專利名稱：：一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型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
技術領域：
。技術背景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構或成分；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是20世紀70年代由前蘇聯學者提出的，上世紀末該技術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。所謂的金屬磨損自修復技術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。潤滑介質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，因此出現其應用的實際效果不夠穩(wěn)定的現象。另外該技術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，并實現磨損自修復的技術則未見報道。
發(fā)明內容本實用新型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實現磨損自修復，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的金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置。本實用新型的技術構思是，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，摩擦系數大幅度降低。本實用新型的技術原理是，蛇紋石，即羥基硅酸鎂，屬l:l型三八面體層狀含水硅酸鹽，理想分子式為Mg3(Si205)(OH)4，結晶構造式為3MgO2Si(V2H20，其中結構水主要以羥基的形式存在于晶體結構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)氧化物陶瓷結構。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合的耐磨保護層。這些硅酸鹽物質在高溫高壓下在金屬材料表面形成晶體，由于蛇紋石及其轉換產物都為層狀結構，在應力作用下層間易發(fā)生錯動，因此摩擦系數很小，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量成正比，而是自動調節(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。本實用新型的技術特點是，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。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生的閃溫，使得羥基硅酸鎂礦物與摩擦面上的鐵基金屬產生熱化學和力化學置換反應，形成相對于目前技術更加穩(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實用新型的關鍵，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65080(TC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，復合材料為經基硅酸鎂顆粒。本實用新型的技術解決方案是，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l、電壓表2、電流表3、機械攪拌器4、攪拌器轉速控制箱5、電鍍槽6、陽極7、陰極8、加熱管9和加熱恒溫裝置10構成。高頻直流脈沖電鍍電源1參數是120~30V、20kHz、能夠周期換向；高頻直流脈沖電鍍電源l的正極經過電流表3與陽極7連接，陽極7是鐵陽極，高頻直流脈沖電鍍電源l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l的正負極間連接有電壓表2，機械攪拌器4與攪拌器轉速控制箱5連接，陽極7、陰極8和機械攪拌器4置于電鍍槽6內，電鍍槽6內的加熱管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實用新型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0.01-10pm，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不同零件表面對電鍍層基體材料的要求，本實用新型研制出鐵、鐵-磷合金、鐵-鎳合金、鐵-錳合金、鐵-鉻合金以及以上元素構成的三元合金與微礦物顆粒構成的復合電鍍液。其中三種鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方和工藝參數如下表l鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方成分和參數配方1配方2配方3氯化鐵g/L40040硫酸亞鐵g/L240250氯化鈣g/L300氯化銨g/L20微礦物顆粒g/L120120120PH1.21.82.83.53.55.5T/°C157015701570Dk/Adm228410210(3)制備工藝參數和條件: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合強度，活化正負換向時間比為24:5，為35min;起鍍正負換向時間比為46:5,為510min。采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內應力并保持沉積顆粒材料均勻性，脈沖直流鍍的頻率為220kHz。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，以保證鍍層質量。本實用新型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HV45006500。(3)摩擦后零件表面鍍層粗糙度可以小于RaO.l。(4)摩擦后零件組成的摩擦副摩擦系數(千摩擦條件下)可以小于O.Ol。以下結合附圖和具體實施方式對本實用新型進一步說明。圖l是本實用新型的自修復復合鍍層的電鍍系統(tǒng)配置圖。圖中，l.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.攪拌器轉速控制箱，6.電鍍槽，7.陽極(鐵陽極)，8.陰極(工件)，9.加熱管，IO.加熱恒溫裝置。具體實施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l、電壓表2、電流表3、機械攪拌器4、攪拌器轉速控制箱5、電鍍槽6、陽極7、陰極8、加熱管9和加熱恒溫裝置10構成。高頻直流脈沖電鍍電源1參數是120~30V、20kHz、能夠周期換向；高頻直流脈沖電鍍電源l的正極經過電流表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，電鍍槽6內的加熱管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實用新型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0.01~10pm，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不同零件表面對電鍍層基體材料的要求，本實用新型研制出鐵、鐵-磷合金、鐵-鎳合金、鐵-錳合金、鐵-鉻合金以及以上元素構成的三元合金與微礦物顆粒構成的復合電鍍液。其中三種鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方和工藝參數如下-表l鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>氯化鈣g/L300氯化銨g/L20微礦物顆粒g/L120120120pH1.21.82.83.53.55.5T/。C157015701570Dk/Adm228410210(3)制備工藝參數和條件-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—千燥。電鍍工藝中采用周期換向方法提高鍍層和基體的結合強度，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，電鍍陽極板釆用鐵陽極。釆用加熱恒溫裝置嚴格控制電鍍液溫度控制范圍，以保證鍍層質量。權利要求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)構成；高頻直流脈沖電鍍電源(1)參數是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，電鍍槽(6)內的加熱管(9)與加熱恒溫裝置(10)連接。專利摘要一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置屬于材料表面工程
技術領域：
。本實用新型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，摩擦系數大幅度降低。主要適用于金屬磨損自修復領域。文檔編號C25D17/00GK201046996SQ20072001297公開日2008年4月16日申請日期2007年6月25日優(yōu)先權日2007年6月25日發(fā)明者嚴志軍,劉一梅,徐久軍,朱新河,東程,高玉周申請人:大連海事大學