王玉琳，沈曄超，宋守許

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼是基礎(chǔ)件，在汽車(chē)使用一段時(shí)間后，橋殼半軸套管的油封和軸承頸等配合面會(huì)出現(xiàn)磨損超差等失效形式［1］。傳統(tǒng)的鑲套修復(fù)工藝較為繁瑣，目前已經(jīng)較少使用。電刷鍍是用電解技術(shù)在工件表面獲得鍍層的方法，所得鍍層能夠強(qiáng)化、提高工件的表面性能，改變工件尺寸，改善機(jī)械配合，修復(fù)因超差或磨損而報(bào)廢的工件［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同電刷鍍工藝下的鍍層組織和性能進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［3-6］采用掃描電鏡EDS 和X 射線衍射技術(shù)分析了鍍層的表面形貌、力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［7-9］采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、能譜儀和顯微硬度計(jì)研究了鍍層的減摩潤(rùn)滑機(jī)理和耐腐蝕沖蝕性能;文獻(xiàn)［10-12］通過(guò)原子力顯微鏡和X射線熒光分析等方法，得出了沉積溫度、鍍液PH 值、電流密度等工藝參數(shù)對(duì)鍍層結(jié)晶大小、表面形態(tài)性質(zhì)、最大可鍍厚度和電流效率的影響規(guī)律。但目前針對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管再制造的電刷鍍技術(shù)研究還很少。

用于再制造的電刷鍍研究與鍍層性能研究有所不同，需要在滿足修復(fù)鍍層性能的同時(shí)綜合考慮刷鍍工藝的經(jīng)濟(jì)性、綠色性和高效性。根據(jù)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的磨損失效形式，以半軸套管40Mn 毛坯為基體，采用直流和脈沖兩種不同電刷鍍工藝制備電刷鍍修復(fù)層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析電刷鍍效率和鍍層質(zhì)量在不同工藝條件下的變化規(guī)律，得出最合適用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管再制造的電刷鍍工藝參數(shù)，為汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管表面擦傷和腐蝕磨損的再制造提供了技術(shù)依據(jù)。

1 半軸套管損傷概況及鍍液選擇

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼在工作中由于油質(zhì)污染、磨粒磨損、軸承及油封拆卸等原因，半軸套管油封處和內(nèi)、外軸承配合面會(huì)產(chǎn)生局部軸向磨損和淺拉傷，從而造成配合的失效。雖然復(fù)合納米新型鍍液具有提高鍍層硬度、細(xì)化鍍層晶粒等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，綜合考慮再制造的經(jīng)濟(jì)性，選用特殊鎳作為底層，堿銅作為夾心層，快速鎳作為工作層進(jìn)行電刷鍍?cè)僦圃鞂?shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)基體為40Mn 鋼半軸套管，刷鍍部位尺寸φ69mm×59mm。電刷鍍?cè)O(shè)備為NBD-150 逆變脈沖電源，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同電源占空比下的脈沖電刷鍍和直流電刷鍍工藝。通過(guò)刷鍍電源自帶的安培小時(shí)計(jì)功能，可利用計(jì)算公式:Q =C ×S ×δ(Q—電刷鍍消耗的電量，C—鍍液的耗電系數(shù)，S—刷鍍面積，δ—鍍層厚度)間接控制鍍層的厚度。采用車(chē)床CQ6128A 并加裝EURA F1500—G Series 變頻器，使車(chē)床可以實(shí)現(xiàn)20 ～240r/min 范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足了不同電刷鍍工藝條件下的線速度要求。

2.2 刷鍍前處理

良好的刷鍍前處理是獲得合格結(jié)合力的保證。受損后的半軸套管表面會(huì)出現(xiàn)劃痕和擦傷，造成待鍍表面的不平整。首先依次采用60#和180#的砂帶打磨去除半軸套管表面疲勞受損層。結(jié)合廢舊半軸套管的油污構(gòu)成，自行配制含有非離子表面活性劑但不含有P的水基綠色清洗劑，利用JK-250DB 超聲波清洗機(jī)配合所配清洗劑，在60－70℃下清洗3min，并用無(wú)水乙醇擦拭清洗后的待測(cè)面，即可高效、綠色、經(jīng)濟(jì)地去除半軸套管上夾雜著大量灰塵的齒輪油和潤(rùn)滑油。自配水基綠色清洗劑的成分如表1 所示。

表1 自配水基綠色清洗劑成分

2.3 鍍層工藝性能測(cè)試

為了研究最適合用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管再制造的電刷鍍工藝參數(shù)，首先測(cè)出各種電刷鍍工藝條件下的鍍層沉積速度及最大可鍍厚度，再利用線切割將半軸套管上的刷鍍區(qū)域制成2cm×2cm×1cm的試樣，檢驗(yàn)各鍍層的結(jié)合力是否可靠。選用顯微硬度計(jì)測(cè)試各鍍層的顯微硬度，利用JSM-6490LV 掃描電子顯微鏡進(jìn)行各鍍層的表面形貌觀測(cè)和能譜分析，采用D/MAX2500V X 射線衍射儀進(jìn)行X 射線衍射物相分析，分析鍍層組成元素、判斷鍍層孔隙率，并根據(jù)Scherrer 方程［13］計(jì)算鍍層晶粒大小:

式中:D 為垂直于反射晶面方向的晶粒尺寸;β 為衍射譜線在強(qiáng)度峰值一半處的寬度，即半高寬;λ 為所用X 射線的波長(zhǎng);θ 為λ 射線與某一組晶面之間所成的布拉格角;K 為與晶粒形狀有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，這里取K=0.89。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鍍層結(jié)合力

鍍層的結(jié)合力是評(píng)定使用性能的最重要指標(biāo)，如果結(jié)合力的測(cè)試不合格，即使其它性能再優(yōu)越，該鍍層也無(wú)使用價(jià)值。采用銼削法檢測(cè)鍍層結(jié)合強(qiáng)度，將試樣夾在臺(tái)鉗上，用一種粗齒扁銼由基體橫截面向鍍層方向銼，銼刀與鍍層表面大約成45°角。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)鍍層厚度較小時(shí)，直流和脈沖電刷鍍層均未發(fā)現(xiàn)起皮和剝落現(xiàn)象;當(dāng)鍍層厚度超過(guò)0.2mm 時(shí)，由于直流電刷鍍過(guò)程中張力過(guò)大，將導(dǎo)致鍍層裂紋的出現(xiàn)，龜裂嚴(yán)重，刀銼處鍍層起皮脫落，結(jié)合力差。脈沖電刷鍍刀銼處鍍層粉狀碎落，未見(jiàn)脫落現(xiàn)象，依然保持了較高的結(jié)合強(qiáng)度，說(shuō)明一定占空比下的脈沖電源可以獲得明顯大于直流電源的最大可鍍厚度，在鍍層較厚時(shí)，其結(jié)合力也更為可靠。

由于脈沖電刷鍍有助于改進(jìn)鍍層性能，從而獲得鍍層與基體間更為可靠的結(jié)合強(qiáng)度，增加鍍層最大可鍍厚度，在實(shí)際電刷鍍?cè)僦圃爝^(guò)程中刷鍍電源的占空比不宜取的過(guò)大。

3.2 電刷鍍沉積速度

電刷鍍層由底層特殊鎳、夾心層堿銅和工作層快速鎳組成，因?yàn)樘厥怄囧儗雍穸群鼙?，所以其沉積速度對(duì)電刷鍍工藝總效率影響不大。保持刷鍍電源頻率1000Hz 不變，分析不同刷鍍電源占空比對(duì)夾心層堿銅和工作層快速鎳鍍層沉積速度的影響，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 中a、b 曲線分別為鍍層實(shí)際沉積速度的連接折線及對(duì)應(yīng)的二次多項(xiàng)式擬合曲線。從圖中可以看出:隨著刷鍍電源占空比的不斷降低，鍍層沉積速度呈明顯下降趨勢(shì)。以快速鎳為例，當(dāng)占空比降至60%時(shí)，其鍍層沉積速度僅為直流電源下的34.035%，而當(dāng)占空比降至40%時(shí)，鍍層沉積速度僅為直流電源下的3.909%。過(guò)低的刷鍍電源占空比會(huì)導(dǎo)致鍍層沉積速度的急劇下降，從而大大降低再制造的效率。因此，實(shí)際汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管電刷鍍?cè)僦圃斓倪^(guò)程中，刷鍍電源的占空比也不宜取的過(guò)小。

圖1 刷鍍電源占空比對(duì)鍍層沉積速度的影響

從上述兩組實(shí)驗(yàn)中可以看出，刷鍍電源占空比取的較大，可以提高鍍層沉積速度，但是過(guò)大的刷鍍電源占空比，也會(huì)導(dǎo)致鍍層最大可鍍厚度的減小和鍍層結(jié)合力的下降。為了在保證電刷鍍修復(fù)層性能的同時(shí)盡可能獲取較高的再制造效率，分析對(duì)比直流和脈沖兩種不同的電刷鍍工藝在半軸套管再制造中的優(yōu)劣。由于脈沖電源占空比取的太小會(huì)導(dǎo)致電刷鍍效率過(guò)低，從而失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;刷鍍電源占空比取的太大，電刷鍍工藝又近似于直流電刷鍍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，70%左右的刷鍍電源占空比可以獲得較好的鍍層結(jié)合力，同時(shí)鍍層沉積速度也不至于降得過(guò)低，因此制備70%脈沖電刷鍍和直流電刷鍍層，測(cè)試不同電刷鍍工藝條件下的鍍層性能。

3.3 鍍層硬度

硬度是決定半軸套管磨損性的重要指標(biāo)。軸頸與軸承內(nèi)孔之間的摩擦力直接作用于修復(fù)層表面，為了對(duì)電刷鍍層的硬度進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別測(cè)試直流、70%脈沖刷鍍的鍍層及基體硬度，進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，調(diào)質(zhì)態(tài)40Mn 基體硬度為268HV，直流電刷鍍層硬度為414HV，脈沖電刷鍍層的硬度高于直流電刷鍍層，70%占空比下鍍層硬度達(dá)到459HV，比直流電刷鍍層硬度提高了10.9%。直流、脈沖電刷鍍層硬度均明顯高于基體硬度，從再制造修復(fù)層的硬度分析，直流和脈沖電刷鍍都能夠滿足汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管再制造的硬度要求。

圖2 不同刷鍍工藝條件下鍍層和基體的硬度

3.4 宏觀形貌

垂直觀測(cè)電刷鍍層上表面，快速鎳的頂視形貌為隨著厚度增加而加劇的球狀微凸體。未經(jīng)機(jī)械加工時(shí)，直流電刷鍍層表面粗糙、半光亮，呈現(xiàn)出不同程度的凹凸不平。脈沖電刷鍍層平整、細(xì)致，具有較高的光潔度和致密度，呈銀灰色，色澤均勻，光亮如鏡。從宏觀上觀察，脈沖電刷鍍明顯降低了鍍層表面的粗糙度，所得鍍層表面質(zhì)量?jī)?yōu)于直流電刷鍍工藝。

3.5 掃描電鏡觀測(cè)及能譜分析

圖3 為不同工藝條件下所制備的快速鎳鍍層表面SEM 形貌。

圖3 不同工藝條件下的鍍層表面SEM 形貌

圖3 中，a ～c 表示直流電刷鍍層的表面形貌，d～f 表示70%脈沖電刷鍍層的表面形貌。可以看出，鍍層表面由許多細(xì)小的胞狀晶組成的“菜花狀”晶粒團(tuán)堆積而成，直流電刷鍍層表面較為粗糙。由于脈沖電源電沉積間歇進(jìn)行，鍍液中的金屬離子在陰極上間歇沉積，同時(shí)脈沖電流能增強(qiáng)陰極極化作用，有效地提高陰極過(guò)電位，降低濃差極化現(xiàn)象，因而脈沖電刷鍍所得鍍層較為平整。

圖4 為不同工藝條件下所制備的快速鎳鍍層表面能譜分析。

圖4 不同工藝條件下鍍層表面能譜分析

從圖4 可以看出，鍍層表面主要由Ni 元素組成，其原子百分比達(dá)90%以上。直流電刷鍍條件下鍍層表面含碳量明顯高于脈沖電刷鍍條件下。這是由于隨著刷鍍電源占空比的升高，石墨陽(yáng)極發(fā)熱程度不斷上升，直流電刷鍍條件下電源連續(xù)工作，石墨陽(yáng)極電刷鍍液處于高溫甚至沸騰狀態(tài)。在96℃以上高溫下進(jìn)行刷鍍會(huì)大大降低鍍液的穩(wěn)定性，使鍍液質(zhì)量下降。隨著溫度的升高，金屬離子由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散速率大大增加，加快了金屬離子脫水過(guò)程，增強(qiáng)了金屬離子和陰極表面的活性，降低了電極極化作用，使生長(zhǎng)的鍍層結(jié)晶粗大而松軟。直流電源電流密度大，陽(yáng)極溫度高，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，加劇了石墨陽(yáng)極的腐蝕，導(dǎo)致石墨以碳黑的形式從陽(yáng)極包套滲出，鍍層表面碳元素上升，從而污染鍍層。過(guò)高的鍍液溫度還會(huì)加速陽(yáng)極包套的磨損，增加包套的更換頻率，降低了半軸套管電刷鍍?cè)僦圃斓膶?shí)際工作效率。直流電刷鍍條件下基體元素Fe 的出現(xiàn)，說(shuō)明由于受到直流電刷鍍工藝特點(diǎn)的限制，不可避免地造成鍍層表面孔隙的產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用70%左右的脈沖電刷鍍所得鍍層光亮平整，同時(shí)能夠有效地降低石墨陽(yáng)極的腐蝕速度和更換包套的頻率，減少鍍層表面孔隙等刷鍍?nèi)毕莸拇嬖凇?/p>

3.6 X 射線衍射分析

圖5 表示在直流和脈沖刷鍍條件下，工作層快速鎳的X 射線衍射分析圖譜。

圖5 不同工藝條件下鍍層的X 射線衍射圖譜

對(duì)所得鍍層X(jué)RD 圖譜進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)鍍層組織主要以面心立方晶格為主的Ni 的固溶體。取(111)面的衍射峰寬度β，利用2.3 中的Scherrer 方程計(jì)算得到直流電刷鍍層的晶粒尺寸為23nm，而70%脈沖電刷鍍層晶粒尺寸則減小到15nm，說(shuō)明脈沖換向電流對(duì)抑制晶粒長(zhǎng)大，減小晶粒尺寸起到了比較明顯的作用。脈沖電刷鍍條件下晶核的生長(zhǎng)受到阻礙，從而促進(jìn)了晶粒的細(xì)化和鍍層致密程度的增加。由于脈沖電源改善了鍍層的質(zhì)量，細(xì)化了晶粒，提高了表面致密程度，從而減小了粘著磨損中微凸體的接觸應(yīng)力，增加了鍍層抗粘著磨損的能力，使得脈沖電刷鍍起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

4 半軸套管再制造實(shí)例

某廠家的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管，在使用一段時(shí)間后，由于工作中油質(zhì)污染等原因，半軸套管表面會(huì)產(chǎn)生淺拉傷和腐蝕磨損。為了恢復(fù)磨損表面，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，首先打磨去除磨損表面的疲勞層，對(duì)待刷鍍區(qū)域進(jìn)行超聲波清洗，乙醇擦拭，并貼膠帶保護(hù)非待鍍表面。最后在待刷鍍區(qū)域施鍍，通過(guò)安培小時(shí)計(jì)控制鍍層厚度達(dá)到并超過(guò)最小機(jī)加工余量，對(duì)所得鍍層進(jìn)行磨削，去除表面不平整部分，同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證和宏觀尺寸測(cè)量，70%脈沖電刷鍍層厚度可以達(dá)到φ1.0mm，凈修復(fù)厚度可以達(dá)到φ0.7mm。

5 結(jié)論

通過(guò)上述一系列實(shí)驗(yàn)，研究了汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管表面再制造的電刷鍍修復(fù)層，在不同工藝條件下的鍍層結(jié)合力、沉積速度以及鍍層硬度，并對(duì)不同工藝條件下的鍍層進(jìn)行了能譜分析和XRD 測(cè)試，同時(shí)觀測(cè)了鍍層的表面形貌。

得出如下結(jié)論:

(1)綜合考慮不同工藝條件下的鍍層沉積速度和鍍層質(zhì)量，電源占空比為70%左右的脈沖電刷鍍，最適于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的再制造。

(2)脈沖電源比直流電源獲得的鍍層表面更加平整，晶粒更為細(xì)小，所得鍍層質(zhì)量?jī)?yōu)于直流電源。

(3)鍍層沉積速度會(huì)隨著刷鍍電源占空比的升高而加快，但是過(guò)大的占空比將導(dǎo)致鍍層質(zhì)量的下降和鍍筆陽(yáng)極磨損的加劇，過(guò)小的占空比由于沉積速度過(guò)低又將失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(4)直流和脈沖電刷鍍層硬度均高于基體，但脈沖電刷鍍可以獲得更大的鍍層表面維氏硬度。

(5)70%電源占空比的脈沖電刷鍍，凈修復(fù)厚度可以達(dá)到φ0.7mm。

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