柴油機曲軸再制造鍍前處理工藝研究

錢海峰， 雷衛寧， 唐從順， 劉維橋， 談 衡

（1.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州213001；2.江蘇理工學院 化學與環境工程學院，江蘇 常州213001）

0 前言

曲軸是柴油機最重要的零部件之一。由于長期在高速運轉、交變負荷和高密度負載的條件下工作，曲軸表面易損傷，因而對其性能要求很高。曲軸制造工藝復雜、周期長、價格昂貴，其制造成本約占一臺柴油機的10%～20%［1］。對曲軸進行再制造，提高廢品的利用率并降低成本，對促進資源循環利用具有重要的現實意義。電刷鍍技術是曲軸再制造的常見方法之一，鍍前處理是其重要環節［2-4］。與鋼質曲軸不同，失效的球墨鑄鐵曲軸表面含有大量石墨或孔洞，鍍前處理過程復雜，要求很高。處置不當會造成鍍層與基體結合力不高，甚至出現開裂、脫落等現象，嚴重影響再制造質量。目前這方面的工藝研究還不充分。本文以QT700-2材質的某型柴油機曲軸再制造為對象，對其電刷鍍前處理工藝進行研究，探索簡潔、高效的鍍前處理新工藝。

1 實驗

傳統的表面預處理主要包括除銹、清洗、修整、除油四個步驟［5-6］。球墨鑄鐵經傳統的表面預處理法處理后，依然存在著細微的雜粒和油層，而且加工條紋明顯，晶體組織不锃亮，嚴重影響鍍層的效果，如圖1所示。

本課題組在傳統的表面預處理技術上，增加了電凈和活化兩個步驟。電凈用于去除基體表面的微觀油污，活化則用于去除基體表面的膜層和碳元素微粒。

圖1 球墨鑄鐵經傳統表面預處理法處理后的表面形貌

1.1 實驗原理

電凈是以電化學原理為基礎，將試件與堿性電凈液分接兩極，并用電凈液擦拭工件表面的過程［7］。不同材質的基體，電凈液的配方和配制方法不同。本實驗采用的是陰極電凈，工件表面與陰極相接，發生還原反應，并伴有氫氣析出，其反應式為：

活化的原理是通過電化學作用活化表層金屬，并除去微觀層次的膜層和雜質，使鍍層能夠更容易與基體結合。活化時電壓反接，活化分初次活化和二次活化。初次活化是為了去除基體表面的氧化層，采用酸性活化液，工件表面發生氧化反應和部分溶解反應；二次活化是為了去除基體表面的炭黑層，采用有機活化液。

初次活化反應式：

二次活化反應式：

1.2 實驗材料與工藝流程

1.2.1 預處理液預處理液包含電凈液和活化液。本課題組對其進行了部分改進，具體配方見表1。

1.2.2 試件與儀器

本實驗采用QT700-2材質的球墨鑄鐵，其尺寸為20mm×20mm×2mm。

實驗儀器：DSD-200-S 型刷鍍電源，金相顯微鏡，S-3400型掃描電鏡，HXD-1000TMS／LCD 型數字式顯微硬度計，UMT-2型球盤式磨損試驗機。

1.2.3 實驗方法

工作電壓、鍍筆相對速度和處理時間等因素均影響預處理質量。電凈電壓不宜過高，本實驗采用12V 和14 V 的電壓。考慮到電凈效率和散熱狀況，鍍筆相對速度為6m／min，避免速度過快，電流不穩定。電凈時間為60s。

表1 預處理液配方

初次活化時，根據電壓和時間分別進行三組實驗：電壓分別為6V、10V、14V，每組實驗的時間為5s、10s、15s、20s、30s、60s。

二次活化時同樣做三組實驗：電壓分別為14V、16V、18 V，每組實驗的時間為20s、40s、60s、80s、100s、120s。活化時鍍筆相對速度為6m／min。

2 結果與討論

2.1 電凈后的表面形貌

電凈后球墨鑄鐵的表面形貌，如圖2所示。與圖1相比，電凈后的表面更加锃亮、潔凈，金相組織清晰。但電凈只是去除微觀表面的油污，并沒有改變表面的金相組織。

圖2 電凈后球墨鑄鐵的表面形貌

2.2 初次活化后的表面形貌

選擇6V 電壓時，隨著活化時間的延長，表面膜層逐漸消失，同時表面的機加工條紋被腐蝕，金屬晶體組織發黑。選擇10V 電壓時，隨著活化過程的進行，表面膜層也逐漸消失，但活化20s后金相組織就已經發黑，變化也漸漸停止。選擇14V 電壓時，在15～20s之間鑄鐵表面變化最明顯，20s后表面明顯變黑，并有重新鈍化的跡象，同時鑄鐵件升溫明顯，容易造成表面氧化，形成循環，不易控制。

電壓不變時，隨著活化時間的延長，活化效果明顯，但活化至一定時間后，變化不再顯著；有效活化時間隨電壓的升高而縮短；在相同的活化時間內，活化效果隨電壓的升高而變得明顯。這是因為升高電壓，鑄鐵表面的電化學溶解速度加快，氣泡增多，剝離作用明顯，但電壓過高，也會導致散熱慢，降低活化效率。

圖3為三組電壓下活化20s時的表面形貌。通過分析初次活化的表面形貌并考慮后續的活化處理，得出酸性活化液的最佳活化工藝為：電壓10V，時間20s。此時基體表面的膜層及機加工條紋基本被腐蝕掉，滲碳體和球狀石墨暴露在表面，導致表面不平整，嚴重影響鍍層質量，需要二次活化來除炭黑。

圖3 三組電壓下活化20s時的表面形貌

2.3 二次活化后的表面形貌

選擇14V 電壓時，隨著活化時間的延長，表面的炭黑層逐漸消失，但變化并不明顯。選擇16V 電壓時，隨著活化過程的進行，表面的炭黑層逐漸消失，锃亮明顯；若活化時間繼續延長，黑色痕跡仍一直存在。選擇18V 電壓時，隨著活化時間的延長，表面的炭黑層逐漸消失，锃亮明顯；當活化時間達到80s時，表面的炭黑層基本消失，且明顯好于14V和16V 時的；但隨著活化時間繼續延長，黑色重新顯現。這是因為基體因電壓升高及熱量過高而引起表面輕度腐蝕，同時伴有活化液晶體析出。

經過金相觀察和分析，球墨鑄鐵經有機活化液二次活化后，疏松的球狀石墨在高電壓下被氧化成CO2，并以氣體形式脫離基體，使金屬晶體組織顯露出來。宏觀上看，表面潔凈，呈銀灰色，黑色消除。圖4為三組電壓下活化80s時的表面形貌。每組實驗在活化80s時效果最明顯，且電壓越高，活化效果越好。于是得到二次活化的最佳工藝條件為：電壓18V，時間80s。

圖4 三組電壓下活化80s時的表面形貌

3 改進預處理后刷鍍層的性能

經過改進后的表面預處理工藝，嚴格按照電刷鍍的工藝規范，并創造良好的刷鍍環境，在鑄鐵件表面制備鎳-鎢合金鍍層。圖5為不同表面預處理工藝對鎳-鎢合金鍍層表面形貌的影響。由圖5可知：經過預處理的鍍層外觀良好，表面平整光滑；而缺少預處理的鍍層則易出現開裂、起皮等不良現象。

圖5 不同表面預處理工藝對鎳-鎢合金鍍層表面形貌的影響

3.1 硬度

在一定的電壓下，刷鍍時間越長，鎳-鎢合金鍍層越厚，硬度也越大。本課題組采用8 V、10 V、12V電壓，鍍層厚度為50μm、100μm、150μm 的樣品進行正交試驗，并對每個試樣取三組硬度數據，取平均值。統計分析得出：8V 電壓下，50μm 厚的鍍層的硬度為3 873 MPa；12V 電壓下，150μm 厚的鍍層的硬度達到6 104 MPa。而普通球墨鑄鐵的硬度一般在1 400～2 500 MPa之間，所以經過預處理后制備的鎳-鎢合金鍍層在硬度上可滿足再制造曲軸的要求。

3.2 耐磨性

合金鍍層對曲軸表面起到保護和強化作用，耐磨性是其中一個重要指標。采用UMT-2型球盤式磨損試驗機對上述正交試驗樣品和基體樣品進行磨損試驗，并對表面凹痕SEM 成像，結果如圖6 所示。由圖6可知：普通球墨鑄鐵表面的凹痕較深且粗糙，而鎳-鎢合金鍍層表面的凹痕較淺，證明鎳-鎢合金鍍層與基體具有很強的附著力，可以有效地提高球墨鑄鐵的耐磨性。同時拉伸性能也得到了很大的提高，滿足再制造曲軸的要求。

圖6 球墨鑄鐵試樣表面凹痕的SEM圖像

4 結語

（1）適當的電凈電壓可以有效去除球墨鑄鐵表面的油污，一般控制在10～15V，電凈時間為60s。

（2）采用改進后的酸性活化液進行初次活化，其酸性降低，但仍能保持良好的電導率和活化能力。適當增加活化電壓和時間，能明顯提高活化效果，但如果時間過長、電壓過大，會對基體表面產生一定的腐蝕。初次活化的最佳工藝參數為：電壓10V，活化時間20s。

（3）二次活化采用有機活化液去除表層的碳元素。提高電壓，能加快活化速度；電壓不變的情況下，活化時間過長也會輕度腐蝕基體。最佳的活化參數為：電壓18V，活化時間80s。

（4）改進表面預處理工藝后，鎳-鎢合金鍍層的性能明顯提升，可滿足再制造曲軸的要求。

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