低溫鍍鐵鍍層強度與耐用性影響因素研究

袁連奇，劉建峰

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

低溫鍍鐵是傳動類零件磨損后修復的常用方式，主要是通過利用不對稱的交流—直流電在相對較低的溫度下進行鍍鐵工藝的實施。隨著近幾年社會經濟的發展，機械類產品的數量和應用范圍不斷擴大，機械零部件的維修需求也隨之增加，因此，低溫鍍鐵的理論研究與新技術研發也逐步加強，使低溫鍍鐵修復零件的適應能力進一步提升。傳統的低溫鍍鐵技術主要應用在汽車、農業機械等移動機械的傳動軸、曲軸等軸類零件的修復上，隨著技術的進步，現階段的低溫鍍鐵技術應用范圍得到了擴展，在石油礦山機械、內燃機、冶金機械及船舶修復領域均有較為廣泛的應用。這也對低溫鍍鐵的修復能力提出了新的要求，因此，必須在現階段低溫鍍鐵理論和技術的基礎上，進一步探索提升鍍層強度和耐用性的方法與工藝。

1 低溫鍍鐵技術原理與特點

1.1 基本原理

低溫鍍鐵主要是通過現代化的電路控制技術，形成兩個半波不相等的交流電路條件，將待修復零件放入鍍液中后進行通電，其中較大的半波使被修復的零件呈陰極極性，從而實現在被修復表面沉積鍍層，而較小的半波電路使被修復的零件呈陽極極性，能夠將沉積在被修復件表面的一部分鍍層材料電解分離，實現連續沉積電鍍材料，使鍍層厚度不斷增加。由于低溫鍍鐵的基本原理相對簡單，因此配套的設備也并不復雜，通過合理的工藝實施，能夠獲得結合強度高、鍍鐵層均勻、表面狀態良好的零件修復效果。近年來，隨著鍍液技術的研究與優化，通過向鍍液中加入稀土鈰、蛇紋石納米微粒等方法，能有效提升鍍層硬度，使鍍層的顯微硬度達到6000～8000 MPa左右，有效提升鍍鐵后的使用性能。

1.2 技術特點

(1)低溫鍍鐵能夠獲得良好的鍍層硬度，通過優化鍍液技術，能夠實現零件修復良好的機械加工性能和使用壽命，且鍍層硬度可根據鍍液技術調整，適用范圍廣。

(2)由于采用沉積—分解—再沉積的反復電鍍工藝，鍍層與待修復零件的結合強度很高，在顯微條件下可見鍍層鐵素體與原零件鐵素體呈連續分布的效果。

(3)低溫鍍鐵技術的實施成本相對較低，且對生產環境無毒害問題，鍍鐵工作效率較高，鍍層效率可達0.6～1.0 mm·h-1。且低溫鍍鐵后鍍層表面具有極細微的網狀紋理，在機械零件使用中具有良好的被潤滑和耐磨性能。

2 低溫鍍鐵鍍層結合強度影響因素

2.1 電流密度對結合強度的影響

低溫鍍鐵的實際應用過程表現出了不同電流強度對鍍層結合強度的影響關系，在生產過程中，當電流的密度低于12 A·dm-2時，電鍍后的零件在加工過程受熱明顯時易產生裂紋，在裂紋處受到壓力時易產生表層起皮問題；當密度高于16 A·dm-2時，電鍍零件在加工過程受熱明顯時會產生大面積龜裂，在裂紋處受到壓力時易產生鍍層脫落問題。產生以上問題的原因主要是在電流密度較小時，陰極極化值較低，導致鍍層的沉積速度減緩，鍍層不易形成，鍍層與被鍍件結合效果減弱；當電流密度過大，導致被電鍍零件表面的電流分布不均勻，部分區域鍍層沉積速度過快，產生厚度不均、表面粗糙的問題，同時也降底了鍍層與原零件的結合強度。因此，經實際試驗可知，低溫鍍鐵的合理電流密度為14 A·dm-2，此時鍍層的結合強度最高，鍍層均勻性最好，能夠保證低溫鍍鐵的修復質量。

2.2 鍍液濃度對結合強度的影響

低溫鍍鐵鍍液的主要添加材料為FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O的添加量影響著鍍液濃度，也會在一定程度影響鍍層的結合強度。當鍍液中FeCl2·4H2O的濃度高于450 g·L-1時，由于鍍液中Fe2+的濃度過高，沉積速度過快，鍍層會出現晶粒粗大、組織疏松的問題，被電鍍后的零件在進行機械加工和后期使用中因鍍層結合強度不足和鍍層微觀沉積狀態不良易出現裂紋和起皮的問題；當鍍液中FeCl2·4H2O的濃度低于300 g·L-1時，鍍液中Fe2+的濃度過低，陰極極化作用明顯，鍍層結合強度較高，但是由于濃度低導致沉積速度過慢，生產效率下降。因此，應將鍍液濃度控制在合理范圍，通常情況下，鍍液中FeCl2·4H2O的濃度在350～400 g·L-1時，能獲得細致的鍍層晶粒，有效避免晶核過大問題，且鍍層沉積速度適中，鍍層形成細晶強化效果，修復質量得到提升。

2.3 鍍液pH值對結合強度的影響

鍍液的pH值對低溫鍍鐵過程中的鍍層結合強度具有顯著影響，通常情況下，當鍍液的pH值小于0.8或大于1.2時，都會導致結合強度的降低，使被修復零件的鍍層在后續加工和使用過程中易出現起皮、龜裂、脫落的問題。當pH值小于0.8時，鍍液呈酸性，其中的Fe2+顯著降低，導致鍍層沉積速度減緩，同時鍍層出現組織疏松、部分區域甚至產生針孔問題，使鍍層的結合力和品質明顯降低；當pH值大于1.2時，電解液中的Fe3+會發生水解反應生成Fe(OH)3產生沉淀，這些沉淀物會附著在零件表面，隨著鍍層沉積而夾雜在鍍層之中，造成鍍層不均且實際品質降低，部分區域結合能力不足，鍍層易脫落問題明顯。因此，應保持鍍液的pH值在1.0，以保證在最佳的酸堿度下形成良好的低溫鍍鐵層。

2.4 鍍液溫度對結合強度的影響

低溫鍍鐵的起鍍溫度僅為4 ℃，即溫度高于4 ℃即能實現鍍層沉積作用，但經實際測試可得，低溫鍍鐵的最佳工作溫度為45～55 ℃。當溫度高于55 ℃時，隨著溫度升高，鍍層沉積過程產生的晶格畸變減弱，鍍層表面過于規整而不易形成錯位強化作用，導致鍍層本身韌性不足，后續使用易產生裂紋，同時溫度升高導致沉積速度加快，沉積晶粒的體積隨之增大，使鍍層與待修復零件表面的結合強度降低；當溫度低于45 ℃，且逐漸降低，Fe2+的溶解度降低，導致鍍層的沉積速度減慢，鍍鐵效率降低。因此應注意對鍍鐵過程中鍍液溫度的控制，做好鍍液的散熱和加溫工作。

3 影響低溫鍍鐵鍍層耐用性的因素

3.1 鍍液配置技術決定了修復零件使用壽命

傳統的低溫鍍鐵采用的鍍液配置技術相對簡單，能夠做到恢復磨損零件尺寸的要求，并提供較高強度的鍍層，但隨著低溫鍍鐵技術的深入研究，在傳統的鍍液配比過程中添加適當比例的輔助元素，能夠顯著增加鍍層的硬度和附著質量。因此，根據磨損零件的使用條件，合理地選擇鍍液配置技術，能有效延長修復后零件的使用壽命。

3.2 鍍鐵原料品質影響鍍層生成品質

低溫鍍鐵的原材料品質對鍍層質量影響很大，因此選購鍍鐵原料必須要優先選擇市場認可度高的合格產品，有條件的還要在配置鍍液前進行材料檢測與分析，氯化亞鐵的原料可以選用專用材料，或通過廢舊鐵料及還原純鐵粉制作，但制作過程必須符合標準規程。配置鍍液的水源也應進行合理選擇，普通的自來水中因含有氟或其他元素，可能影響鍍鐵效果，有條件的情況下應當選擇蒸餾水、純凈水進行配制。對于提高鍍層硬度、耐磨性的添加劑材料，應當選擇符合化學純度標準的試劑，調節pH值的鹽酸也應符合標準，以確保將低溫鍍鐵過程的不良因素干擾降到最低。

3.3 鍍鐵工藝影響鍍層的耐用程度

近年來，對低溫渡鐵工藝的研究逐漸增多，很多新工藝的實施有效優化了低溫鍍鐵鍍層的耐用性。例如：采用低溫刷鍍工藝，配合優化后的鍍液能夠顯著提高鍍層生成效率，且進一步提高鍍層沉積的均勻性，使鍍層的結合強度和表面質量都得到顯著提升，其洛氏硬度可達HRC40～55，顯著提高鍍層使用壽命；利用周期反向脈沖電鍍技術，在相同的電流密度下，能夠實現鍍鐵層的有效滲入，最大滲入深度進一步提高，鍍層硬度顯著增強，且鍍層的韌性也得到了提升，延伸率達到3%左右，顯著提高鍍層的使用性能。因此，優化低溫渡鐵的工藝合理性，合理化操作步驟，優化鍍液技術是提升鍍層耐用程度的有效手段。

4 結語

低溫渡鐵技術不僅應用范圍廣，而且具有節能、綠色的優勢，對金屬零件的維修效率高、品質好，是機械維修領域的重要技術之一，因此，加強低溫渡鐵工藝技術的研究，不斷提升鍍層的結合能力和耐用性，能進一步保證低溫渡鐵技術應用領域的擴展，使低溫渡鐵技術在各個領域發揮出更大的作用。