專利名稱：一種金屬表面磨損自修復鍍層制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到一種金屬表面磨損自修復鍍層制備和零件修復工藝，屬于材料表面工程技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
磨損是機械零件失效的主要原因之一，世界上每年由于磨損造成的損失十分巨大。在材料表面工程領域，國內(nèi)外在提高摩擦副壽命的研究主要集中在兩方面一是改善鋼制零件表面微觀結(jié)構(gòu)或成分；二是通過添加潤滑劑或潤滑油，或是在摩擦副表面生成固體潤滑膜。實現(xiàn)機械零件摩擦磨損自修復是材料學和摩擦學設計的重要目標。
金屬磨損自修復技術(shù)是20世紀70年代由前蘇聯(lián)學者提出的，上世紀末該技術(shù)被引進我國并在工程實驗應用中取得了明顯效果，是一項全新的表面工程和綠色再制造技術(shù)。
所謂的金屬磨損自修復技術(shù)是指采用金屬或非金屬細小顆粒添加到油品和潤滑脂中使用，在摩擦磨損條件下可以在機械零件表面上生成自修復保護膜層。其中引起廣泛關(guān)注的自修復材料是主要成分為蛇紋石(羥基硅酸鎂)為主的多種復雜組分構(gòu)成的潤滑油添加劑，因為自修復實際上是一種條件自修復，與摩擦副相對運動和潤滑材料密切相關(guān)。潤滑介質(zhì)中的礦物顆粒和金屬表面是否發(fā)生具有自修復作用的置換反應取決于摩擦過程中多種過程和條件，因此出現(xiàn)其應用的實際效果不夠穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外該技術(shù)受摩擦副形狀和摩擦條件的限制，應用面是有限的。而利用含有自修復礦物成分的復合材料來改善鋼制零件表面成分，并實現(xiàn)磨損自修復的技術(shù)則未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種具備磨損自修復功能的金屬表面復合鍍層材料，使得金屬零件在運行中能夠?qū)崿F(xiàn)磨損自修復，顯著延長零件的使用壽命，同時能夠顯著降低摩擦副之間的摩擦系數(shù)的金屬表面磨損自修復鍍層制備方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是，將自修復礦物添加劑直接加入金屬基體，使得礦物顆粒在基體中以復合物形態(tài)存在，確保在摩擦磨損過程中，微凸體接觸時產(chǎn)生的閃溫，使顆粒相中的鎂原子與金屬基體中的鐵原子發(fā)生均勻的置換反應，最終在摩擦表面生成具有自修復作用的陶瓷層。
采用超高頻脈沖電鍍方法，在金屬零件表面獲得鐵及其合金與羥基硅酸鎂等微礦物顆粒構(gòu)成的復合鍍層。該復合鍍層表面在摩擦過程中，礦物顆粒材料粉碎并與摩擦面上的鐵基金屬產(chǎn)生置換反應，能持續(xù)生成致密的鐵基硅酸鹽金屬陶瓷層并能部分或全部恢復磨損部位尺寸，在零件運行動態(tài)過程中完成磨損部位的自修復，顯著延長零件的使用壽命。表面鍍層磨損率較基體降低15％以上。同時，摩擦表面硬度和光潔度提高，摩擦系數(shù)大幅度降低。
本發(fā)明的技術(shù)原理是，蛇紋石，即羥基硅酸鎂，屬1∶1型三八面體層狀含水硅酸鹽，理想分子式為Mg3(Si2O5)(OH)4，結(jié)晶構(gòu)造式為3MgO·2SiO2·2H2O，其中結(jié)構(gòu)水主要以羥基的形式存在于晶體結(jié)構(gòu)單元層的八面體片中。蛇紋石具有很高的活性，主要是蛇紋石存在許多活性基團，即O-Si-O鍵、Si-O-Si鍵、含鎂鍵類、羥基和氫鍵。特別是O-Si-O鍵，該鍵在高溫時易發(fā)生斷裂。氧與硅的共價鍵斷裂后，能夠產(chǎn)生出兩種氧O*-和O，*表示有1個未偶電子，與金屬易形成共價鍵型的高氧化態(tài)氧化物陶瓷結(jié)構(gòu)。
在材料摩擦過程中，以羥基硅酸鎂為主的復雜無機礦石組合物能夠從復合材料中釋放出來，在摩擦力作用下粉碎并均勻分布于鐵質(zhì)基體表面，與基體鐵基金屬充分均勻接觸。同時，在摩擦磨損過程中，微凸體發(fā)生斷裂時產(chǎn)生的閃溫，使微粒晶體中的鎂原子與金屬表層的鐵原子發(fā)生置換反應，在摩擦表面生成鐵硅酸鹽新晶體。在摩擦能的作用下，新晶體在摩擦表面不斷增加，最終形成了與鐵基金屬成化學鍵結(jié)合的耐磨保護層。
這些硅酸鹽物質(zhì)在高溫高壓下在金屬材料表面形成晶體，由于蛇紋石及其轉(zhuǎn)換產(chǎn)物都為層狀結(jié)構(gòu)，在應力作用下層間易發(fā)生錯動，因此摩擦系數(shù)很小，大大降低了摩擦副之間的摩擦磨損。
表面層的厚度并不是線性增長，保護層的生成速度和厚度與摩擦釋放的能量及礦物顆粒釋放的數(shù)量成正比，而是自動調(diào)節(jié)的當磨損發(fā)生時，摩擦能增高，礦物材料和摩擦副表面發(fā)生的一系列復雜的反應開始進行，保護膜層同時開始生長；而當磨痕獲得修復時，金屬間釋放的摩擦能降低，礦物材料和摩擦副表面的一系列反應就會停止，保護膜層也就不再增厚。因此，修復劑微粒發(fā)生化學反映生成保護層的部位是有選擇性的，它只在金屬磨損的部位上發(fā)生。
本發(fā)明的技術(shù)特點是，自修復實際上是一種條件自修復，它與摩擦副相對運動和潤滑材料密切相關(guān)。采用羥基硅酸鎂顆粒作為潤滑油添加劑的表面成膜過程包括(1)自修復材料在金屬表面物理吸附；(2)自修復材料在金屬表面化學吸附；(3)自修復材料在金屬表面成膜及表面均勻化。
而采用具有羥基硅酸鎂為主的復合材料，在摩擦過程中羥基硅酸鎂礦物相將直接承受表面微凸體的擠壓和滑擦作用形成的高壓，礦物顆粒材料被剪切和粉碎，與基體鐵基金屬充分均勻接觸；同時由于表面接觸和摩擦產(chǎn)生的閃溫，使得羥基硅酸鎂礦物與摩擦面上的鐵基金屬產(chǎn)生熱化學和力化學置換反應，形成相對于目前技術(shù)更加穩(wěn)定和均勻的鐵硅酸鹽陶瓷層。
制備具有羥基硅酸鎂為主的復合相是本發(fā)明的關(guān)鍵，采用普通的冶煉制備基體，或采用熱噴涂或堆焊形成的表面涂層，在工藝中的高溫會促使羥基硅酸鎂分解，蛇紋石在常壓下650～800℃溫度區(qū)間，羥基逐漸脫失，，降低基體本身的機械性能，并且無法起到表面摩擦磨損自修復的作用。本研究中選用復合電鍍技術(shù)制備具有自修復作用的表面鍍層，制備過程在常溫條件下進行，確保了羥基硅酸鎂顆粒沒有發(fā)生相變，鍍層的基體為鐵基合金，復合材料為羥基硅酸鎂顆粒。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置，由高頻直流脈沖電鍍電源1、電壓表2、電流表3、機械攪拌器4、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5、電鍍槽6、陽極7、陰極8、加熱管9和加熱恒溫裝置10構(gòu)成。高頻直流脈沖電鍍電源1參數(shù)是120～30V、20 kHz、能夠周期換向；高頻直流脈沖電鍍電源1的正極經(jīng)過電流表3與陽極7連接，陽極7是鐵陽極，高頻直流脈沖電鍍電源1的負極與陰極8連接，陰極8是工件，高頻直流脈沖電鍍電源1的正負極間連接有電壓表2，機械攪拌器4與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5連接，陽極7、陰極8和機械攪拌器4置于電鍍槽6內(nèi)，電鍍槽6內(nèi)的加熱管9與加熱恒溫裝置10連接。
一種金屬表面磨損自修復鍍層制備方法，(1)制備微礦物粉體材料在本發(fā)明中采用機械球磨粉碎制備微礦物顆粒，所制備的礦物顆粒直徑尺寸范圍在0.01～10μm，表面采用堿處理、酸處理和表面活性劑處理工藝。
(2)配制復合電鍍液根據(jù)不同零件表面對電鍍層基體材料的要求，本發(fā)明研制出鐵、鐵-磷合金、鐵-鎳合金、鐵-錳合金、鐵-鉻合金以及以上元素構(gòu)成的三元合金與微礦物顆粒構(gòu)成的復合電鍍液。其中三種鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方和工藝參數(shù)如下表1 鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方

(3)制備工藝參數(shù)和條件電鍍的工藝流程為零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期換向活化→周期換向起鍍→過渡鍍→脈沖直流鍍→水洗→中和→水洗→干燥。
電鍍工藝中采用周期換向方法提高鍍層和基體的結(jié)合強度，活化正負換向時間比為2～4∶5，為3～5min；起鍍正負換向時間比為4～6∶5，為5～10min。
采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內(nèi)應力并保持沉積顆粒材料均勻性，脈沖直流鍍的頻率為2～20kHz。
采用適當機械攪拌提高鍍液中顆粒懸浮特性，電鍍陽極板采用鐵陽極。采用加熱恒溫裝置嚴格控制電鍍液溫度控制范圍，以保證鍍層質(zhì)量。
本發(fā)明所達到的有益效果是(1)所制備的具有摩擦磨損自修復特性零件的耐磨性大幅度增加，表面鍍層磨損率較基體降低15％以上，零件使用壽命大幅度增加。
(2)所制備的具有摩擦磨損自修復特性零件摩擦后的表面硬度可以達到HV4500～6500。
(3)摩擦后零件表面鍍層粗糙度可以小于Ra0.1。
(4)摩擦后零件組成的摩擦副摩擦系數(shù)(干摩擦條件下)可以小于0.01。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的自修復復合鍍層的電鍍系統(tǒng)配置圖。
圖中，1.高頻直流脈沖電鍍電源，2.電壓表，3.電流表，4.機械攪拌器，5.攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱，6.電鍍槽，7.陽極(鐵陽極)，8.陰極(工件)，9.加熱管，10.加熱恒溫裝置。
具體實施例方式
一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置，由高頻直流脈沖電鍍電源1、電壓表2、電流表3、機械攪拌器4、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5、電鍍槽6、陽極7、陰極8、加熱管9和加熱恒溫裝置10構(gòu)成。高頻直流脈沖電鍍電源1參數(shù)是120～30V、20kHz、能夠周期換向；高頻直流脈沖電鍍電源1的正極經(jīng)過電流表3與陽極7連接，高頻直流脈沖電鍍電源1的負極與陰極8連接，高頻直流脈沖電鍍電源1的正負極間連接有電壓表2，機械攪拌器4與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5連接，陽極7、陰極8和機械攪拌器4置于電鍍槽6內(nèi)，電鍍槽6內(nèi)的加熱管9與加熱恒溫裝置10連接。
一種金屬表面磨損自修復鍍層制備方法，(1)制備微礦物粉體材料在本發(fā)明中采用機械球磨粉碎制備微礦物顆粒，所制備的礦物顆粒直徑尺寸范圍在0.01～10μm，表面采用堿處理、酸處理和表面活性劑處理工藝。
(2)配制復合電鍍液根據(jù)不同零件表面對電鍍層基體材料的要求，本發(fā)明研制出鐵、鐵-磷合金、鐵-鎳合金、鐵-錳合金、鐵-鉻合金以及以上元素構(gòu)成的三元合金與微礦物顆粒構(gòu)成的復合電鍍液。其中三種鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方和工藝參數(shù)如下表1鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方


(3)制備工藝參數(shù)和條件電鍍的工藝流程為零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期換向活化→周期換向起鍍→過渡鍍→脈沖直流鍍→水洗→中和→水洗→干燥。
電鍍工藝中采用周期換向方法提高鍍層和基體的結(jié)合強度，活化正負換向時間比為4∶5；起鍍正負換向時間比為6∶5。
采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內(nèi)應力并保持沉積顆粒材料均勻性，脈沖直流鍍的頻率為10kHz。
采用適當機械攪拌提高鍍液中顆粒懸浮特性，電鍍陽極板采用鐵陽極。采用加熱恒溫裝置嚴格控制電鍍液溫度控制范圍，以保證鍍層質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置，其特征在于，由高頻直流脈沖電鍍電源(1)、電壓表(2)、電流表(3)、機械攪拌器(4)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱(5)、電鍍槽(6)、陽極(7)、陰極(8)、加熱管(9)和加熱恒溫裝置(10)構(gòu)成；高頻直流脈沖電鍍電源(1)參數(shù)是120～30V、20kHz、能夠周期換向；高頻直流脈沖電鍍電源(1)的正極經(jīng)過電流表(3)與陽極(7)連接，陽極(7)是鐵陽極，高頻直流脈沖電鍍電源(1)的負極與陰極(8)連接，陰極(8)是工件，高頻直流脈沖電鍍電源(1)的正負極間連接有電壓表(2)，機械攪拌器(4)與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱(5)連接，陽極(7)、陰極(8)和機械攪拌器(4)置于電鍍槽(6)內(nèi)，電鍍槽(6)內(nèi)的加熱管(9)與加熱恒溫裝置(10)連接。
2.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置進行金屬表面磨損自修復鍍層制備的方法，其特征在于，(1)制備微礦物粉體材料在本發(fā)明中采用機械球磨粉碎制備微礦物顆粒，所制備的礦物顆粒直徑尺寸范圍在0.01～10μm，表面采用堿處理、酸處理和表面活性劑處理工藝；(2)配制復合電鍍液根據(jù)不同零件表面對電鍍層基體材料的要求，本發(fā)明研制出鐵、鐵-磷合金、鐵-鎳合金、鐵-錳合金、鐵-鉻合金以及以上元素構(gòu)成的三元合金與微礦物顆粒構(gòu)成的復合電鍍液；其中三種鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方和工藝參數(shù)如下表1 鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方
(3)制備工藝參數(shù)和條件電鍍的工藝流程為零件表面打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→周期換向活化→周期換向起鍍→過渡鍍→脈沖直流鍍→水洗→中和→水洗→干燥；電鍍工藝中采用周期換向方法提高鍍層和基體的結(jié)合強度，活化正負換向時間比為2～4∶5，為3～5min；起鍍正負換向時間比為4～6∶5，為5～10min；采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內(nèi)應力并保持沉積顆粒材料均勻性，脈沖直流鍍的頻率為2～20kHz。
全文摘要
一種金屬表面磨損自修復鍍層制備方法和裝置屬于材料表面工程技術(shù)領域。本發(fā)明采用超高頻脈沖電鍍方法，在金屬零件表面獲得鐵及其合金與羥基硅酸鎂等微礦物顆粒構(gòu)成的復合鍍層。該復合鍍層表面在摩擦過程中，礦物顆粒材料粉碎并與摩擦面上的鐵基金屬產(chǎn)生置換反應，能持續(xù)生成致密的鐵基硅酸鹽金屬陶瓷層并能部分或全部恢復磨損部位尺寸，在零件運行動態(tài)過程中完成磨損部位的自修復，顯著延長零件的使用壽命。表面鍍層磨損率較基體降低15％以上。同時，摩擦表面硬度和光潔度提高，摩擦系數(shù)大幅度降低。主要適用于金屬磨損自修復領域。
文檔編號C25D5/18GK101092733SQ20071001189
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者嚴志軍, 朱新河, 高玉周, 程東, 劉一梅, 徐久軍 申請人:大連海事大學