的耐磨性大幅度增加，表面镀层磨损率较基体降低15％以上，零件使用寿命大幅度增加。
(2)所制备的具有摩擦磨损自修复特性零件摩擦后的表面硬度可以达到HV4500～6500。
(3)摩擦后零件表面镀层粗糙度可以小于Ra0.1。
(4)摩擦后零件组成的摩擦副摩擦系数(干摩擦条件下)可以小于0.01。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的自修复复合镀层的电镀系统配置图。
图中，1.高频直流脉冲电镀电源，2.电压表，3.电流表，4.机械搅拌器，5.搅拌器转速控制箱，6.电镀槽，7.阳极(铁阳极)，8.阴极(工件)，9.加热管，10.加热恒温装置。
具体实施方式
一种金属表面磨损自修复镀层制备装置，由高频直流脉冲电镀电源1、电压表2、电流表3、机械搅拌器4、搅拌器转速控制箱5、电镀槽6、阳极7、阴极8、加热管9和加热恒温装置10构成。高频直流脉冲电镀电源1参数是120～30V、20kHz、能够周期换向；高频直流脉冲电镀电源1的正极经过电流表3与阳极7连接，高频直流脉冲电镀电源1的负极与阴极8连接，高频直流脉冲电镀电源1的正负极间连接有电压表2，机械搅拌器4与搅拌器转速控制箱5连接，阳极7、阴极8和机械搅拌器4置于电镀槽6内，电镀槽6内的加热管9与加热恒温装置10连接。
一种金属表面磨损自修复镀层制备方法，
(1)制备微矿物粉体材料：在本发明中采用机械球磨粉碎制备微矿物颗粒，所制备的矿物颗粒直径尺寸范围在0.01～10μm，表面采用碱处理、酸处理和表面活性剂处理工艺。
(2)配制复合电镀液：根据不同零件表面对电镀层基体材料的要求，本发明研制出铁、铁-磷合金、铁-镍合金、铁-锰合金、铁-铬合金以及以上元素构成的三元合金与微矿物颗粒构成的复合电镀液。其中三种铁-羟基硅酸镁镀液典型配方和工艺参数如下：
表1铁-羟基硅酸镁镀液典型配方
| 成分和参数 | 配方1 | 配方2 | 配方3 |
| 氯化铁g/L | 400 | 40 | |
| 硫酸亚铁g/L | 240 | 250 |
| 氯化钙g/L | 300 | ||
| 氯化铵g/L | 20 | ||
| 微矿物颗粒g/L | 1～20 | 1～20 | 1～20 |
| pH | 1.2～1.8 | 2.8～3.5 | 3.5～5.5 |
| T/℃ | 15～70 | 15～70 | 15～70 |
| Dk/A·dm-2 | 2～8 | 4～10 | 2～10 |
(3)制备工艺参数和条件：
电镀的工艺流程为：零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期换向活化→周期换向起镀→过渡镀→脉冲直流镀→水洗→中和→水洗→干燥。
电镀工艺中采用周期换向方法提高镀层和基体的结合强度，活化正负换向时间比为：4∶5；起镀正负换向时间比为：6∶5。
采用高频支流脉冲电源方法降低镀层内应力并保持沉积颗粒材料均匀性，脉冲直流镀的频率为10kHz。
采用适当机械搅拌提高镀液中颗粒悬浮特性，电镀阳极板采用铁阳极。采用加热恒温装置严格控制电镀液温度控制范围，以保证镀层质量。
Claims (2)
1.一种金属表面磨损自修复镀层制备装置，其特征在于，由高频直流脉冲电镀电源(1)、电压表(2)、电流表(3)、机械搅拌器(4)、搅拌器转速控制箱(5)、电镀槽(6)、阳极(7)、阴极(8)、加热管(9)和加热恒温装置(10)构成；高频直流脉冲电镀电源(1)参数是120～30V、20kHz、能够周期换向；高频直流脉冲电镀电源(1)的正极经过电流表(3)与阳极(7)连接，阳极(7)是铁阳极，高频直流脉冲电镀电源(1)的负极与阴极(8)连接，阴极(8)是工件，高频直流脉冲电镀电源(1)的正负极间连接有电压表(2)，机械搅拌器(4)与搅拌器转速控制箱(5)连接，阳极(7)、阴极(8)和机械搅拌器(4)置于电镀槽(6)内，电镀槽(6)内的加热管(9)与加热恒温装置(10)连接。
2.使用根据权利要求1所述的一种金属表面磨损自修复镀层制备装置进行金属表面磨损自修复镀层制备的方法，其特征在于，
(1)制备微矿物粉体材料：在本发明中采用机械球磨粉碎制备微矿物颗粒，所制备的矿物颗粒直径尺寸范围在0.01～10μm，表面采用碱处理、酸处理和表面活性剂处理工艺；
(2)配制复合电镀液：根据不同零件表面对电镀层基体材料的要求，本发明研制出铁、铁-磷合金、铁-镍合金、铁-锰合金、铁-铬合金以及以上元素构成的三元合金与微矿物颗粒构成的复合电镀液；其中三种铁-羟基硅酸镁镀液典型配方和工艺参数如下：
表1 铁-羟基硅酸镁镀液典型配方
(3)制备工艺参数和条件：
电镀的工艺流程为：零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期换向活化→周期换向起镀→过渡镀→脉冲直流镀→水洗→中和→水洗→干燥；
电镀工艺中采用周期换向方法提高镀层和基体的结合强度，活化正负换向时间比为：2～4∶5，为3～5min；起镀正负换向时间比为：4～6∶5，为5～10min；
采用高频支流脉冲电源方法降低镀层内应力并保持沉积颗粒材料均匀性，脉冲直流镀的频率为2～20kHz。
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