文 胡振峰，董世運，汪笑鶴，徐濱士（裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室）
摘要：納米復合電刷鍍技術是一項先進的裝備再制造工程技術。近年來，其技術基礎研究不斷深入、應用領域不斷拓展。適應再制造產業化的發展，文中在前期研究成果的基礎上，介紹了近幾年在雙納米材料復合電刷鍍、替代硬鉻納米復合合金電刷鍍和自動化納米電刷鍍等方面的研究與應用。
關鍵詞：裝備再制造；表面工程；納米復合電刷鍍；新進展
0 引言
納米復合電刷鍍技術是再制造工程的關鍵技術之一，由于其制備的納米復合電刷鍍層具有優異的力學性能，已經在重載車輛側減速器主／被動軸和大制動鼓密封蓋、發動機連桿、凸輪軸和曲軸等零部件的再制造中獲得了成功應用[1-2]。前期研究主要集中于在鎳基電刷鍍液中添加一種納米顆粒材料，制備出了n-Al203／Ni、n-ZrO2／Ni及n-SiC／Ni等鎳基納米復合電刷鍍層。與鎳電刷鍍層相比，由于納米顆粒的加入，納米復合電刷鍍層的硬度提高到HV700(鎳電刷鍍層硬度約HV410)、耐磨性提高l倍以上、抗接觸疲勞性能由105周次提高到106周次，顯著拓展了鎳電刷鍍技術的應用范圍，解決了普通鎳電刷鍍無法修復的難題。并且，前期的納米電刷鍍技術依靠手工操作，難以適應再制造工業化生產需要。為了適應再制造產業發展，進一步提高納米復合電刷鍍層性能，需進行升級研發[3-5]。
為進一步提高納米電刷鍍層性能，可從兩個方面著手。一方面是改變基相金屬，即把單一鎳金屬改變為二元甚至多元合金；另一方面是改變增強相，即把單一的納米顆粒改變為兩種甚至多種納米顆粒，發揮納米顆粒的協同增強作用。為進一步提高手工電刷鍍技術的工作效率，在原來手工納米電刷鍍基礎上，研發了自動化納米電刷鍍技術。
文中主要介紹近年來在提高納米電刷鍍層性能、提高納米電刷鍍工作效率以適應再制造產業化生產需要方面的研究結果。
1 雙納米材料復合電刷鍍層
1.1 雙納米材料復合電刷鍍層制備方法
制備雙納米材料(含兩種納米顆粒)復合電刷鍍層需首先制備雙納米材料復合電刷鍍液。在n-Al2O3／Ni(納米顆粒添加量為15g／L)復合電刷鍍液中，分別加入另一種納米硬質顆粒(納米碳化物、納米氧化物、納米氮化物)或納米纖維材料(CNTs)，采用高能機械化學法對納米材料進行分散，制備出雙納米材料復合電刷鍍液。所用第二種納米材料包括：n-SiO2，n-ZrO2，n-TiO2，n-Si3N4，n-SiC，納米金剛石(n-Diam)，碳納米管(CNTs)，添加量為5 g／L。
利用所制備的雙納米材料復合電刷鍍液，在45鋼基體表面制備納米復合電刷鍍層。工藝參數為：刷鍍電壓12 V，刷鍍筆相對運動速度8 m／min。所制備的雙納米材料復合電刷鍍層厚度約0.1 mm。
1.2 雙納米材料復合電刷鍍層的相對耐磨性
采用SRV型多功能摩擦磨損試驗機，在相同實驗條件下(載荷5N；滑動速度0.4m／s)，對比評價各刷鍍層的相對耐磨性(以n-Al2O3／Ni復合電刷鍍層的耐磨性為1)，結果如圖1所示。其中，圖1(a)和(b)分別給出了室溫和400℃條件下，各刷鍍層的相對耐磨性試驗結果。
由圖1可以看出，在n-Al2O3／Ni復合電刷鍍層中加入不同的納米顆粒材料，其相對耐磨性的變化不同，也就是說，第二種納米顆粒對n-Al2O3／Ni復合電刷鍍層的影響作用不同。綜合圖1(a)和(b)中結果，可以發現：無論是在室溫還是在400℃條件下，n-SiO2和n-TiO2均降低了n-Al2O3／Ni復合電刷鍍層的耐磨性能，而n-SiC和n-Diam均顯著提高了其耐磨性，n-Si3N4和n-ZrO2的影響不顯著。
針對n-SiC和n-Diam顯著提高n-Al2O3／Ni復合電刷鍍層耐磨性的現象，從復合刷鍍液中納米顆粒對離子吸附、復合刷鍍層微觀組織等方面，進行了深入分析。研究發現：①n-SiC或n-Diam顆粒的加入，使n-Al2O3／Ni復合鍍層的晶粒尺寸得到細化，鍍層中的納米顆粒含量進一步提高，納米材料在復合電刷鍍層中均勻彌散分布，與基質金屬結合緊密，這進一步增強了納米材料對鍍層性能的細晶強化作用和第二相硬質點強化作用；②在n-Al2O3／Ni復合刷鍍液中加入n-SiC或n-Diam顆粒后，提高了鍍液中納米顆粒對Ni2+和H+等荷正電離子的吸附能力，使納米顆粒對鍍液中的荷正電離子存在競爭吸附優勢，納米顆粒的表面電位由負值變為正值。鍍液中納米顆粒表面電位性質的變化使納米顆粒與基質金屬的共沉積過程由單一的力學機理主導轉變成力學機理和電化學機理綜合主導的過程，這增強了納米顆粒與基體金屬間的相互作用，有利于提高復合電刷鍍層中納米顆粒的共沉積量，從而提高了納米復合電刷鍍層的綜合性能[6]。
電刷鍍層
電刷鍍層
圖1 不同電刷鍍層的耐磨性比較(a)室溫(b)400℃
2 納米復合合金基電刷鍍層及其應用基礎
電鍍硬鉻鍍層具有硬度高、耐磨性好和抗氧化腐蝕性能優異等優良的綜合性能，工業應用廣泛，但是傳統電鍍硬鉻工藝環境污染嚴重。因此，通過研發合金基納米復合電刷鍍層替代硬鉻鍍層，具有廣闊應用前景和重大社會意義[7-8]。
2.1 納米復合合金基電刷鍍層優化與制備
通過成分優化試驗，研制了Ni-Co合金電刷鍍液，其主要成分為：硫酸鎳150 g／L，硫酸鉆100 g／L。在此基礎上，采用高能機械化學方法，制備出了n-Al2O3／Ni-Co納米復合電刷鍍液，其中n-Al2O3顆粒添加量為20～30 g／L。
采用研發的Ni-Co合金刷鍍液和n-Al2O3／Ni-Co納米復合刷鍍液，分別在45鋼基體表面制備出了Ni-Co合金電刷鍍層和n-Al2O3／Ni-Co納米復合合金基電刷鍍層。制備電刷鍍層的工藝參數為：刷鍍電壓12 V，刷鍍筆相對運動速度8 m／min。
2.2 n-Al2O3／Ni-Co復合電刷鍍層的性能
2.2.1 硬度
采用顯微硬度計測試Ni-Co合金刷鍍層與n-Al2O3／Ni-Co納米復合刷鍍層的硬度，并與快鎳電刷鍍層和硬鉻鍍層比較，如圖2所示�？梢钥闯�，Ni-Co合金電刷鍍層的硬度值約為750 HV，略低于硬鉻鍍層的硬度825 HV；n-Al203／Ni-Co納米復合電刷鍍層達1027 HV，高于硬鉻鍍層的硬度。
圖2 幾種鍍層的顯微硬度比較
2.2.2 耐磨性
采用CETR-1 rrM型球盤式磨損試驗機，在相同試驗條件下進行室溫干摩擦磨損試驗，通過測定磨損體積損失，評價各種鍍層的耐磨性能。鍍層試樣的對磨球為直徑4mm的GCrl5鋼球，硬度為63HRC。試驗載荷為15 N。
以硬鉻的相對耐磨性為1.0，結果見表1。結果表明，Ni-Co合金電刷鍍層和鏟n-Al2O3／Ni-Co納米復合電刷鍍層的相對耐磨性分別是硬鉻鍍層的0.90和1.08倍�？梢妴渭兊腘i-Co合金刷鍍層的耐磨性低于硬鉻鍍層，而加入納米顆粒后的納米復合合金基電刷鍍層n-Al2O3／Ni-Co的耐磨性略優于硬鉻鍍層的耐磨性。分析認為，納米復合鍍層性能提高是由于n-Al2O3顆粒的細晶強化及彌散強化作用。
表1 幾種鍍層的相對耐磨性
2.2.3 抗高溫氧化性能
在箱式電爐中對各鍍層進行高溫氧化試驗。加熱保溫溫度為700℃，保溫時間依次為1 h、2 h、3 h、6 h、12 h，總保溫時間為24 h。采用電子天平測量每次保溫前后鍍層質量的變化。獲得的各試樣的氧化增重曲線(氧化動力學曲線)如圖3所示。
圖3結果表明，在文中試驗條件下，快鎳刷鍍層的抗高溫氧化性明顯比鉻鍍層差，Ni-Co合金刷鍍層的抗氧化性與鉻鍍層接近，而n-Al2O3／Ni-Co復合刷鍍層的抗高溫氧化性能略優于硬鉻鍍層。
圖3 幾種鍍層700℃的氧化動力學曲線
研究分析認為，n-Al2O3／Ni-Co復合刷鍍層經過700℃氧化后，n-Al2O3顆粒在高溫氧化過程中對鍍層表面形成的氧化產物存在著固定和附著的作用，使氧化膜不容易發生開裂和脫落，有利于保持氧化膜的完整性，使復合刷鍍層表現出較好的抗高溫氧化性能；另外，n-Al2O3顆粒均勻地分布在刷鍍層的表面，使鍍層合金與氧化環境接觸的有效面積相應減小，從而使n-Al2O3／Ni-Co復合刷鍍層比Ni-Co合金刷鍍層具有更高的抗氧化能力。
3 自動化納米電刷鍍技術及其應用基礎
自動化納米電刷鍍技術是適應再制造產業化產需要而發展起來的。它是通過自動化控制的機電設備系統實現納米電刷鍍工藝過程，替代人工操作。它可以顯著降低操作人員勞動強度，避免手工納米電刷鍍過程中人為因素的影響，大幅度提高納米電刷鍍的生產效率、提高工藝穩定性和納米電刷鍍再制造產品質量穩定性。
3.1 自動化納米電刷鍍技術關鍵問題
實現納米電刷鍍工藝過程自動化，其關鍵在于如何解決如下四個方面的問題：①多種溶液的切換和循環供應、②刷鍍運動的自動化、③多步工序的圖5連桿自動化納米電刷鍍冉制造專機自動切換以及④工藝參數和鍍層質量的綜合監控。
針對以上問題，設計研發了自動化納米電刷鍍機，圖4給出了其系統構成原理，實現了自動化納米電刷鍍工藝過程。通過自動化納米電刷鍍技術工藝優化，所制備的自動化納米電刷鍍層比手工納米電刷鍍層組織更致密、微區性能更均勻[9-10]。
圖4 自動化納米電刷鍍機組成原理圖
3.2 典型零件自動化納米電刷鍍設備及應用
在實現自動化納米電刷鍍工藝過程的基礎上，針對重載汽車發動機再制造生產急需，研發出了連桿自動化納米電刷鍍再制造專機(見圖5)和發動機缸體自動化納米電刷鍍再制造專機(見圖6)，并已經在國家循環經濟示范試點企業一濟南復強動力有限公司的發動機再制造生產中成功應用。
應用實踐表明，自動化納米電刷鍍再制造生產工藝成熟，再制造零件的鍍層質量穩定，大大降低了工人勞動強度，生產效率顯著提高。連桿自動化納米電刷鍍再制造專機可以實現一次同時刷鍍6件連桿，生產效率由手工刷鍍時的l件／小時提高到12件／小時。發動機缸體自動化納米電刷鍍再制造專機的應用解決了缸體原來無法原尺寸再制造的難題，取得了顯著的經濟和社會效益。
圖5 連桿自動化納米電刷鍍再制造專機
圖6 發動機缸體自動化納米電刷鍍再制造專機
4 結語
納米電刷鍍技術適應再制造工程需求而獲得了快速發展，同時，納米電刷鍍技術在再制造生產中的成功應用，有力推動了再制造產業化發展。
隨著納米電刷鍍技術在材料、工藝、設備和應用等方面系統研究的深入，今后將進一步根據裝備再制造工程應用需要，不斷開發新的納米電刷鍍材料，研發適合不同零件再制造生產需要的納米電刷鍍再制造生產設備和技術方法，加大納米電刷鍍技術的推廣力度。
另外，隨著再制造產業領域的拓展，研發功能性納米電刷鍍層制備方法、探討納米電刷鍍技術在機械領域外的功能性應用將又是一新的發展方向。
參考文獻
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