汽車活塞環(huán)表面電鍍Ni-SiC 復(fù)合鍍層

孟繁營(yíng)

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 德州253034）

0 前言

因所處環(huán)境改變而造成的異常磨損，已成為零部件的主要失效形式［1-2］。失效會(huì)導(dǎo)致零部件尺寸精度降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因零部件磨損失效而造成的損失巨大。巨額的損失使得磨損問(wèn)題受到普遍關(guān)注，關(guān)于磨損失效機(jī)制和磨損失效防護(hù)的研究也隨之展開。

磨損零部件修復(fù)包括電鍍、激光熔覆和噴涂等。相比較而言，電鍍技術(shù)的成本更低、可控性更好，并且無(wú)需依賴于復(fù)雜的系統(tǒng)，因而更為經(jīng)濟(jì)、高效。本文選取磨損失效的汽車活塞環(huán)作為對(duì)象，采用電鍍技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電鍍過(guò)程

選取球墨鑄鐵材質(zhì)的汽車活塞環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電鍍前，依次進(jìn)行表面打磨、化學(xué)除油、酸洗活化、電凈和清洗處理。鍍液組成為：氨基磺酸鎳500g／L，硼酸60g／L，氯化鎳10g／L，氯化銨10g／L。彌散相微粒選擇SiC（粒徑約為2μm），添加量為15g／L。電鍍過(guò)程中，先加載較低的電流密度在活塞環(huán)表面預(yù)鍍純鎳薄層，隨后再增加電流密度至預(yù)設(shè)數(shù)值，并保持穩(wěn)定，目的是獲得與活塞環(huán)基體緊密結(jié)合的復(fù)合鍍層。電鍍后，將表面電鍍Ni-SiC復(fù)合鍍層的活塞環(huán)（簡(jiǎn)稱電鍍活塞環(huán)）置于丙酮溶劑中清潔，烘干后進(jìn)行測(cè)試分析。

1.2 測(cè)試分析

依照《金屬基體上的金屬覆蓋層、電沉積層和化學(xué)沉積層附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法的評(píng)述》，采用銼刀試驗(yàn)法定性測(cè)試復(fù)合鍍層與活塞環(huán)基體的結(jié)合強(qiáng)度。

采用NOVA NANOSEM 450型掃描電鏡觀察電鍍活塞環(huán)的表面形貌與顯微結(jié)構(gòu)。采用INCA ENERGY 350型能譜儀分析電鍍活塞環(huán)的表面成分及其中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采用HVS-1000Z型硬度計(jì)測(cè)試電鍍活塞環(huán)的硬度。測(cè)試條件為：室溫，加載100g，保載10s。采用MQP-5H 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試電鍍活塞環(huán)的耐磨性。測(cè)試條件為：室溫，加載10 N，無(wú)潤(rùn)滑摩擦。以磨損失重量為耐磨性的衡量指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合強(qiáng)度

復(fù)合鍍層與活塞環(huán)基體的結(jié)合強(qiáng)度關(guān)乎復(fù)合鍍層能否發(fā)揮預(yù)期功能，也決定著電鍍活塞環(huán)的再使用壽命。銼刀試驗(yàn)結(jié)果顯示：復(fù)合鍍層未出現(xiàn)脫離基體的跡象，表明結(jié)合強(qiáng)度較高。經(jīng)預(yù)處理的活塞環(huán)基體表面存在著密集分布的微凸起和微凹坑。隨著復(fù)合鍍層的形成并增厚，凹陷區(qū)域會(huì)被填平。這種凹凸起伏的表面狀況起到了鑲嵌和釘扎作用［3］。除此之外，復(fù)合鍍層與基體間以金屬鍵的形式結(jié)合，基質(zhì)金屬與彌散微粒間以界面作用力的形式結(jié)合［4］。機(jī)械結(jié)合與物理結(jié)合的共同作用，致使復(fù)合鍍層與活塞環(huán)基體緊密結(jié)合。

2.2 形貌結(jié)構(gòu)

圖1為電鍍活塞環(huán)的表面形貌與顯微結(jié)構(gòu)。由圖1可知：電鍍活塞環(huán)的表面較平整，顯微結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小均勻。能譜分析結(jié)果見圖2。由圖2可知：表面成分中含有Si元素與C元素，表明SiC微粒的存在。依據(jù)電鍍理論分析［5］，彌散分布在復(fù)合鍍層中的微粒，影響基質(zhì)金屬的電結(jié)晶過(guò)程，進(jìn)而改善復(fù)合鍍層的形貌結(jié)構(gòu)。

圖1 電鍍活塞環(huán)的表面形貌與顯微結(jié)構(gòu)

圖2 電鍍活塞環(huán)表面元素分析結(jié)果

平整的表面狀況和均勻致密的結(jié)構(gòu)特征，確保了電鍍活塞環(huán)的尺寸精確性，能夠滿足配合要求，基本無(wú)需額外的修整加工。而尺寸精度的保證，是實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)表面均勻磨損的前提。

2.3 硬度

圖3為活塞環(huán)的硬度對(duì)比。如圖3所示，電鍍活塞環(huán)的硬度約為5 634 MPa，較活塞環(huán)基體的（約為2 600 MPa）有大幅提高。復(fù)合鍍層的表面改性作用，是電鍍活塞環(huán)硬度較高的原因所在。另外，經(jīng)適度熱處理后，電鍍活塞環(huán)的硬度有所提高。這可能是由于適度熱處理促使復(fù)合鍍層由熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)向熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變［6］。轉(zhuǎn)變過(guò)程中，彌散分布的微粒抑制晶粒的合并再生長(zhǎng)過(guò)程，阻礙晶界的擴(kuò)展延伸，引起再?gòu)?qiáng)化效應(yīng)。與此同時(shí)，微粒發(fā)揮支撐、固結(jié)和強(qiáng)化作用，提高復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)致密度，有效延緩因高溫導(dǎo)致的軟化進(jìn)程，改善復(fù)合鍍層的性能。

圖3 活塞環(huán)的硬度對(duì)比

2.4 耐磨性

圖4為活塞環(huán)表面磨損形貌對(duì)照。由圖4 可知：未鍍活塞環(huán)表面犁溝較寬且深，紋路清晰，并且局部顯現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，形成的磨屑散落分布。這表明摩擦過(guò)程中未鍍活塞環(huán)表面發(fā)生了較嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損。前者是因摩擦介質(zhì)的微犁削和塑性擠壓綜合作用所導(dǎo)致，而后者則是因摩擦過(guò)程中接觸區(qū)域瞬時(shí)形成高溫高壓所導(dǎo)致［7］。

反觀電鍍活塞環(huán)，表面僅發(fā)生磨粒磨損，磨痕較淺且窄，形成的磨屑較少。圖5為活塞環(huán)的磨損失重量對(duì)比。由圖5可知：電鍍活塞環(huán)表面磨損輕微，磨損失重量從8.6 mg 降至5.8 mg，降幅接近33%，表現(xiàn)出良好的耐磨性。原因在于電鍍活塞環(huán)表面的摩擦機(jī)制不同。摩擦過(guò)程中，鑲嵌在活塞環(huán)表面復(fù)合鍍層中的微粒，一方面發(fā)揮支撐作用，能夠承受一定的摩擦載荷并減小摩擦接觸面積，避免表面粘著磨損的發(fā)生；另一方面，微粒本身具有的高溫穩(wěn)定性，能改善復(fù)合鍍層的高溫適應(yīng)性，并且有助于建立穩(wěn)定的邊界摩擦狀態(tài)，從而減輕表面磨損程度。

圖4 活塞環(huán)表面磨損形貌對(duì)照

圖5 活塞環(huán)的磨損失重量對(duì)比

另外，依據(jù)材料學(xué)理論［8］，材料的硬度與耐磨性之間存在定性關(guān)系。一般而言，硬度越高越耐磨。正因如此，硬度被用作衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)。對(duì)于電鍍活塞環(huán)，較高的硬度也是其耐磨性增強(qiáng)的主要原因。經(jīng)適度熱處理，電鍍活塞環(huán)的表面硬度有所提高，故而磨損失重量降低，耐磨性增強(qiáng)。

3 結(jié)論

為了增強(qiáng)汽車活塞環(huán)的耐磨性進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命，在其表面電鍍Ni-SiC 復(fù)合鍍層。得出結(jié)論：（1）復(fù)合鍍層發(fā)揮表面改性的作用，改善基體組織結(jié)構(gòu)并提高硬度，致使電鍍活塞環(huán)表面磨損程度輕，磨損失重量低；（2）適度熱處理能夠提高電鍍活塞環(huán)的硬度，有助于增強(qiáng)其耐磨性。

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