無級變速電刷鍍裝置設(shè)計(jì)

劉航+++楊雨晨+++楊宏

摘 要：應(yīng)用無級變速和JLT-200A系列智能刷鍍電源，采用普蘭迪微型直流隔膜泵等制備無級變速電刷鍍裝置。在碳鋼表面復(fù)合鍍證明，該電刷鍍裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，性能穩(wěn)定，對環(huán)境污染小，使用方便。

關(guān)鍵詞：無級變速；電刷鍍；復(fù)合鍍；設(shè)計(jì)

1 概述

電刷鍍是借助電化學(xué)方法，以浸滿鍍液的鍍筆為陽極，使金屬離子在負(fù)極工件表面上放電結(jié)晶，形成金屬覆蓋層的工藝過程。同普通電鍍和化學(xué)鍍相比較，電刷鍍技術(shù)具有電流密度大、操作設(shè)備簡單、鍍層沉積速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在現(xiàn)代表面工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。復(fù)合鍍層是表面工程技術(shù)中較為活躍的研究熱點(diǎn)之一，也是復(fù)合材料領(lǐng)域中一個嶄新的研究方向[2]。復(fù)合電刷鍍則是懸浮在刷鍍液中的固體顆粒被鍍筆帶到沉積表面，被生長的基質(zhì)金屬所捕獲，最終形成復(fù)合鍍層[3]。隨著刷鍍時間的增長，鍍層逐漸增厚，直至達(dá)到所需的厚度。石墨作為一種自潤滑材料，溶沸點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，摩擦系數(shù)小，同時具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。Grp/Ni復(fù)合鍍層在摩擦面的工作過程中，存在于基質(zhì)金屬中的石墨顆粒隨著基質(zhì)金屬的磨損，將不斷地脫落，補(bǔ)充到磨損表面，從而在摩擦面上形成一種潤滑膜，從而起到了減摩、耐磨作用[4]。

應(yīng)用自制的無級變速電刷鍍裝置在45鋼表面制備了Grp/Ni復(fù)合鍍層。采用金相顯微鏡、掃面電鏡、硬度試驗(yàn)和耐磨性試驗(yàn)等，研究了不同電壓、溫度、轉(zhuǎn)速和石墨添加量等電刷鍍工藝條件下，Grp/Ni復(fù)合鍍層的顯微組織、形貌特征、硬度及耐磨性能。

2 無級變速電刷鍍裝置設(shè)計(jì)

電刷鍍通常包括專用直流電源，鍍筆及供液、集液裝置，以及刷鍍轉(zhuǎn)臺。

2.1 專用直流電源

電刷鍍專用直流電源不同于其他電鍍所用的電源，由整流電路、正負(fù)極性轉(zhuǎn)換裝置、過載保護(hù)電路及安培計(jì)等幾部分組成。本實(shí)驗(yàn)使用JLT-200A系列智能刷鍍機(jī)。刷鍍電源如圖1所示。

2.2 刷鍍筆

鍍筆是電刷鍍的重要操作工具，由陽極、絕緣手柄和散熱裝置組成。根據(jù)實(shí)際刷鍍零件的尺寸差異，可以選用不同類型的鍍筆以及鍍筆前端的石墨塊。石墨塊的表面積通常為被鍍面的1/3。為了貯存電鍍?nèi)芤海乐龟枠O與被鍍件直接接觸短路，過濾陽極溶解下來的石墨粒子，陽極表面還需用脫脂棉和針織套進(jìn)行包裹。

2.3 供液、集液裝置

電刷鍍時，根據(jù)被刷鍍零件的結(jié)構(gòu)和大小，可以采用不同的方式給筆供液，如澆淋式、蘸取式、和泵液式。關(guān)鍵是要做到連續(xù)供液，用以保證金屬離子的電沉積能夠正常進(jìn)行。而且流淌下來的溶液一般采用塑料盤之類的容器收集，以供循環(huán)使用。本實(shí)驗(yàn)采用直流隔膜泵供液。采用普蘭迪微型直流隔膜泵，如圖2所示。

2.4 無級變速刷鍍設(shè)備

將以上部分包含在內(nèi)的無級變速電刷鍍設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）配有變速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可在實(shí)驗(yàn)過程中精確調(diào)節(jié)鍍件轉(zhuǎn)速；

（2）配有小型機(jī)床卡盤，能夾持不同直徑的鍍件；

（3）配有微型直流隔膜泵，實(shí)現(xiàn)了電鍍液的循環(huán)；

（4）解決了鍍件通電問題，實(shí)現(xiàn)了電接觸點(diǎn)與鍍件的分離。

3 無級變速電刷鍍裝置在鋼表面電刷鍍實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)基材是45號，45號鋼是常用的中碳結(jié)構(gòu)鋼。經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。退火、正火比調(diào)質(zhì)時要稍好，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性。45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)化于其他中碳結(jié)構(gòu)鋼。本實(shí)驗(yàn)選擇尺寸為Φ40mm×4mm的圓餅試樣。應(yīng)用自制的無級變速電刷鍍裝置在45鋼表面制備了Grp/Ni復(fù)合鍍層。

3.1 電刷鍍Grp/Ni復(fù)合鍍層的表面形貌

圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示分別是刷鍍電壓為 8V、10V、12V、14V 時，Grp/Ni復(fù)合鍍層的形貌特征。從圖中明顯看出，當(dāng)刷鍍電壓為 12V 時，復(fù)合刷鍍層表面光滑、平整，無現(xiàn)麻點(diǎn)、起泡的現(xiàn)象、無脫落等現(xiàn)象，更沒有被氧化燒焦的地方。鍍層不僅整體晶粒細(xì)小，而且沉積速度也相對較快，此時鍍層的力學(xué)性能為最佳。隨著刷鍍電壓的增加，導(dǎo)致電流密度不斷增大，使得Ni2+更容易沉積到工件表面，更容易長大。當(dāng)電刷鍍的電壓過低時，鍍層的沉積速度會明顯的下降，耗費(fèi)人力和物力，更會嚴(yán)重影響Grp/Ni復(fù)合鍍層的最后質(zhì)量。當(dāng)刷鍍電壓過高時，伴隨著電源輸出的電流密度的增大，進(jìn)而導(dǎo)致鍍液、鍍層、鍍筆發(fā)熱量增大。將會使得鍍層表面變得比較干燥，不但會使鍍液的蒸發(fā)量增大，浪費(fèi)電刷鍍液，刷鍍筆的陽極也會因?yàn)闇囟鹊脑黾訉?dǎo)致燒損加劇，增加更換的頻率，而且也會使得鍍層的表面變黑，甚至更嚴(yán)重的是使得鍍層直接脫落。

3.2 電壓對鍍層硬度的影響

鍍層一般都比較薄，所以進(jìn)行硬度檢測用顯微硬度計(jì)（顯微硬度計(jì)HVS-1000），加2.942N的力。結(jié)果表明，在10～12V范圍內(nèi)，隨著電壓的升高，鍍層硬度逐漸增大，且在12V時鍍層硬度較高，大小約為HV635。

3.3 電壓對摩擦系數(shù)的影響

對鍍層進(jìn)行磨損試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)鍍層抵抗磨損的能力能否滿足零件使用時對耐磨性能的要求。加載載荷20N，試驗(yàn)時間5min，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著刷鍍電壓的增大，試樣表面的摩擦系數(shù)在減小，可得出在本次試驗(yàn)中耐磨性的峰值出現(xiàn)在14V附近。

3.4 溫度對鍍層組織與性能的影響

分析刷鍍溫度為20℃、30℃、40℃、50℃時的Grp/Ni復(fù)合鍍層的表面形貌可知道，隨著溫度的增加，提供足夠的能量，溶液中各成分的活性越強(qiáng)，使得Ni2+更容易沉積到工件表面，更容易長大。但溫度過大，會使鍍層表面發(fā)黑，鍍層表面變得粗糙。

4 結(jié)束語

（1）無級變速電刷鍍裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，性能穩(wěn)定，對環(huán)境污染小，使用方便。

（2）無級變速電刷鍍Grp/Ni復(fù)合鍍層結(jié)合力良好，能預(yù)防粘著磨損的發(fā)生，降低摩擦因數(shù)，提高耐磨性，滿足實(shí)際使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]錢苗根.現(xiàn)代表面技術(shù)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]解念鎖.梯度功能材料的制造方法及應(yīng)用[J].陜西工學(xué)院學(xué)報， 2002，18（2）：4-7.

[3]龔海華，靳惠明.脈沖電鍍Ni-SiC納米復(fù)合鍍層性能研究[J].化學(xué)工程與裝備，2011，40（1）：32-33.

[4]于楊，解念鎖.先進(jìn)表面工程技術(shù)及應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（31）：78.

作者簡介：劉航（1996，04-），男，陜西西安人，本科生，研究方向是金屬材料表面強(qiáng)韌化技術(shù)。