n-Al2O3/Fe/SiC 復合鍍技術修復船舶空壓機曲軸方法研究

趙德耀，李踐飛，張本生，韓凱

（海軍潛艇學院，山東青島 266042）

n-Al2O3/Fe/SiC 復合鍍技術修復船舶空壓機曲軸方法研究

趙德耀，李踐飛，張本生，韓凱

（海軍潛艇學院，山東青島 266042）

針對目前船舶空壓機曲軸等機械部件修復中存在的問題，對研制出的基于n-Al2O3/Fe/SiC納米材料復合鍍技術的修復工藝進行研究。介紹了新型納米復合鍍的應用范圍、共沉積機理，對磨損的船舶空壓機曲軸進行了修復試驗，并對修復后的鍍層進行了結合強度、耐磨性、硬度等物理機械性能試驗，得出了試驗結論。最后得出該納米復合鍍修復工藝能夠應用于受損的機械部件。

納米復合鍍 修復 曲軸

0 引言

零件損傷和故障的表現形式是多種多樣的，主要表現在磨損、摩擦副的擦傷、結構強度方面引起的損壞、穴蝕、燒蝕等。其中以磨損為主，多發生于表面，或者是先從表面開始[1]。因此提高零件表面的硬度和耐磨性，減少故障發生很重要；同時，在損傷和故障發生以后，研究如何修復磨損的零部件，恢復其原有的技術狀態也非常重要[2]。

目前用于零件磨損后修復的主要表面技術有鍍鉻、熱噴涂、電刷鍍等。鍍鉻技術修復厚度受限且對環境和人體有影響；熱噴涂技術結合強度不夠高不能用于曲軸等對結合強度要求高的零件修復，噴涂過程中對零件進行加熱易造成零件變形；電刷鍍技術也受修復厚度和結合強度的影響，不能修復磨損大或者對結合強度要求高的零件[3]。

納米粒子的出現，為傳統電沉積復合鍍技術帶來了新的機遇。用納米顆粒代替微米粒子，用電沉積法制備的納米復合鍍層顯示出了更加優異的性能。

船舶空壓機用于制造高壓氣，對于船舶生命力具有十分重要的作用。空壓機曲軸是將電動機的回轉運動轉換為活塞直線往復運動的關鍵部件，在使用過程中與連桿持續摩擦造成的磨損可能產生運動副配合間隙超標，影響空壓機正常運行和使用壽命。

本文在研究出基于n-Al2O3/Fe/SiC復合鍍技術的基礎上，對該技術修復磨損的船舶空壓機曲軸方法進行了試驗研究，還對實施修復后的鍍層進行了物理機械性能試驗，試驗表明，該方法能有效提高修復受損部件，并且鍍層的硬度、強度、耐磨性等性能優異。

1 鐵基納米復合鍍及共沉積機理

基于n-Al2O3/Fe/SiC的納米復合電鍍液是單一液相的電鍍液，鍍液中的主要成分是氯化亞鐵、鹽酸、水和納米Al2O3。在電解液中氯化亞鐵、鹽酸和水部分地離解為：FeCl2? Fe2++ 2Clˉ、HCl? H++ Clˉ、H2O? H+＋OHˉ。

鍍層形成過程中的陰極反應為：

1) 鐵離子放電還原并沉積在陰極表面：Fe2++ 2e → Fe;

2) 氫離子放電還原為氫原子，氫原子結合成氫氣析出：2H++ 2e → H2↑;

鍍層形成過程中的陽極反應為：

1) 4OHˉ－4e→O2↑+2H2O;

2) Fe–2e → Fe2+，鐵板失去電子成鐵離子進入鍍液中，補充電鍍過程中鐵離子的消耗。

共沉積過程分為三個階段：

1) 鍍液中的固體微粒主要靠攪拌鍍液及微粒在鍍液中的自然沉降，使微粒遷移到陰極表面，并停留一定時間。

2) 在靜電場力作用下，固體微粒脫去水化膜，與陰極表面直接接觸，形成化學吸附的強吸附。強吸附的微粒被金屬鐵離子還原時，機械地鑲嵌進去。

3) 沉積到陰極表面上的固體微粒在繼續電沉積的過程中，隨著鍍層的增厚，被整個埋入鍍層中，固體微粒彌散分布在基體金屬中，形成復合鍍層。

2 曲軸修復試驗

2.1 修前檢查

曲軸修復前必須進行修前檢查，修前檢查包括：清洗、外觀檢查、鍍前初磨。

2.1.1 清洗

拆掉傳動齒輪，用金屬清洗劑洗凈曲軸表面油污，特別清洗油道內和軸頸表面，然后用清潔的棉紗擦干。

2.1.2 外觀檢查

1）用肉眼或借助10倍放大鏡觀察，或用鐵錘敲擊曲軸臂，聽其聲音等方法，初步檢查各部位表面及圓角處，不能有明顯裂紋及較大的缺陷。

2）用磁力探傷或超聲波探傷進一步檢查。探傷時對曲軸圓角、油道孔邊緣及曲臂處做重點檢查。軸頸表面不允許有環形裂紋和橫向裂紋，圓角和曲臂處不允許有裂紋。用磁力探傷時，探傷后必須退磁，并擦凈鐵粉。

3）測量曲軸軸頸直徑，軸頸長度、圓角半徑。軸頸尺寸不允許超過報廢尺寸。

4）檢查曲軸回轉半徑，當回轉半徑超過標準尺寸±0.5 mm以上時，需要鍍前校正。

5）檢查曲軸中心線的直線度和各連桿軸頸中心線對主軸中心線的平行度。當直線度小于0.5 mm時，經初磨加工可消除彎曲，大于0.5 mm時，需進行校直。

6）曲軸的校直，可采用靜壓力校直、冷作校直和火焰校直。

2.1.3 鍍前初磨

在曲軸磨床上進行磨削，其目的是消除曲軸本身的直線度偏差，軸頸中心線平行度偏差、回轉半徑偏差及軸頸的圓度、圓柱度。消除軸頸表面溝痕、氧化層和以往的修復層，使軸頸表面粗糙度達到 3.2°。

磨削時，要保持盡量小的磨削量，以減少鍍層厚度。并考慮到納米鐵基復合鍍修復曲軸的鍍層厚度在較優（0.15～ 0.75 mm）的范圍內。

2.2 曲軸修復工藝過程

2.2.1 鍍前準備

1）用金屬清洗劑對被鍍曲軸進行除油，應嚴格按照選用的清洗劑使用說明進行，仔細清洗曲軸各部位，尤其是曲軸油孔通道，待干燥后，用砂布打磨軸頸表面，除去存放中軸頸表面產生的銹跡。

2）堵油道孔 。用橡膠塞或木塞堵油道孔，堵塞物要與軸頸表面相平。

3）絕緣、裝掛。用塑料粘膠帶把不鍍部位，包扎粘住，每條膠帶的接縫處要搭接嚴密，以防漏電而影響電鍍質量。絕緣包扎好的曲軸如圖1所示。

除去極杠、掛鉤及掛具各部位的氧化皮，把曲軸和掛具裝掛好，裝掛時要保證連接牢靠、導電良好。

4）配置陽極板。

5）檢查并調整鍍液規范如表1。

6）計算電流強度和確定電鍍時間。

各電鍍過程的電流密度及電鍍時間，見表2。S：被鍍面積;I：電流強度;D活：對稱交流活化電流密度;D正：正半波電流密度;D負：負半波電流密度;D直：直流鍍電流密度;計算電流強度：I=D×S(A)。

7）除油膜

8）除氧化膜

用濃度為15%-20%的鹽酸溶液刷洗軸頸表面，不得有遺漏處，酸洗后用清水沖洗，動作應迅速，沖洗要徹底，沖洗后鍍件掛入鍍槽，如圖2。

2.2.2 施鍍

1）對稱交流活化

曲軸被鍍軸頸直徑為?49.54 面積S=1.9d m2，按I活=D活×S=6×1.9=11.4 A，迅速準確地將正負半波電流調節到11.4 A。活化時間11 min。

2）不對稱交流起鍍

在對稱交流活化后，進行不對稱交流起鍍，只升正半波電流，使電壓為0.5～1 V，電鍍時間為10 min。

3）交流過渡鍍

在不對稱交流起鍍的正、負半波電流基礎上，先用5min鐘時間均勻地把正半波電流升至I正=1/2D直×S=10×1.9=19 A，再用10分鐘時間均勻地把負半波電流降至I負=1/20D直×S=1×1.9=1.9 A。

4）半直流鍍

在交流過渡鍍后，把正半波電流調小，立即轉為直流，再迅速調整電流值為I直=1/2D直×S=10×1.9=19 A，時間為15 min。

5）直流過渡鍍

用15 min均勻地把電流I直=1/2D直×S=19升至I直=D直×S=20×1.9=38。

6）全直流鍍I直=D直×S=20×1.9=38，電鍍時間120 min。電鍍過程中，間隔40 min刷洗一次陽極板，不停電，一塊一塊刷洗。

2.2.3 鍍后處理

1）曲軸出槽后用水沖洗

2）拆掛：拆除掛具、除去各部位的絕緣物，見圖3。

3）中和處理。在20%的碳酸鈉水溶液中浸泡20-30 min，然后取出用清水沖洗。

2.2.4 鍍后曲軸的機械加工

1）磨削加工

曲軸修復后，需要磨削。磨削修復后的曲軸使用60#綠色碳化硅砂輪，按照軸頸圓角半徑的尺寸要求修正砂輪邊緣圓角。磨削工藝參數見表3。磨削時砂輪進給要平穩，當粗磨到磨削余量剩0.1 mm時，進行精磨，磨后軸頸表面粗糙度不超過0.8°。磨削過程中，由于鍍層硬度較高，因此砂輪很易磨鈍，當磨削的鍍層表面有波紋、黑線、部分燒傷等不正常現象時，要及時用金剛石修正砂輪，以恢復砂輪正常的切削能力。

2）鉆油道孔

磨削后的曲軸要先將油孔中的堵塞物取出，然后在鉆床上將油道孔邊緣鉆成30°～50°的倒角，去掉毛刺。

3）最后清理

用4.9～9.8 Pa的風吹或用棉紗通擦油道，徹底清除油道內的鐵屑和贓物，并擦凈軸頸表面。修復后曲軸和修復前效果見圖4。

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3 鍍層物理機械性能試驗

1）結合強度試驗鍍層的結合強度試驗在YDD-1型多功能材料力學試驗機上進行。所測試件中，大部分試件的鍍層的結合強度在160～200 Mpa，遠大于電刷鍍、噴涂等修復層的結合強度（70～80 Mpa）。

2）耐磨性試驗

采用失重法計算相對磨損量作為磨損試樣耐磨性能指標。

試驗結果表明，鍍層在納米Al2O3含量50-60 g/l，潤滑良好的情況下，摩擦性能極好。

3）硬度試驗

常溫下納米鐵基復合鍍層的硬度為HV1000左右，起鍍層硬度低于正常鍍層硬度。

4 結論

基于n-Al2O3/Fe/SiC納米復合鍍技術有結合強度高、耐磨性好、硬度高、無污染、一次鍍厚能力強等優點。從曲軸的修復試驗中得出的修復工藝可以實現船舶空壓機曲軸的修復，修復工藝科學合理。從對鍍層的物理機械性能試驗介紹看，鍍層具有優異的物理機械性能，能滿足船舶機械修復的需要。

:

[1] 劉小兵，王徐承.復合電沉積的最新研究動態[J]. 電化學，2003,（2）：17-125.

[2] 徐龍堂，徐濱士，周美玲. 電刷鍍鎳/鎳包納米Al2O3顆粒復合鍍層微動磨損性能研究[J]. 摩擦學學報，2005,（1）：24-27.

[3] 楊欽鵬，湯皎寧. NIi-Al2O3復合鍍層的摩擦學性能研究[J]. 化學世界，2004,（7）：350-352.

Research on Repairing Ship Compressor Crankshaft with n-Al2O3/Fe/SiC Composite Plating Technology

Zhao Deyao, Li Jianfei, Zhang Bensheng, Han Kai
(Naval Submarine Academy, Qindao 266042, Shandong, China)

In allusion to current problems of repairing ship compressor crankshaft and other mechanical components, the paper presents on repairing crafts with nano-composite plating technology based on n-Al2O3/Fe/SiC, introduces range of applications, co-deposition mechanism of a new type of nano-composite plating, and repairing tests on the ship air compressor crankshaft and bond strength, wear resistance, hardness and other mechanical properties of lating layer… Test results show that the technologies of the nano-composite plating repairing can be applied to repair damaged mechanical parts.

nano-composite plating; repairing; crankshaft

U664

A

1003-4862（2014）03-0022-05

2013-09-15

趙德耀（1981-），男，學士，講師。研究方向：電子信息工程。