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滑动轴承减摩层的电镀新工艺
来源:轴承网 时间:2018-06-25
1 前语
在内燃机中运用的滑动轴承(又称轴瓦)是易损的要害零件.机械加工结束后；通常在其内外表的基体上先电镀1~3μm厚的镍(Ni)栅阻挡层[1~2]；继之电镀15~30μm厚的铅锡铜(PbSnCu)三元合金减摩层[3~24]；结尾在悉数外表上电镀1~2μm厚的锡(Sn)或铅锡(PbSn)合金防护层[2].
在轴瓦的内外表供给减摩层的意图是为了进步轴瓦的减摩性、耐磨性、耐蚀性、镶嵌性、顺应性、磨合性、抗咬合性、抗疲劳强度、抗压强度、承载才能等；然后进步其作业功能；延伸运用寿命；结尾确保主机的高功能运转.
通常依据运用需求挑选镀层品种.小型发动机的轴瓦通常运用PbSn6~20二元合金[12~13、16~17、22]；也有运用铅铜(PbCu)、铅银(PbAg)二元合金的.跟着时刻的推移和科学技术的开展；关于大、中型柴油机、内燃机上运用的轴瓦；需求具有负载才能大、运用寿命长；且应具有杰出的润滑性、耐蚀性、耐磨性等功能.理论证明；在传统的铅锡(PbSn6~20)二元合金减磨镀层中参加少数的第三组分元素铜(Cu)就能够显着改善镀层功能[3、10、20].当铅锡(PbSn6~20)二元合金镀层中加2~3%的铜时；一方面因为铜与锡具有必定的亲合势；在必定程度上按捺了锡向面料(即基体)涣散；有利于确保镀层中锡含量及其金相布局的安稳，另一方面；因为参加了铜后；镀层的硬度从本来HV8~10进步到HV13~15；大大改善了镀层的耐磨性和抗疲劳强度等；然后显着进步了轴瓦的负载才能；运用寿大幅度延伸.
若在面料金属上直接电镀减摩镀层；则镀层中的锡简单向面料涣散；使得轴瓦在作业一段时刻后；镀层内的锡含量降低到小于6%(质量).而且无论是铜基合金面料仍是铝基合金面料；其间都富含必定量的铜；涣散到面料中的锡能与铜生成脆性大的金属间化合物(Cu3Sn).这样不只使镀层的机械功能降低；而且破坏了面料的布局；至使轴瓦的全体机械功能降低.处理该难题的方法是在面料资料与减摩底层之间电镀一层镍或镍基合金阻挡层(又称栅层或阻挡层)；以按捺锡向面料涣散[1~2].
锡或铅锡合金防护层除了具有必定的防腐蚀作用外；在轴瓦作业时刻还能够涣散的方法弥补减摩层中的锡的含量；使其各成分的含量处于相对安稳的状况.别的；因为这层防护层不含铜；相对较软；因而轴瓦在作业的初期就能到达杰出的磨合需求.
本文首要调查轴瓦减摩层的电镀工艺.
2 开展进程
减摩镀层在国外的研讨起步较早.1920年由格罗奥夫(J。Grooff)提出了电镀铅锡合金的榜首个专利；并用于水兵鱼雷储气瓶的内外表电镀；到二十世纪四十年代开端用于轴瓦的电镀.1952年舒尔茨(Schults)提出了在铝及铝硅(AlSi)合金基体上电镀铅锡铜三元合金的专利.1953年舍夫(Schoefe)曾宣布轴瓦运用铅锡铜合金的总述.1976年；Jong Sang Kim；Su ιι Pyun and Hyo Geun Lee宣布了“铅锡铜电镀层的晶面取向及微观描摹”的论文[7].1980年毕比(Beebe)提出含铜2~3%(质量)、锡9~12%(质量)；其他为铜的三元合金电镀出产工艺流程；镀层厚度为15μm.1982年沃特曼(Waterman)等人就三元合金电镀液中铜离子(Cu2+)的置换难题提出了处理的方法.
国内关于减摩合金镀层的研讨和运用起步较晚.1960年头；武汉资料保研讨所与海陵榜首配件厂首要研发并用于出产的电刷镀铅锡合金工艺已用于快艇发动机的电镀.二十世纪七十年代中期；上海合金轴瓦厂及上海东造船厂对轴瓦电镀铜锡合金工艺者了较具体的研讨[12~13].1985年；哈尔滨工业大学电化学教研室与中国船舶工业总公司四六六厂共同研讨了铅青铜滑动轴承上电镀铅锡铜三元合金减摩层的工艺；并已用于出产.1989年；Dusanka Radoric宣布了“在氟硼酸盐镀液中以氢醌(对一苯二酚)为添加剂的铅锡合金电镀”的论文16.十十世纪末；南通轴瓦厂的范家华、姜志东21、24；武汉资料保研讨所的曾良宇、杨先桂、王会文8、17；广西桂林内燃机配件厂的秦胜毅9；戚墅堰机车车辆工艺研讨所薛伯生20等对减摩层的电镀工艺从不一样的方面先后进行过不一样程度的研讨；为该工艺在出产运用中的进一步完善奠定了必定的根底.
3 难题的提出
我厂的铅锡铜三元合金减摩镀层的电镀工艺属国内首创；多年来为我国主机配件商场供给了很多轴瓦.这些年；我厂轴瓦产物定货量逐年上升；而且有些轴瓦产物已打入世界市.哂幸欢康某隹.这充沛体现了我厂的轴瓦产物在剧烈的商场竞赛中具有恰当强的实力.
自1989年到1991年时刻；经过咱们的艰苦尽力、重复实验；已从根本上处理了轴瓦镀层起泡、脱皮等附着强度差的丧命缺点难题，消除了基体遭受批量性严肃腐蚀的毛病，克服了批量性壁厚超差；进步了工序才能，废品丢失率一向很低；一次交检合格品率逐年进步.
可是；镀层粗糙、结瘤、花斑、凹坑、气流条纹等缺点还时有发作；有时还呈现阴极电流密度(DK)达不到工艺规模的表象.
减摩镀层的上述缺点直接影响轴瓦产物质量.跟着主机厂机型的不断更新换代、进口机型的国产化及商场竞赛的日趋剧烈；用户对轴瓦产物质量的需求越来越高.商场的竞赛从根本上说就是产物质量的竞赛.在用户对产物质量指标需求日益进步的局势下；咱们面临着改善轴瓦电镀工艺、进一步进步轴瓦产物质量这一新课题的严肃应战.
4 影响轴瓦减摩镀层质量的有关要素
4。1 铅锡铜三元合金减摩层电镀液的文献配方及工艺参数
文献[3~10、20、23~24]中宣布的铅锡铜三元合金镀液中有关成分的含量及工艺参数归纳如下：
Pb2+(以Pb(BF4)2的方式参加)：80~333g/ι，
Sn2+(以Sn(BF4)2的方式参加)：5~33。3g/ι，
Cu2+(以Cu(BF4)2的方式参加)：2~11g/ι，
HBF4(游离)：40~300g/ι，
H3BO3(游离)：15~40g/ι，
安稳剂：2~12g/ι，
添加剂：0。1~5g/ι，
阴极电流密度(DK)：1~8A/dm2，
温度(T)：15~30℃，
时刻(t)：15~35min，
镀层厚度(δ)：15~30μm，
阳极的组成：PbSn8~11.
4。2 影响减摩镀层质量的有关要素
从上述配方中能够看到；无论是成分含量仍是工艺参数；其规模都太宽，为习惯出产需求；有必要进一步寻优；在进行寻优实验之前先对影响减摩镀层质量的有关要素进行必要的剖析；以断定正交实验中各因子水平的可行域.
4。2。1 主盐离子浓度的影响
镀液中的主盐离子为Pb2+、Sn2+、Cu2+.其间的Sn2+、Cu2+的含量可依据合金镀层中Sn、Cu的分量百分含量进行相应的调整；能够满意用户对镀层成分含量的需求.因而对主盐离子而言；仅就镀液中的Pb2+含量对镀层质量的影响进行评论.
镀液中的Pb2+为合金镀层供给首要组分；文献报导的含量规模为80~333g/ι.若是其浓度较高；则答应运用较高的阴极电流密度；堆积速度快，但涣散才能降低；带出丢失较大.若是其浓度较低；则涣散才能较好；但堆积速度较慢.若是含量太低则镀液的浓差极化太大；电流升不上去；镀层易呈现气流条纹缺点和棱锥形的微观金相布局；直观上体现为镀层粗糙.若是含量过高则一方面使镀液带出丢失增大；添加本钱，另一方面在气温较低时易发作硼酸(H3BO3)及添加剂的析呈表象；然后构成镀层粗糙.适合的含量是DK升至工艺规则的上限；且镀层结晶详尽，在气温降至15℃以下时；镀液中应无硼酸及添加剂的析呈表象.
4。2。2 游离氟硼酸(HBF4)浓度的影响
其首要作用为推进阳极正常溶解，避免二价锡(Sn2+)的氧化和按捺首要离子(Pb2+、Sn2+、Cu2+)的水解；进步镀液的安稳性，进步导导性及涣散才能，细化结晶.
文献报导的含量规模为40~300g/ι.
当游离氟硼酸的含量过低时；它离解出的氢离子(H+)浓度低；镀液中能够发作如下水解反响，
Pb2++2H2O<==>Pb(OH)2↓+2H+
Sn2++2H2O<==>Sn(OH)2↓+2H+
Cu2++2H2O<==>Cu(OH)2↓+2H+。
它们都生成氢氧化物堆积而悬浮于镀液中.电镀时；它们粘附于基体外表或夹杂在镀层内；使得镀层与基体之间的结合力降低；且镀层发脆、粗糙、起花斑；然后镀层的耐磨性及抗疲劳强度等功能显着降低.
当镀液中的游离氟硼酸含量过高时；在镀件的高电流密度处；即轴瓦有毛刺的当地或锐边、端面等有氢气分出.其成果是在轴瓦镀层上面发作气流条纹和针孔缺点.一起；因为边缘效应和尖端放电使得高电流密度处堆积太快；镀液中的主盐离子来不及弥补；即由外表涣散或形核操控转变成液相传质操控；浓差极化增大得使轴瓦内外表(阴极)发作如下电化学副反响：
2H++2e<==>H2↑
从上述反响能够看出；当氢离子(H+)浓度(即相应的游离氟硼酸的浓度)增高时；平衡向右边挪动；推进氢气(H2)的生成.析氢的成果不只会使镀层呈现气流条纹和针孔等缺点；而且还会因为初生态的氢(H 即氢自由基)向镀层内部浸透构成金属氢化物而发作晶格歪曲及螺纹错位表象.若是用扫描电镜(SEM)调查该镀层断面的微观描摹；能够发现其晶体呈大棱锥布局[7]；直观上则是镀层粗糙.另一方面；构成的金属氢化物是不安稳物质；经烘烤加热查验时会分化而释放出氢气(H2)然后使镀层发作鼓泡表象.
4。2。3 游离硼酸(H3BO3)含量的影响
文献[7、11~24]报导的含量为15~40g/ι.
在镀液中存在如下化学平衡：
HBF4+3H2O<==>H3BO3+4HF
HF<==>H++F-
2F-+Pb2<==>PbF2↓
当镀液中硼酸的含量过低时；上述三个平衡皆向右挪动；结尾招致有害的PbF2堆积的生成.因而；必定量的游离硼酸起安稳游离氟硼酸的作用.
PbF2的溶度积为KSP=4。0×10-8moι/ι.依据溶度积原理；当[F-]2[Pb2+]≥KSP=4。0×10-8moι/ι时；镀液中就能够生成PbF2堆积.设镀液中的[Pb2+]为0。68moι/ι(即140g/ι)；将[Pb2+]、KSP之值代入上式得：
[F-]2×0。68≥4。0×10-8moι/ι.
经核算得：
[F-]≥10-3。62moι/ι=0。0002399moι/ι
=0。0045556moι/ι
=4。556mg/ι
4。556ppm
由上述核算可知；当镀液中游离的[F-]大于4。556ppm时；就会成PbF2堆积；使得镀液污浊.在这样的镀液中进行电镀时；镀层会呈现麻点、凹坑、粗糙和起泡等缺点.
由此可见；镀液中足量的游离硼酸是经过按捺游离氟硼酸的离解；把游离的[F-]操控在低于PbF2堆积分出的程度；然后在一个方面安稳镀液.
当镀液中游离硼酸的含量过高时；在气温降低的状况下会分出很多结晶；电镀时使得镀层十分粗糙；并影响底层与基体之间的结合力.
4。2。4 阴极电流密度(DK)的影响
跟着DK的升高；镀层中的锡含量添加；而且堆积速度加速；出产功率进步.当DK降低时；有利于镀层结晶的细化.
在理论出产中；为了加速进展；期望将DK升得高些，可是终究DK升至多少适合要受镀液中的主盐离子；特别是铅离子(Pb2+)含量的制约.
据文献[7]报导；当镀液中的[Pb2+]高达333g/ι时；DK能够升至4A/dm2；且镀层反射面{111}的布局系数仍高达1。42；阐明结晶很细.当镀液中的[Pb2+]为222g/ι时；欲使镀层反射面{111}的布局系数达1。47时；DK只能升到1A/dm2，若是DK升至2A/dm2；反射面{111}的布局系数降为1。14；此刻镀层结晶也还较详尽.当镀液中的[Pb2+]降为111g/ι；若是DK升至2A/dm2；则反射面{111}的布局系数只要0。63；此刻的镀层在微观上讲现已不算详尽了；要到达较详尽的镀层；DK只能升1。5A/dm2以下.文献[7]宣称；DK的升高招致阴极电位的上升.当阴极电位超越560mV(相关于饱满甘汞电极)时；无论浓度及其它工艺参数怎么改变；优势的晶面取向都从{111}改变到{100}；即镀层的结晶由细变粗.这种改变与棱锥形晶面的构成有关；是晶核构成及晶体生长的速度操控进程由外表涣散或形核操控改变为液相传质操控的成果.
4。2。5 安稳剂含量的影响
空气中的氧气(O2)在镀液中具有必定溶解度；它会将镀液中一有些二价锡离子(Sn2+)氧化成四价锡离子(Sn4+).Sn4+即便在酸浓度很高的溶液中也会构成溶解度极小的Sn(OH)4；继之失掉一分子水后生成锡酸(H2SnO3)胶状悬浮物而影响镀层质量.
处理上述难题的方法是在镀液中参加2~12g/ι的氢醌(对一苯二酚)、间一苯二酚或苯酚等抗氧剂.其基本原理是它们与氧反响生成氧化态.通电时；这种氧化态又可在阴极还原本钱来的物质.如此重复；大大降低了镀液中氧的含量；延缓了Sn2+的氧化；安稳了镀液.
4。2。6 添加剂含量的影响
在镀液中参加0。1~5g/ι明胶、胨或桃胶等能够进步阴极极化；细化结晶；改善涣散才能；还有利于进步镀层中的锡含量.添加剂太少会使镀层疏松、粗糙、发黑，过多会使镀层发脆.
轴瓦减摩镀层的电镀由液相传质、前置转化、电荷传递、外表涣散或形核、构成结晶等五个进程构成.在构成镀层晶体时；又分为一起进行的两个进程；即结晶中心(晶核)的生成和生长进程.这两个进程的速度决议着镀层结晶的粗细程度.若是晶核的生成速度较快；而晶核生成后的生长速度较慢；则在成晶粒数目较多；晶粒较细.反之晶粒就较粗.也就是说；在电镀进程中当晶核的生成速度大于晶核的生长速度时；就能取得结晶详尽、摆放严密的镀层.晶核的生成速度大于晶核的生长速度的程
度越大；则镀层结晶就越详尽、严密.
结晶安排较细的镀层；其防护性、功能性和外观质量都较抱负.理论标明；进步镀层电结晶时的阴极极化作用；能够进步晶核的生成速度；便于取得结晶详尽的镀层.可是当阴极极化作用超越必定规模时；会招致氢气很多分出；然后使镀层变得多孔、粗糙、疏松、烧焦；乃至是粉末状的；质量反而降低.添加剂含量及游离氟硼酸含量太高或主盐浓度太低时；镀层都会呈现上述严肃缺点.
4。2。7 温度的影响
跟着温度的升高；镀液中各成分的溶解添加；其浓度可取上限规模.这有利于DK的升高；然后堆积速度加速.但温度过高则阳极溶解过快；阳极泥增多；使镀液污浊、镀层结瘤.一起游离氟硼酸、有机安稳剂等蒸发加速；异味添加、环境恶化.
温度过低则游离硼酸易分出；使镀液污浊、镀层粗糙，一起DK升不上去；堆积速度慢；出产功率低.
5 实验进程
用L9(34)正交实验法断定镀液中[Pb2+]、游离[HBF4]、游离[H3BO3]及工艺参数DK的最佳值.
5。1 实验条件
阳极组成：PbSn10，
温度：20~25℃，
电源：三相全波硅整流器，
试片几许尺度：100×50×4，
试片面料(即被镀基体)的组成：CuPb22Sn2，
试片面料的外表粗糙度：Ra0。4.
固定成分含量.
Sn 2+：15g/ι，Cu：5g/ι，安稳剂：5g/ι，添加剂：2g/ι，
表1 列号、因子对照表
--------------------------------------------------------
L9(3< 1 2 3 5
sup>4)列号
--------------------------------------------------------
因子 A B C D
--------------------------------------------------------
表2 因子、水平表
-------------------------------------------------------------
水平/数 游离氟硼 铅离子 游离硼酸 阴极电流
据/因子 酸[HBF [H3 密度(DK)
ub>4] BO
3 sub>]
A B C D
-------------------------------------------------------------
1 75g/ι 250g/ι 25g/ι 4A/dm2
2 150g/ι 150g/ι 35g/ι 3A/dm2
3 300g/ι 80g/ι 15g/ι 2A/dm2
-------------------------------------------------------------
5。2 因子及其水平
游离氟硼酸(HBF4)的浓度(A)：A1=70g/ι，A2=150g/ι，A3=300g/ι.
铅离子(Pb2+)的浓度(B)：B1=250g/ι，B2=150g/ι，B3=80g/ι.
游离硼酸(H3BO3)的浓度(C)：C1=25G/ι，C2=35g/ι，C3=15g/ι.
阳极电淳密度(DK)(D)：D1=4A/dm2，D2=3A/dm2，D3=2A/dm2.
5。3 实验进程及其成果评估
在细心、细心地预备之后；按正交实验计划(见表3)精心安排九次实验；对实验成果进行了评估.
表3 正交实验计划及其成果剖析表L9(34)
-------------------------------------------------------------
实验号/水 1 2 3 4 实验成果评分
平/列号
-------------------------------------------------------------
1 1 1 1 1 100
2 1 2 2 2 100
3 1 3 3 3 95
4 2 1 2 3 80
5 2 2 3 1 65
6 2 3 1 2 70
7 3 1 3 2 45
8 3 2 1 3 50
9 3 3 2 1 30
-------------------------------------------------------------
K1 295 225 220 195
K2 215 215 210 215
K3 125 195 205 225
R 56。6 10。0 5。0 10。0
-------------------------------------------------------------
在表3中；K1分别为各列中第1 水平得分的总和，K2分别为各列中第2水平得分的总和，K3分别为各列中第3水平得分的总和.
R=(Kmax Kmin)/3.
四个因子对轴瓦减摩镀层质量影响的巨细次序是A＞B=D＞C.即游离氟硼酸的浓度影响最大；铅离子的浓度及阴极电流密度的影响次之；游离硼酸的浓度影响最小.
如今剖析各因子中的每一水平对轴瓦减摩镀层质量的影响状况.
在A中：K1＞K2＞K3；第1水平最棒.
在B中：K1＞K2＞K3；第1水平最棒.
在C中：K1＞K2＞K3；第1水平最棒.
在D中：K3＞K2＞K1；第3水平最棒.
经过上述剖析；得出最佳组合条件为A1B1C1D3.即由正交实验法得出的最佳电镀条件为
HBF4(游离)： 70g/ι，
Pb2+： 250g/ι，
H3BO3(游离)： 25g/ι，
DK： 2A/dm2.
在理论出产中；思考到槽液的导电性及带出丢失等要素；把游离氟硼酸的浓度及铅离子的浓度进行恰当调整；前者恰当调高；后者恰当调低.从表3还能够看出；DK在2~3A/dm2的规模之内时；镀层质量不同不大；思考到出产进展；因而将它断定在适合的规模之内.当气温降低时；游离硼酸易分出结晶；因而将其浓度思考得略低些.
经充沛权衡多方面的要素；把轴瓦电镀三元合金减摩层的工艺进行了如下改善.
Pb2+(以Pb(BF4)2的方式参加)：150~200g/ι，
Sn2+(以Sn(BF4)2的方式参加)：10~20g/ι，
Cu2+(以Cu(BF4)2的方式参加)：3~6g/ι，
HBF4(游离)：70~120g/ι，
H3BO3(游离)：20~25g/ι，
安稳剂：3~10g/ι，
添加剂：0。5~5g/ι，
温度(T)：15~35℃，
阴极电流密度(DK)：2~2。8A/dm2，
时刻(t)：15~35min，
镀层厚度(δ)：15~30μm，
阳极组成：PbSn9~11，
阳极面积与阴极面积之比：2.
6 作用
改善后的工艺阅历了多年的出产运转检测.其成果是镀层结晶细密、润滑；消除了气流条纹、针孔、凹坑、结瘤、粗糙等缺点.轴瓦产物的废话品丢失率由本来的0。5%左右降低到如今的0。1%以下，一次交检合格品率由本来的90%左右上升到如今的99%以上.可见轴瓦电镀产物质量有了显着进步.
曾经；每个阳极方位只能电镀一副轴瓦；DK开中、下限还时有镀层粗糙、条纹等缺点发作.改善工艺后；每个阳极方位可电镀2~4副轴瓦；阴极电流密度比本来进步近50%；而且镀层结晶仍很细密.改善后的工艺进步工效2~4倍.
我厂轴瓦定货量逐年上升；产值逐年增高；当前年产值已达一千多万元.近十年来发作直接经济效益数千万元.一起还为主机厂更新换代的主机及进口主机的国产化供给了恰当数量的高质量的轴瓦配件.这些年；我厂有些轴瓦产物已打入世界市.哂幸欢ㄊ康某隹.这一切都与轴瓦电镀质量的进步有着直接的联系.
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