CN101250698A - 复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法，用于对铁道、船用及大功率柴油机气缸套经使用磨损后内壁的修复。是将复合微粒镍基合金溶液，均匀的涂复在气缸套内表面，涂复工艺是：出加粒器的复合微粒镍基合金溶液导入待加工之气缸套内进行化学反应，将溶液中的碳化硅微粒均匀地涂复在待加工之气缸套内表面，再导入冷凝器，迅速将使用过的复合微粒镍基合金溶液由工作温度80～82℃冷却降至50℃，溶液失去活性，化学反应停止，泵入配液槽配液，再送入加热器，到达出口温度82～83℃后导入加粒器，在加粒器内加入碳化硅微粒配制成复合微粒镍基合金溶液进入以下的循环系统。利用本发明方法可以将经使用磨损后气缸套内壁修复至恢复原尺寸，继续使用，实现报废零件的再制造并提升性能。

Description

复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法

技术领域

本发明涉及一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套方法。主要用于对现有铁道、船用及大功率柴油机气缸套经使用磨损后内壁的修复。还可以用于制造各类大功率柴油机气缸套时对内壁进行涂覆，以提升其性能。

背景技术

现有铁道、船用及大功率柴油机气缸套，经使用后内壁磨损，功率下降，油耗增加，因此报废处理。

“复合微粒镍基合金”是在已广泛应用的化学镀镍基合金涂层的基础上发展产生的。即在原化学镀镍基合金涂层中加入了高硬质超细碳化硅微粒，使涂层的硬度更高，工作状态下含油性更好，涂层中硬质微粒承受载荷并对犁削起阻挡作用，阻止涂层疲劳，晶格错位及粘着磨损，从而大大提高了工件的使用时间。

已广泛应用的化学镀镍基合金涂层的难点即工艺技术要点是溶液的稳定性。溶液中任何杂质，尤其是具有催化活性粒子的存在都会加速溶液的分解，而“复合微粒镍基合金”工艺正好相反，要在溶液中加入大量细微粒子，粒子表面积一般达到100000^cm2/升，装载量是原工艺的800倍以上(装载量是指单位体积的溶液对应被涂复工件的表面积为装载量，单位为100L/m²)，所以溶液很快分解报废无法正常长期工作，所以该涂层一般只能在实验室制备样品，而无法进入工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合微粒镍基合金工业化制造或修复气缸套方法，使该方法在工业化制造、修复气缸套过程中能控制复合微粒镍基合金溶液在设定的反应时间内稳定不分解。

本发明的目的是这样实现的：一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法，所述方法是将配制有微米级硬质耐磨材料碳化硅的复合微粒镍基合金溶液，在专用的涂复装置中，均匀的涂复在气缸套内表面，

所述专用的涂复装置包括：待加工之气缸套、下水帽、上水帽、搅拌棒、保温箱、冷凝器、过滤泵、配液槽、储液罐、加热器、加粒器和搅拌棒，待加工之气缸套下部与下水帽密封连接，上部与上水帽密封连接，搅拌棒设置在待加工之气缸套、下水帽和上水帽内，保温箱设置在待加工之气缸套、下水帽和上水帽外，下水帽下部开口通过管道与加粒器出口相连通，上水帽上部设置溢流口通过管道与冷凝器进口相连通，冷凝器出口与过滤泵进口相连，过滤泵出口与配液槽溶液进口相连，配液槽溶液出口与储液罐溶液进口相连，储液罐溶液出口与加热器溶液进口相连通，加热器溶液出口与加粒器溶液进口相连通；

所述方法的工艺过程是：出加粒器的复合微粒镍基合金溶液由下水帽下部开口经下水帽导入待加工之气缸套内进行化学反应，搅拌棒在动力带动下均速搅拌边向上提升，将复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒均匀地涂复在待加工之气缸套内表面，对被磨损的气缸套内表面进行修复恢复到原尺寸继续使用，或对新制造的气缸套内表面进行强化以提高其耐磨性，使用过的复合微粒镍基合金溶液由上水帽上部的溢流口导入冷凝器，迅速将使用过的复合微粒镍基合金溶液由工作温度80～82℃冷却降至50℃，溶液失去活性，化学反应停止，过滤泵将已冷却的复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒全部滤尽，并将滤液泵入配液槽，在配液槽内经化学分析调整并补充各相关成份后配制成镍基合金溶液，再导入储液罐储存并保持体积，储液罐下部出口接入流量计，计量后送入加热器，加热器由温控仪控制温度，溶液经加热器加热，计量通过到达出口温度82～83℃后导入加粒器，在加粒器内加入碳化硅微粒配制成复合微粒镍基合金溶液进入以下的循环系统；

所述待加工之气缸套内各工艺参数的控制：

1)、搅拌棒：搅拌速度110转/分钟±10转/分钟，

2)、溶液温度控制：温度80～82℃

3)、溶液pH值控制：pH＝4.6～4.8

4)、溶液装载量及溶液流量控制：6升/m²·分钟，其中，m²指被加工工件的表面积。

上述装备设计的关键在于：溶液中加入大量的碳化硅粒子后连续长期工作会造成分解失效而反应终止，该设计中溶液只是在加热器中短时加温至工作温度再流经待加工之气缸套内部完成反应至冷凝器快速冷却，总计时间≤10分钟，溶液即已脱离工作温度，反应立即停止，再由过滤泵将可能毒化长大的碳化硅粒子全部滤尽，添加成份后再进入系统循环使用。实践证明该装备每天二十四小时连续十天工作，累计产出涂层厚度达36mm，溶液及全部工作系统正常(一般一只气缸套涂层在0.1mm以下)。

所述复合微粒镍基合金溶液主要由以下重量百分比的原料组成：

粒径0.0007～0.004mm的碳化硅    3％±0.15％

硫脲                           0.004％±0002％

硫酸镍                         2％±0.1％

次磷酸钠                       1.5％±0.075％

醋酸钠                         1.5％±0.075％

甘氨酸                         0.8％±0.04％

其余为去离子水。

化学镀镍基合金是用还原剂(次磷酸盐)把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的表面的化学反应过程。由于生产过程中的各种原因：局部过热、PH值过高、各种工业原料的纯净度以及工作环境的洁净度都不可避免的会使溶液中出现一些活性微粒——催化核心，使溶液发生激烈的自催化反应产生大量Ni-P黑色粉末，导致溶液短期内发生分解而报废。

稳定剂的作用就在于抑制溶液的自发分解，使反应过程在控制下有序进行，稳定剂是一种毒化剂即反催化剂，只能加入微量就可以抑制镀液的自发分解。

在复合微粒镍基合金溶液配方中关键是稳定剂的选择，硫脲稳定剂的加入可以保持较高的反应速度，即碳化硅粒子在涂层中的吸附量，又能使溶液在设定的反应时间内稳定不分解。

目前，在化学镀镍基合金行业领域里把稳定剂分成四类：

1、硫的无机或有机物，如：硫脲及其衍生物，硫氰酸盐等；

2、含氧化合物，如碘酸钾、三氧化钼等；

3、重金属盐，如：醋酸铅、硫酸镉等；

4、水溶性有机物，如：马来酸、丁二酸等。

稳定剂的作用机理：稳定剂吸附在固体微粒表面，抑制次磷酸根的脱氢反应，但不阻止次磷酸盐的氧化作用，也可以说，稳定剂掩蔽了催化活性中心，阻止了成核反应，但并不影响工件表面正常的镍基合金被还原的化学的反应过程。

硫脲为上述第一类稳定剂，它吸附在固体微粒表面，在阴极还原过程中它抑制析氢反应及抑制次磷酸根的还原，从而阻止了固体微粒参与反应成为晶核的可能性。在阳极过程中硫脲被氧化为二聚物，该二聚物再被次磷酸根还原成硫脲。并且在上述阳极过程中硫脲被氧化后放出电子被Ni²⁺接受还原成Ni。即加速氧化还原反应的电子交换倾向，改变阴、阳极过电位，起电化学催化作用，所以硫脲的加入量在一定的范围内还能增加镍基合金的沉积速度。但是以硫脲为稳定剂的沉积层外观灰暗，孔隙率高。

第2、3、4类稳定剂的作用机理基本相同于硫脲。这三类稳定剂对沉积出的镍基合金有一定的整平、致密、光亮作用。但是这三类稳定剂的加入将随着加入量的增加使镍基合金的沉积速度呈线性下降，而且最终因溶液老化报废的弃液中重金属离子、有机物会造成环境污染及提高处理成本。所以在广泛采用的化学镀镍基合金的工业化生产中稳定剂配方基本上都采用复合配方，以兼顾沉积层的综合性能。即既有一定的反应速度又使沉积层更致密且光亮具有一定的装饰作用。

根据气缸套的制造要求，缸壁必须要建立油膜，以保证与活塞环在无粘着接触状态下工作，这就要求缸壁有一定的孔隙率，使其含油建立油膜，再则“复合微粒镍基合金”溶液中因大量的固体微粒的加入，化学反应的稳定性极差，只能加大稳定剂的用量，但是过量的稳定剂的加入大大降低了反应沉积速度甚至使反应停止。溶液中碳化硅微粒吸附在沉积的镍基合金表面被“包围种植”镶嵌进涂层的反应过程中，必需要求化学反应要有稳定的相对高的反应速度才能得以完成。依据前述的机理分析及大量的实验，显然采用常规的复配稳定剂是不适用的。本发明定量选择了单一的硫脲作为稳定剂，在本发明专用装置的协同作用下，既保证了溶液反应的长期稳定性，又使反应速度保持了相对既稳又高的沉积速度(0.016～0.018mm/n涂层沉积厚度)。而且因碳化硅微粒的加入及硫脲作为稳定剂，“复合微粒镍基合金”涂层恰恰具备了多孔性，正附合缸壁建立油膜的基本要求。

利用本发明方法可以将经使用磨损后气缸套内壁修复至恢复原尺寸，继续使用，实现报废零件的再制造并提升性能。

附图说明

图1为本发明的生产工艺流程图。

图中：待加工之气缸套1、下水帽2、上水帽3、保温箱4、冷凝器5、过滤泵6、配液槽7、储液罐8、流量计9、加热器10、加粒器11、搅拌棒12。

具体实施方式

参见图1，本发明所述专用的反应装置主要由待加工之气缸套1、下水帽2、上水帽3、搅拌棒12、保温箱4、冷凝器5、过滤泵6、配液槽7、储液罐8、加热器10、加粒器11和搅拌棒12组成。所述待加工之气缸套1加工部位即气缸套内表面洁净，在此完成复合微粒碳化硅镍基合金反应过程。待加工之气缸套1下部与下水帽2密封连接，待加工之气缸套1上部与上水帽3密封连接，搅拌棒12设置在待加工之气缸套1、下水帽2和上水帽3内。保温箱4设置在待加工之气缸套1、下水帽2和上水帽3外，以保持待加工之气缸套1的外部反应温度。下水帽2下部开口通过管道与加粒器11出口相连通；上水帽3上部设置溢流口通过管道与冷凝器5进口相连通，冷凝器5出口与过滤泵6进口相连，过滤泵6出口与配液槽7溶液进口相连，配液槽7溶液出口与储液罐8溶液进口相连，储液罐8溶液出口与加热器10溶液进口相连通，加热器10溶液出口与加粒器11溶液进口相连通。

待加工之气缸套内各工艺参数的控制：

1、溶液中加入了定量的碳化硅微粒，必须使其呈悬浮状并定向运动以保证其在镍基合金还原反应时吸附并嵌入合金层中，搅拌棒12采用了边均速搅拌边向上提升，搅拌速度为110转/分钟。

2、温度控制：溶液温度80～82℃

3、溶液pH值控制：控制pH4.6～4.8

4、装载量及溶液流量控制：6升/m²·分钟(m²指被加工工件的表面积)。

工作原理：

出加粒器11的复合微粒镍基合金溶液由下水帽2下部开口经下水帽2导入待加工之气缸套1内进行化学反应，搅拌棒12在动力带动下均速搅拌边向上提升，将复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒均匀地涂复在待加工之气缸套1内表面，对被磨损的气缸套内表面进行修复恢复到原尺寸继续使用，或对新制造的气缸套内表面进行强化以提高其耐磨性。使用过的复合微粒镍基合金溶液由上水帽3上部的溢流口导入冷凝器5，迅速将使用过的复合微粒镍基合金溶液由工作温度80～82℃冷却降至50℃，溶液失去活性，化学反应停止，过滤泵8将已冷却的复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒全部滤尽，并将滤液泵入配液槽7，在配液槽7内经化学分析调整并补充各相关成份后配制成镍基合金溶液，再导入储液罐8储存并保持体积。储液罐8下部出口接入流量计9，计量后送入加热器10。加热器10由温控仪控制温度，溶液经加热器10加热，计量通过到达出口温度82～83℃后导入加粒器11，在加粒器11内加入碳化硅微粒配制成复合微粒镍基合金溶液进入以下的循环系统。

Claims (2)

1. 一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法，其特征在于：所述方法是将配制有微米级硬质耐磨材料碳化硅的复合微粒镍基合金溶液，在专用的涂复装置中，均匀的涂复在气缸套内表面，

所述专用的涂复装置包括：待加工之气缸套(1)、下水帽(2)、上水帽(3)、搅拌棒(12)、保温箱(4)、冷凝器(5)、过滤泵(6)、配液槽(7)、储液罐(8)、加热器(10)、加粒器(11)和搅拌棒(12)，待加工之气缸套(1)下部与下水帽(2)密封连接，上部与上水帽(3)密封连接，搅拌棒(12)设置在待加工之气缸套(1)、下水帽(2)和上水帽(3)内，保温箱(4)设置在待加工之气缸套(1)、下水帽(2)和上水帽(3)外，下水帽(2)下部开口通过管道与加粒器(11)出口相连通，上水帽(3)上部设置溢流口通过管道与冷凝器(5)进口相连通，冷凝器(5)出口与过滤泵(6)进口相连，过滤泵(6)出口与配液槽(7)溶液进口相连，配液槽(7)溶液出口与储液罐(8)溶液进口相连，储液罐(8)溶液出口与加热器(10)溶液进口相连通，加热器(10)溶液出口与加粒器(11)溶液进口相连通；

所述涂复工艺是：出加粒器的复合微粒镍基合金溶液由下水帽下部开口经下水帽导入待加工之气缸套内进行化学反应，搅拌棒在动力带动下均速搅拌边向上提升，将复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒均匀地涂复在待加工之气缸套内表面，对被磨损的气缸套内表面进行修复恢复到原尺寸继续使用，或对新制造的气缸套内表面进行强化以提高其耐磨性，使用过的复合微粒镍基合金溶液由上水帽上部的溢流口导入冷凝器，迅速将使用过的复合微粒镍基合金溶液由工作温度80～82℃冷却降至50℃，溶液失去活性，化学反应停止，过滤泵将已冷却的复合微粒镍基合金溶液中的碳化硅微粒全部滤尽，并将滤液泵入配液槽，在配液槽内经化学分析调整并补充各相关成份后配制成镍基合金溶液，再导入储液罐储存并保持体积，储液罐下部出口接入流量计，计量后送入加热器，加热器由温控仪控制温度，溶液经加热器加热，计量通过到达出口温度82～83℃后导入加粒器，在加粒器内加入碳化硅微粒配制成复合微粒镍基合金溶液进入以下的循环系统；

所述待加工之气缸套内各工艺参数的控制：

1)、搅拌棒：搅拌速度110转/分钟±10转/分钟，

2)、溶液温度控制：温度80～82℃

3)、溶液pH值控制：pH＝4.6～4.8

4)、溶液装载量及溶液流量控制：6升/m²·分钟，其中，m²指被加工工件的表面积。

2、根据权利要求1所述的一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套方法，其特征在于：所述复合微粒镍基合金溶液主要由以下重量百分比的原料组成：

粒径0.0007～0.004mm的碳化硅     3％±0.15％

硫脲                            0.004％±0002％

硫酸镍                          2％±0.1％

次磷酸钠                        1.5％±0.075％

醋酸钠            1.5％±0.075％

甘氨酸            0.8％±0.04％

其余为去离子水。

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