專利名稱：：一種金屬表面磨損自修復(fù)鍍層制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及到一種金屬表面磨損自修復(fù)鍍層制備和零件修復(fù)工藝，屬于材料表面工程
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景磨損是機(jī)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(lǐng)域，國(guó)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(guò)添加潤(rùn)滑劑或潤(rùn)滑油，或是在摩擦副表面生成固體潤(rùn)滑膜。實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件摩擦磨損自修復(fù)是材料學(xué)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。金屬磨損自修復(fù)技術(shù)是20世紀(jì)70年代由前蘇聯(lián)學(xué)者提出的，上世紀(jì)末該技術(shù)被引進(jìn)我國(guó)并在工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中取得了明顯效果，是一項(xiàng)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(fù)技術(shù)是指采用金屬或非金屬細(xì)小顆粒添加到油品和潤(rùn)滑脂中使用，在摩擦磨損條件下可以在機(jī)械零件表面上生成自修復(fù)保護(hù)膜層。其中引起廣泛關(guān)注的自修復(fù)材料是主要成分為蛇紋石(羥基硅酸鎂)為主的多種復(fù)雜組分構(gòu)成的潤(rùn)滑油添加劑，因?yàn)樽孕迯?fù)實(shí)際上是一種條件自修復(fù)，與摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)和潤(rùn)滑材料密切相關(guān)。潤(rùn)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(fù)作用的置換反應(yīng)取決于摩擦過(guò)程中多種過(guò)程和條件，因此出現(xiàn)其應(yīng)用的實(shí)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(yīng)用面是有限的。而利用含有自修復(fù)礦物成分的復(fù)合材料來(lái)改善鋼制零件表面成分，并實(shí)現(xiàn)磨損自修復(fù)的技術(shù)則未見(jiàn)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是提供一種具備磨損自修復(fù)功能的金屬表面復(fù)合鍍層材料，使得金屬零件在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)磨損自修復(fù)，顯著延長(zhǎng)零件的使用壽命，同時(shí)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(fù)鍍層制備裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是，將自修復(fù)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(fù)合物形態(tài)存在，確保在摩擦磨損過(guò)程中，微凸體接觸時(shí)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(yīng)，最終在摩擦表面生成具有自修復(fù)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(fù)合鍍層。該復(fù)合鍍層表面在摩擦過(guò)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(yīng)，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(fù)磨損部位尺寸，在零件運(yùn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成磨損部位的自修復(fù)，顯著延長(zhǎng)零件的使用壽命。表面鍍層磨損率較基體降低15%以上。同時(shí)，摩擦表面硬度和光潔度提高，摩擦系數(shù)大幅度降低。本實(shí)用新型的技術(shù)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(jié)晶構(gòu)造式為3MgO2Si(V2H20，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(tuán)，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(shí)易發(fā)生斷裂。氧與硅的共價(jià)鍵斷裂后，能夠產(chǎn)生出兩種氧O*—和O，*表示有1個(gè)未偶電子，與金屬易形成共價(jià)鍵型的高氧化態(tài)氧化物陶瓷結(jié)構(gòu)。在材料摩擦過(guò)程中，以羥基硅酸鎂為主的復(fù)雜無(wú)機(jī)礦石組合物能夠從復(fù)合材料中釋放出來(lái)，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(shí)，在摩擦磨損過(guò)程中，微凸體發(fā)生斷裂時(shí)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(yīng)，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(xué)鍵結(jié)合的耐磨保護(hù)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(yīng)力作用下層間易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，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(zhǎng)，保護(hù)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(dòng)調(diào)節(jié)的當(dāng)磨損發(fā)生時(shí)，摩擦能增高，礦物材料和摩擦副表面發(fā)生的一系列復(fù)雜的反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，保護(hù)膜層同時(shí)開(kāi)始生長(zhǎng)；而當(dāng)磨痕獲得修復(fù)時(shí)，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(yīng)就會(huì)停止，保護(hù)膜層也就不再增厚。因此，修復(fù)劑微粒發(fā)生化學(xué)反映生成保護(hù)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(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn)是，自修復(fù)實(shí)際上是一種條件自修復(fù)，它與摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)和潤(rùn)滑材料密切相關(guān)。采用羥基硅酸鎂顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑的表面成膜過(guò)程包括(1)自修復(fù)材料在金屬表面物理吸附；(2)自修復(fù)材料在金屬表面化學(xué)吸附；(3)自修復(fù)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(fù)合材料，在摩擦過(guò)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(shí)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(xué)和力化學(xué)置換反應(yīng)，形成相對(duì)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(fù)合相是本實(shí)用新型的關(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(huì)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(jī)械性能，并且無(wú)法起到表面摩擦磨損自修復(fù)的作用。本研究中選用復(fù)合電鍍技術(shù)制備具有自修復(fù)作用的表面鍍層，制備過(guò)程在常溫條件下進(jìn)行，確保了羥基硅酸鎂顆粒沒(méi)有發(fā)生相變，鍍層的基體為鐵基合金，復(fù)合材料為經(jīng)基硅酸鎂顆粒。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是，一種金屬表面磨損自修復(fù)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(jī)械攪拌器4、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5、電鍍槽6、陽(yáng)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l的正極經(jīng)過(guò)電流表3與陽(yáng)極7連接，陽(yáng)極7是鐵陽(yáng)極，高頻直流脈沖電鍍電源l的負(fù)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(fù)極間連接有電壓表2，機(jī)械攪拌器4與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5連接，陽(yáng)極7、陰極8和機(jī)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(fù)鍍層制備方法，(1)制備微礦物粉體材料在本實(shí)用新型中采用機(jī)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(fù)合電鍍液根據(jù)不同零件表面對(duì)電鍍層基體材料的要求，本實(shí)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(gòu)成的三元合金與微礦物顆粒構(gòu)成的復(fù)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l鐵-羥基硅酸鎂鍍液典型配方成分和參數(shù)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(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(guò)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(qiáng)度，活化正負(fù)換向時(shí)間比為24:5，為35min;起鍍正負(fù)換向時(shí)間比為46:5,為510min。采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內(nèi)應(yīng)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(dāng)機(jī)械攪拌提高鍍液中顆粒懸浮特性，電鍍陽(yáng)極板采用鐵陽(yáng)極。采用加熱恒溫裝置嚴(yán)格控制電鍍液溫度控制范圍，以保證鍍層質(zhì)量。本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果是(1)所制備的具有摩擦磨損自修復(fù)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(fù)特性零件摩擦后的表面硬度可以達(dá)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(shù)(千摩擦條件下)可以小于O.Ol。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。圖l是本實(shí)用新型的自修復(fù)復(fù)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(jī)械攪拌器，5.攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱，6.電鍍槽，7.陽(yáng)極(鐵陽(yáng)極)，8.陰極(工件)，9.加熱管，IO.加熱恒溫裝置。具體實(shí)施方式一種金屬表面磨損自修復(fù)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(jī)械攪拌器4、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5、電鍍槽6、陽(yáng)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l的正極經(jīng)過(guò)電流表3與陽(yáng)極7連接，高頻直流脈沖電鍍電源1的負(fù)極與陰極8連接，高頻直流脈沖電鍍電源1的正負(fù)極間連接有電壓表2，機(jī)械攪拌器4與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱5連接，陽(yáng)極7、陰極8和機(jī)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(fù)鍍層制備方法，(1)制備微礦物粉體材料在本實(shí)用新型中采用機(jī)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(fù)合電鍍液根據(jù)不同零件表面對(duì)電鍍層基體材料的要求，本實(shí)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(gòu)成的三元合金與微礦物顆粒構(gòu)成的復(fù)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(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(guò)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(jié)合強(qiáng)度，活化正負(fù)換向時(shí)間比為4:5;起鍍正負(fù)換向時(shí)間比為6:5。采用高頻支流脈沖電源方法降低鍍層內(nèi)應(yīng)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(dāng)機(jī)械攪拌提高鍍液中顆粒懸浮特性，電鍍陽(yáng)極板釆用鐵陽(yáng)極。釆用加熱恒溫裝置嚴(yán)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(fù)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(jī)械攪拌器(4)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱(5)、電鍍槽(6)、陽(yáng)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(guò)電流表(3)與陽(yáng)極(7)連接，陽(yáng)極(7)是鐵陽(yáng)極，高頻直流脈沖電鍍電源(1)的負(fù)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(fù)極間連接有電壓表(2)，機(jī)械攪拌器(4)與攪拌器轉(zhuǎn)速控制箱(5)連接，陽(yáng)極(7)、陰極(8)和機(jī)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。專利摘要一種金屬表面磨損自修復(fù)鍍層制備裝置屬于材料表面工程
技術(shù)領(lǐng)域：
。本實(shí)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(gòu)成的復(fù)合鍍層。該復(fù)合鍍層表面在摩擦過(guò)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(yīng)，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(fù)磨損部位尺寸，在零件運(yùn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成磨損部位的自修復(fù)，顯著延長(zhǎng)零件的使用壽命。表面鍍層磨損率較基體降低15％以上。同時(shí)，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(fù)領(lǐng)域。文檔編號(hào)C25D17/00GK201046996SQ20072001297公開(kāi)日2008年4月16日申請(qǐng)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(yán)志軍,劉一梅,徐久軍,朱新河,東程,高玉周申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)