CN111826694A - 一种运动联接部位用增摩镀层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运动联接部位用增摩镀层，该增摩镀层由与基体表面相结合的镍过渡层以及设在所述镍过渡层上固定陶瓷颗粒的镍磷复合镀层组成；所述镍磷复合镀层中磷含量为7~9 wt.%；所述陶瓷颗粒的平均分布密度为5~20%；所述镍过渡层与所述基体表面的结合强度≥50N。同时，本发明还公开了该增摩镀层的制备方法。本发明可有效提高联接部件间的摩擦力，并增强接触面间承载强度。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计联接部件表面处理技术领域，尤其涉及一种运动联接部位用增摩镀层及其制备方法。
背景技术
大功率水冷加强型柴油发动机已被广泛应用于坦克、战车、船舶、工程车辆、铁路工程机械、石油设备、电站等方面。而柴油发动机内的动力传动装置中的曲轴与滑动轴承、变速器中的齿轮与轴、涡轮的齿圈与轮心、减速器中的齿轮与轴等关键制动及传动部件间联接均属于摩擦联接，依靠联接中啮合面间的摩擦来传递扭矩或横向力，相互接触零件之间必须不能发生相对滑移或沿啮合面方向移动，方能使柴油机功率高效输出。一般采用高强度螺栓、螺钉、螺母或铆钉等紧固件使得这些摩擦联接处于紧固状态，如柴油机中飞轮螺栓螺纹尺寸为M16×1.5和曲轴螺栓孔深度为17.8mm，不计算倒角部分螺栓装配拧紧时的有效螺纹最小只有14.9mm，并且钢/钢之间的静摩擦系数一般为0.07~0.2，很显然单纯依靠螺栓性能是无法保证联接部件间横向力和扭矩高效传送，更存在相对旋转及螺栓断裂的情况，无法适应现代柴油机机械设计紧凑化、轻量化、功率输出密集化的技术发展需求。
为了保证螺栓使役安全可靠，必须增加曲轴、齿轮、飞轮等动力传动装置联接之间的摩擦力和避免联接面发生相互滑移，更考虑到柴油机诸如曲轴的空间有限，使用具有增摩效果的垫圈、法兰等则是解决螺栓问题的唯一切实可行方案。根据固体间产生摩擦的机械啮合及粘着摩擦理论，通过增加上述联接部件表面的摩擦力以发挥联接部件间机械互锁功效和避免发生相互滑移，在诸如垫圈、法兰联接、中心螺栓联接及螺旋键等紧固件表面镀覆高摩擦力的涂层则为解决摩擦联接面高可靠联接提供了简单而实用的技术途径。即在联接部件表面镀覆一层包含有微细硬质颗粒的金属粘结层可使得部件间摩擦传递力矩加倍，甚至在动载荷下传递扭矩及横向力更大。
国内引进柴油机使用的增摩片一直依赖于进口，增摩技术均为美国、德国等知名发动机配件企业所掌握（US2879092、US20070140785、US2008/0247817、WO2010118747 A1及WO2007/131744 A2），而国内柴油机企业对联接部件增摩技术尚处于探索阶段。根据国外相关专利及研究资料显示，增摩技术核心主要分两部分：① 制备涂层的工艺可在金属表面上形成较为粗糙的表面形态；② 制备涂层的材料必须具有较高的剪切强度和较低的受压屈服极限。人们曾通过蒸镀、溅射、热喷涂、烧结、氮化等方式在机械联接部位加入或原位生成硬质颗粒，使得联接部件表面镀覆一层含有硬质颗粒的镀层或是通过部件强化处理提高其机械硬度来增大联接部件间的摩擦力，但存在部件增摩效果低及传递功效低和操作复杂性的缺点。
美国ESK公司采用简单化学镀技术在法兰、螺钉、螺栓、支撑件等联接零件表面上镀覆了Ni-金刚石涂层则克服了前述处理方式的复杂性，使得配副间静摩擦系数提高到0.7甚至更高，从而为柴油机机械设计紧凑化和轻量化设计提供了一个可行的方案，然而化学沉积镀层的膜基结合强度较差，严重制约着联接部件使用寿命。因此，从柴油机增摩片国产化需求迫切性及国外增摩技术垄断角度出发，为了保证柴油机动力传动装置用联接部件高效传递扭矩及横向力，解决螺栓断裂问题和避免摩擦联接部件间发生相对滑移，亟需自主发展柴油机动力传动装置用联接部件表面增摩技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有效提高联接部件间的摩擦力和增强接触面间承载强度的运动联接部位用增摩镀层。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该运动联接部位用增摩镀层的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：该增摩镀层由与基体表面相结合的镍过渡层以及设在所述镍过渡层上固定陶瓷颗粒的镍磷复合镀层组成；所述镍磷复合镀层中磷含量为7~9 wt.%；所述陶瓷颗粒的平均分布密度为5~20%；所述镍过渡层与所述基体表面的结合强度≥50N。
所述基体是指铁基材质或铝基材质的摩擦联接部件。
所述镍过渡层的厚度为1~3μm。
所述陶瓷颗粒是指氮化硅、氮化硼、碳化硅、金刚石、三氧化二铝微粉中的一种，以及两种或两种以上这些陶瓷微粉的混合物，该陶瓷微粉粒度为0.5~20μm。
所述镍磷复合镀层的厚度为5~20μm。
所述增摩镀层显微硬度≥500MPa。
如上所述的一种运动联接部位用增摩镀层的制备方法，其特征在于：首先将清洗处理后的基体通过阴极夹具放入槽液A中，在阴极电流密度为10~20A/dm2的条件下电镀2~3min，即得厚度为1~3μm的镍过渡层；然后将所述镍过渡层转入槽液B中，在阴极电流密度为2~6A/dm2、镀液搅拌方式为空气鼓泡的条件下电镀25~40min，即得厚度为5~20μm的镍磷复合镀层。
所述槽液A由硫酸镍200~300g/L、硼酸35~45g/L、氯化镍35~45g/L和十二烷基磺酸钠0.02~0.06 g/L组成。
所述槽液B由硫酸镍200~300g/L、氯化镍10~40g/L、硼酸35~45g/L、次亚磷酸钠为2~4 g/L、陶瓷颗粒30~60g/L、烯丙基磺酸钠0.5~4g/L、糖精0.5~2.5g/L、丁炔二醇0.01~0.15g/L和十二烷基苯磺酸钠0.02~0.06g/L组成。
所述镀液搅拌为机械搅拌或空气搅拌，且搅拌速度从300rpm上调至800rpm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用电沉积复合镀技术，在柴油机用钢质部件基材表面采用硬度及韧性好的Ni-P合金镀层作为粘结相，将诸如金刚石、氮化硅、氧化铝等陶瓷颗粒镶嵌在镀层中，最终获得高结合强度、镀层均匀平整、镀层表面金刚石平均分布的Ni-P增摩涂层，实现柴油机制动及传动系统用联接部件高效传递扭矩及横向力，提高柴油机高功率输出。
2、本发明可将高机械性能的镍磷复合镀层将陶瓷颗粒有效固结在镍过渡层表面，通过凸出陶瓷颗粒压入配副发挥其微尺寸机械互锁作用，可加倍提高摩擦联接部件间的摩擦力和增强螺栓承载强度，有效避免螺栓断裂发生及联接间相对滑移，同时可有效防止金属基材被磨损及腐蚀，对提高柴油机动力传动装置摩擦联接部件的高功率输出、设计紧凑化和轻量化提供了有效的技术途径。
3、对本发明所得镀层采用扫描电子显微镜及其EDS评价其表面形貌及其成分组成，可以发现：陶瓷颗粒均匀分散且镶嵌在镍磷镀层中，镍磷镀层表面陶瓷颗粒面积占有率为5~10%，镀层中磷含量为7~9wt.%，见图1~2；采用MH-5-VM显微硬度仪评价镍磷增摩涂层显微硬度，加载50g，停留10s，涂层的显微硬度为HV600~800 MPa。
4、对本发明所得镀层采用14FW往复摩擦试验机评价其动、静摩擦系数，测试条件为：载荷为5N，滑动距离为10mm，滑动速度为50mm/min，室温条件（RH% =14~20），摩擦副为GCr15钢球。测试结果显示：镍磷增摩镀层镀覆后的铁质基材静摩擦系数高达0.75，动摩擦系数为0.613，见图3所示。相对于未涂覆部件，涂覆镍磷增摩镀层后的摩擦联接部件静摩擦系数加倍提高。
5、从技术实施简便性及成本方面来讲，本发明所采用的电沉积复合镀层结合强度远高于化学镀涂层，而且电沉积复合镀技术具有镀液稳定易控制、沉积温度低、沉积速度快及涂层厚度面可控等优势，可拓展应用于电站、铁路工程、工程车辆及民用汽车柴油机的法兰、紧固件、螺栓、垫圈等关键零部件上。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明镍磷增摩涂层的成分组成。
图2为本发明镍磷增摩涂层的表面形貌。
图3为本发明镍磷增摩涂层的摩擦系数曲线。
具体实施方式
一种运动联接部位用增摩镀层，该增摩镀层由与基体表面相结合的镍过渡层以及设在镍过渡层上固定陶瓷颗粒的镍磷复合镀层组成；镍磷复合镀层中磷含量为7~9 wt.%；陶瓷颗粒的平均分布密度为5~20%；镍过渡层与基体表面的结合强度≥50N。
其中：基体是指铁基材质或铝基材质（钛合金或铝合金）的摩擦联接部件。摩擦联接部件为摩擦片、法兰、紧固件、螺栓、垫圈等。
镍过渡层的厚度为1~3μm。
陶瓷颗粒是指氮化硅、氮化硼、碳化硅、金刚石、三氧化二铝微粉中的一种，以及两种或两种以上这些陶瓷微粉的混合物，该陶瓷微粉粒度为0.5~20μm。
镍磷复合镀层的厚度为5~20μm。
增摩镀层显微硬度≥500MPa。
该运动联接部位用增摩镀层的制备方法：首先将通过超声碱洗除油、超声酸洗除锈出光处理后的基体通过阴极夹具放入槽液A中，在阴极电流密度为10~20A/dm2的条件下电镀2~3min，即得厚度为1~3μm的镍过渡层。槽液A由硫酸镍200~300g/L、硼酸35~45g/L、氯化镍35~45g/L和十二烷基磺酸钠0.02~0.06 g/L组成。
然后将镍过渡层转入槽液B中，在阴极电流密度为2~6A/dm2、镀液搅拌方式为空气鼓泡的条件下电镀25~40min，即得厚度为5~20μm的镍磷复合镀层。槽液B由硫酸镍200~300g/L、氯化镍10~40g/L、硼酸35~45g/L、次亚磷酸钠为2~4 g/L、陶瓷颗粒30~60g/L、烯丙基磺酸钠0.5~4g/L、糖精0.5~2.5g/L、丁炔二醇0.01~0.15g/L和十二烷基苯磺酸钠0.02~0.06g/L组成。镀液搅拌为机械搅拌或空气搅拌，且搅拌速度从300rpm上调至800rpm。
由于基体本身所具有的化学成分存在差异，因此，在具体应用时可根据化学成分来相应地调整槽液A和槽液B的具体用量，以满足最终产品的性能要求。
实施例1
工件为车用铝质垫片（尺寸为33×12×2mm3的立方块），其化学成分（质量分数）为23.60 % Si、0.70% Fe、0.15~0.40% Cu、0.15% Mn、0.80~1.20% Mg、0.04~0.35% Cr、0.25%Zn、0.15% Ti，其余为Al。铝质垫片表面涂覆镍磷增摩镀层处理技术操作步骤为：
⑴铝质垫片镀前预处理：
将铝质垫片在丙酮溶液中超声清洗20 min，风干后转入碱洗液清洗除油（碳酸钠30g/L，磷酸钠50g/L），在70℃下处理5 min，温水超声清洗和风干，铝质垫片表面呈暗灰色；然后将除油后的铝质垫片在体积比1：3的氢氟酸和硝酸混合溶液中酸洗出光处理5s，在纯温水中超声清洗5min。
⑵冲击预镀Ni过渡层：
将清洗后铝质垫片通过阴极夹具放入装有硫酸镍200g/L、氯化镍40g/L、硼酸35g/L及十二烷基磺酸钠0.03 g/L的槽液A中，阴极电流密度为15A/dm2，在2 min时间内，获得2~3μm厚Ni过渡层。
⑶施镀镍磷增摩镀层：
将镀有Ni过渡层的铝质垫片转入装有硫酸镍200g/L、氯化镍40g/L、硼酸35g/L、次亚磷酸钠为2~4 g/L、金刚石颗粒4g/L（粒径为5μm）及烯丙基磺酸钠2 g/L、糖精1 g/L、丁炔二醇0.02 g/L和十二烷基苯磺酸钠0.04 g/L的槽液B中，在20min电镀时间内，阴极电流密度为2A/dm2，镀液搅拌方式为空气鼓泡，获得6~7μm厚Ni-P/金刚石复合镀层，其中镀层表面金刚石颗粒分布密度为2~3%，静摩擦系数为0.75。
实施例2
工件为车用弹簧钢垫片（尺寸为24×24×2mm3的立方块），其化学成分（质量分数）为0.26~0.34% C、0.17~0.37% Si、≤0.40% Mn、2.00~2.50% Cr、4.0~4.5% W、0.50~0.80% V，其余为Fe。弹簧钢垫片表面涂覆镍磷增摩镀层处理技术操作步骤为：
⑴对弹簧钢垫片进行施镀前清洗处理的方法同实施例1。
⑵冲击预镀Ni过渡层：
将清洗后弹簧钢垫片通过阴极夹具放入装有硫酸镍250g/L、氯化镍40g/L、硼酸40g/L及十二烷基磺酸钠0.04 g/L的槽液A中，阴极电流密度为20A/dm2，在2 min时间内，获得1~2μm厚Ni过渡层。
⑶施镀镍磷增摩镀层：
将镀有Ni过渡层的弹簧钢垫片转入装有硫酸镍200g/L、氯化镍40g/L、硼酸35g/L、次亚磷酸钠为2~4 g/L、金刚石颗粒4g/L（粒径为10μm）及烯丙基磺酸钠1.5 g/L、糖精0.8 g/L、丁炔二醇0.04 g/L和十二烷基苯磺酸钠0.02 g/L的槽液B中，在15min电镀时间内，阴极电流密度为2~6 A/dm2，镀液搅拌方式为空气鼓泡，获得7μm厚Ni-P/金刚石复合镀层，其中镀层表面金刚石颗粒分布密度为10%，静摩擦系数为0.70。
实施例3
工件为车用弹簧钢垫片（尺寸为24×24×2mm3的立方块），其化学成分（质量分数）为0.26~0.34% C、0.17~0.37% Si、≤0.40% Mn、2.00~2.50% Cr、4.0~4.5% W、0.50~0.80% V，其余为Fe。弹簧钢垫片表面涂覆镍磷增摩镀层处理技术操作步骤为：
⑴对弹簧钢垫片进行施镀前清洗处理的方法同实施例1。
⑵冲击预镀Ni过渡层的方法同实施例2，并获得1~2μm厚Ni过渡层。
⑶施镀镍磷增摩镀层的方法及槽液B的基础配方同实施例2，并分别选择粒径5μm、10μm和15μm的金刚石微粒，使得不同粒径的金刚石颗粒分散到相同的槽液B配方中，此时金刚石微粒浓度为4g/L，所得镀层厚度依次分别为2~4μm、5~7μm和10~12μmNi-P/金刚石复合镀层，静摩擦系数分别为0.45、0.65和0.85。
Claims (10)
1.一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：该增摩镀层由与基体表面相结合的镍过渡层以及设在所述镍过渡层上固定陶瓷颗粒的镍磷复合镀层组成；所述镍磷复合镀层中磷含量为7~9 wt.%；所述陶瓷颗粒的平均分布密度为5~20%；所述镍过渡层与所述基体表面的结合强度≥50N。
2.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：所述基体是指铁基材质或铝基材质的摩擦联接部件。
3.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：所述镍过渡层的厚度为1~3μm。
4.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：所述陶瓷颗粒是指氮化硅、氮化硼、碳化硅、金刚石、三氧化二铝微粉中的一种，以及两种或两种以上这些陶瓷微粉的混合物，该陶瓷微粉粒度为0.5~20μm。
5.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：所述镍磷复合镀层的厚度为5~20μm。
6.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层，其特征在于：所述增摩镀层显微硬度≥500MPa。
7.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层的制备方法，其特征在于：首先将清洗处理后的基体通过阴极夹具放入槽液A中，在阴极电流密度为10~20A/dm2的条件下电镀2~3min，即得厚度为1~3μm的镍过渡层；然后将所述镍过渡层转入槽液B中，在阴极电流密度为2~6A/dm2、镀液搅拌方式为空气鼓泡的条件下电镀25~40min，即得厚度为5~20μm的镍磷复合镀层。
8.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层的制备方法，其特征在于：所述槽液A由硫酸镍200~300g/L、硼酸35~45g/L、氯化镍35~45g/L和十二烷基磺酸钠0.02~0.06 g/L组成。
9.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层的制备方法，其特征在于：所述槽液B由硫酸镍200~300g/L、氯化镍10~40g/L、硼酸35~45g/L、次亚磷酸钠为2~4 g/L、陶瓷颗粒30~60g/L、烯丙基磺酸钠0.5~4g/L、糖精0.5~2.5g/L、丁炔二醇0.01~0.15g/L和十二烷基苯磺酸钠0.02~0.06g/L组成。
10.如权利要求1所述的一种运动联接部位用增摩镀层的制备方法，其特征在于：所述镀液搅拌为机械搅拌或空气搅拌，且搅拌速度从300rpm上调至800rpm。
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