CN109371386A - 一种铜合金同步环的表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜合金同步环的表面改性方法，包括：预先对铜合金同步环进行预处理，然后放入化学镀液中预镀，再在加入纳米TiN乳液的化学镀液中进行纳米镀，最后取出冲洗吹干进行热处理，即可。本发明针对铜合金同步环在服役环境下摩擦系数过小、不能同步、疲劳寿命低等难点，应用化学复合镀的表面改性技术，在提高材料表面性能或赋予材料表面新特性的同时，不改变基体的组成和性能，并使其疲劳寿命达到30万次以上，同时摩擦系数达到工程使用要求的0.11～0.13之间。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性领域，特别涉及一种铜合金同步环的表面改性方法。
背景技术
同步环是变速箱的关键部件之一，对于提高变速箱传动系统的使用寿命、操控的稳定性和安全性及操作人员的舒适度等起着极其重要的作用。同步环的摩擦系数是决定同步环工作性能好坏的关键。铜及其合金导电、导热性能优良，兼备良好的加工性能，被广泛用作同步环材料。与此同时，随着重载卡车吨位的增加，其工况条件也日益苛刻，使其服役寿命难以直接满足工程要求。根据研究表明，同步器主要的失效原因，随着换挡次数的增加，摩擦因数在不断降低，使得同步器锥体获得的加速度摩擦力不断减少而在同步阶段所经历的时间不断延长，并最终导致同步器失效。在换挡过程中摩擦副表面的微凸体被磨损以致油膜难以破裂，使得固体摩擦因数所占比例不断降低而油膜摩擦因数逐渐占主导优势，是引起摩擦因数不断降低的主要原因。所以，急需寻找一种提高同步环摩擦寿命的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铜合金同步环的表面改性方法，该方法针对铜合金同步环在服役环境下摩擦系数过小、不能同步、疲劳寿命低等难点，应用化学复合镀的表面改性技术，在提高材料表面性能或赋予材料表面新特性的同时，不改变基体的组成和性能，并使其疲劳寿命达到30万次以上，同时摩擦系数达到工程使用要求的0.11～0.13之间。
本发明提供了一种铜合金同步环的表面改性方法，包括：
预先对铜合金同步环进行预处理，然后放入化学镀液中预镀，再在加入3～10g/L纳米TiN乳液的化学镀液中进行纳米镀，最后取出冲洗吹干进行热处理，即可；其中，化学镀液为体积比1:1:5-10的镀液A、镀液B和蒸馏水。
所述预处理包括脱脂、活化、氧化、退膜。其中活化、氧化、退膜的过程重复至少三次，每次约4～8min。主要是去除油污和氧化膜等，使同步环表面生成具有催化活性效果的金属粒子，便于其表面后续的镀层沉积。
所述脱脂采用的脱脂剂的组成为：按质量百分比，OP乳化剂0.05-0.15％，磷酸酯表面活性剂2-3％，阴离子表面活性剂0.2-1，其余为水；
所述活化采用的活化剂的组成为：按质量百分比，工业盐酸30-45％，氢氟酸10-15％，OP乳化剂1-5％，其余为水；
所述氧化采用的氧化剂的组成为：按质量百分比，氢氧化钠1-4％，高锰酸钾0.5-1.5％，其余为水；
所述退膜采用的退膜剂的组成为：按质量百分比，硫酸氧钛0.5-1.5％，磷酸2-3.5％，硝酸1-2％，其余为水。
所述镀液A的组成为：按质量百分比，柠檬酸钠1-3％，乳酸0.3-1％，乙酸1-2％，硫酸镍20-25％，钨酸钠1-2％，谷氨酸钠0.01-0.02％，其余为去离子水；
所述镀液B的组成为：按质量百分比，次亚磷酸钠18-25％，乳酸12-20％，乙酸8-10％，柠檬酸钠2-5％，谷氨酸钠0.3-0.6％，其余为去离子水。
所述纳米TiN乳液的组成为：按质量百分比，20-80nm的纳米TiN颗粒35-45％，分散剂10-16％，润湿剂0.5-1.5％，杀菌剂为0.1-0.3％，消泡剂为1-3％，其余为去离子水；配制时进行砂磨处理(2h～8h)。
所述预镀和纳米镀的工艺参数为：镀液温度为85±5℃，pH值为3～6，镀液的搅拌速度为100～300r/min。pH值通过pH控制系统连续监测控制，并在自催化沉积过程中连续补充消耗的Ni2+和H2PO2 －。
所述预镀时间为0.2h～2h；纳米镀时间为1h～5h。
所述纳米镀采用施镀槽；所述施镀槽依次包括高位槽、中位槽和低位槽，槽体底部均设置流量阀门(即球阀)，槽体底板与流量阀门轴线的垂直线呈45-30°夹角；所述低位槽、高位槽的槽体顶部设置有搅拌机和加温控制装置，中位槽顶部设置有保温控制装置；另外设置有泵，将低位槽底部镀液送回高位槽。如图2所示。
所述热处理温度为150～300℃，热处理时间为2～12h。
本发明通过预处理、预镀和复合镀相结合的方式处理后，在铜合金同步环表面可形成5～80μm厚的镀层，其中纳米TiN的尺寸为20～80nm，且均匀分布于复合镀层中。其摩擦系数达到0.11～0.13之间，疲劳寿命高达30万次以上。
有益效果
(1)本发明通过预处理和预镀以及纳米硬质相的复合镀工艺在同步环表面形成一定厚度的Ni-P-纳米TiN复合改性层，可显著提高同步环的耐冲击性能、疲劳寿命至30万次以上，以及达到工程使用要求的摩擦系数0.11～0.13；
(2)本发明解决了铜合金同步环随换挡次数的增加，摩擦因数不断降低，不能同步导致过早失效寿命低等难点，该方法操作方便、设备简单、对操作者经验要求低、技术可靠、经济实用、可重复性好且质量稳定，可大幅度节省电能，可实现较好的经济效益。
附图说明
图1为实施例1进行20～30万次换挡的摩擦系数曲线图；其中μ2＝0.117为镀层同步工作状态所需的工程使用摩擦系数；μ1＝0.112为镀层初始同步之前的摩擦系数；μ3＝0.056为镀层同步工作结束的摩擦系数。
图2为本发明施镀槽的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
脱脂剂：
活化剂：
| 名称 | 工业盐酸 | 氢氟酸 | OP乳化剂 | 水 |
| 含量(wt.％) | 30 | 10 | 2 | 余量 |
氧化剂：
| 名称 | 氢氧化钠 | 高锰酸钾 | 水 |
| 含量(wt.％) | 1 | 0.5 | 余量 |
退膜剂：
| 名称 | 硫酸氧钛 | 磷酸 | 硝酸 | 水 |
| 含量(wt.％) | 0.5 | 2 | 1 | 余量 |
镀液A：
镀液B：
纳米TiN乳液：
备注：在篮式砂磨机中加入上述配方总质量40％、粒径为0.2mm的锆珠，转速为400-600转/分钟，砂磨4-6小时。
选取TL084铜合金同步环样件，首先对样件进行脱脂、活化、氧化、退膜等预处理，其中活化、氧化、退膜等过程重复三次，每次约4-8min。具体流程如下：脱脂→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗。
将水洗后的预处理样件装挂在配用的挂具上，迅速悬挂于镀液A：镀液B：蒸馏水以1:1:8的体积比兑好并搅匀的化学镀液中预镀0.5h，然后继续悬挂于加入8g/L的纳米TiN悬浊乳液的相同配比的化学镀液中再镀2h。施镀的主要工艺参数范围：镀液温度83℃，pH值为4.8，镀液的搅拌速度为200r/min。待施镀结束后取出冲洗吹干并于热处理炉内180℃保温8h。
其中，施镀槽包括高位槽、中位槽和低位槽。各个槽均配有搅拌机，转速为100～300r/min。
各个槽的功能：低位槽：为配料、调整、加温保温槽。高位槽：为加温保温槽。中位槽：为施镀、保温槽。
各个槽体结构：各槽体底部均有一个流量阀门，槽体底板与阀门轴线的垂直线呈45-30°夹角，有利于镀液的流动和纳米TiN在镀液中自然均匀分散。用PTFE泵将下位槽的纳米镀液提升到上位槽中，再由上位槽自流到中位槽中，中位槽的纳米镀液再自流到下位槽中。在施镀过程中，确保各槽的流量相等。
待保温结束后，在台架试验上测试样件换挡20～30万次的摩擦系数稳定在0.114，疲劳寿命显著提高，摩擦系数稳定且满足工程要求。
实施例2
脱脂剂：
活化剂：
| 名称 | 工业盐酸 | 氢氟酸 | OP乳化剂 | 水 |
| 含量(wt.％) | 45 | 15 | 5 | 余量 |
氧化剂：
| 名称 | 氢氧化钠 | 高锰酸钾 | 水 |
| 含量(wt.％) | 4 | 1.5 | 余量 |
退膜剂：
| 名称 | 硫酸氧钛 | 磷酸 | 硝酸 | 水 |
| 含量(wt.％) | 1.5 | 3 | 2 | 余量 |
镀液A：
镀液B：
纳米TiN乳液：
备注：在篮式砂磨机中加入上述配方总质量40％、粒径为0.2mm的锆珠，转速为400-600转/分钟，砂磨4-6小时。
选取TL084铜合金同步环样件，首先对样件进行脱脂、活化、氧化、退膜等预处理，其中活化、氧化、退膜等过程重复三次，每次约4-8min。具体流程如下：脱脂→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗→氧化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗。
将水洗后的预处理样件装挂在配用的挂具上，迅速悬挂于镀液A：镀液B：蒸馏水以1:1:8的体积比兑好并搅匀的化学镀液中预镀1h，然后继续悬挂于加入9g/L的纳米TiN悬浊乳液的相同配比的化学镀液中再镀4h。施镀的主要工艺参数范围：镀液温度86℃，pH值为5.8，镀液的搅拌速度为200r/min。待施镀结束后取出冲洗吹干并于热处理炉内250℃保温4h。
待保温结束后，在台架试验上测试样件换挡20～30万次的镀层同步工作状态摩擦系数稳定在0.11-0.12之间，疲劳寿命显著提高，摩擦系数稳定且满足工程要求。
Claims (9)
1.一种铜合金同步环的表面改性方法，包括：
预先对铜合金同步环进行预处理，然后放入化学镀液中预镀，再在加入3～10g/L纳米TiN乳液的化学镀液中进行纳米镀，最后取出冲洗吹干进行热处理，即可；其中，化学镀液为体积比1:1:5-10的镀液A、镀液B和蒸馏水。
2.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述预处理包括脱脂、活化、氧化、退膜。
3.根据权利要求2所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：
所述脱脂采用的脱脂剂的组成为：按质量百分比，OP乳化剂0.05-0.15％，磷酸酯表面活性剂2-3％，阴离子表面活性剂0.2-1，其余为水；
所述活化采用的活化剂的组成为：按质量百分比，工业盐酸30-45％，氢氟酸10-15％，OP乳化剂1-5％，其余为水；
所述氧化采用的氧化剂的组成为：按质量百分比，氢氧化钠1-4％，高锰酸钾0.5-1.5％，其余为水；
所述退膜采用的退膜剂的组成为：按质量百分比，硫酸氧钛0.5-1.5％，磷酸2-3.5％，硝酸1-2％，其余为水。
4.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述镀液A的组成为：按质量百分比，柠檬酸钠1-3％，乳酸0.3-1％，乙酸1-2％，硫酸镍20-25％，钨酸钠1-2％，谷氨酸钠0.01-0.02％，其余为去离子水；所述镀液B的组成为：按质量百分比，次亚磷酸钠18-25％，乳酸12-20％，乙酸8-10％，柠檬酸钠2-5％，谷氨酸钠0.3-0.6％，其余为去离子水。
5.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述纳米TiN乳液的组成为：按质量百分比，20-80nm的纳米TiN颗粒35-45％，分散剂10-16％，润湿剂0.5-1.5％，杀菌剂为0.1-0.3％，消泡剂为1-3％，其余为去离子水；配制时进行砂磨处理。
6.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述预镀和纳米镀的工艺参数为：镀液温度为85±5℃，pH值为3～6，镀液的搅拌速度为100～300r/min。
7.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述预镀时间为0.2h～2h；纳米镀时间为1h～5h。
8.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述纳米镀采用施镀槽：所述施镀槽依次包括高位槽、中位槽和低位槽，槽体底部均设置流量阀门，槽体底板与流量阀门轴线的垂直线呈45-30°夹角；所述低位槽、高位槽的槽体顶部设置有搅拌机和加温控制装置，中位槽顶部设置有保温控制装置；另外设置有泵，将低位槽底部镀液送回高位槽。
9.根据权利要求1所述的一种铜合金同步环的表面改性方法，其特征在于：所述热处理温度为150～300℃，热处理时间为2～12h。
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