纳米碳化硅化学沉积技术在汽车零部件表面上的应用.docx
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纳米碳化硅化学沉积技术在汽车零部件表面上的应用
纳米碳化硅化学沉积技术在
汽车零部件表面上的应用
上海路丰助剂有限公司:
王峰
上海汽车工业(集团)公司:
方伟荣
发明人:
王峰
发明专利申请授理号:
200610117075.3
摘要
纳米碳化硅与金属合金在汽车零部件表面进行化学沉积,实现对其表面的改性,达到耐磨、延长疲劳寿命、提高承受冲击载荷性能和防腐蚀性能的目的。
关键词
纳米碳化硅、汽车零部件、化学沉积、表面承受载荷能力、延长疲劳寿命、低成本、防腐性。
一、引言
磨损、腐蚀是金属材料损耗的重要原因,全世界每年有近四分之一的材料损耗在磨损和腐蚀之中。
因此,如何提高金属材料的耐磨、减磨及抗腐蚀性能,一直以来是材料科学界所关注的一个重要研究课题。
汽车零部件绝大部分采用钢铁材料,其特点是加工性好、可塑性好,强度高,成本相对较低;但是,耐磨损性、耐腐蚀性总是不尽人意。
虽然现有工艺可以解决部分缺陷,如热处理、化学热处理、镀覆表面处理等,仍无法满足高耐磨、耐腐的高要求,从而制约了产品性能的提高和使用寿命的延长,也造成了资源的浪费。
二、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上沉积
技术的应用范围
2.1提高零部件表面的耐磨性:
由于纳米SiC陶瓷颗粒均匀地弥散分布在镀层合金的晶胞中,形成了金属合金陶瓷镀层,因此镀层中就有无数个硬点,使得镀层的耐磨性显著提高。
2.2零部件表面沉积镀层后摩擦系数的变化:
由于纳米SiC陶瓷颗粒在合金晶胞中的弥散分布,使得晶胞表面的粗糙度增大,因此镀层的摩擦系数显著提高。
一对摩擦副双摩擦面都沉积SiC,摩擦系数可增大100-150%,这种应用比较少;双摩擦面只沉积单面,摩擦系数可增大10-20%,这种应用比较多,例如:
汽车变速器同步器齿环。
如果需要降低摩擦系数,可将纳米SiC改变为纳米石墨,双面沉积摩擦系数可降低25-35%,单面沉积摩擦系数可降低10-15%。
如果镀层要求既要耐磨又要低摩擦系数,可以沉积纳米SiC和纳米石墨的复合材料。
2.3提高零部件表面的高温耐磨性和承受载荷能力:
复合沉积镀层中纳米不溶性固体颗粒多为陶瓷材料,陶瓷具有优异的耐高温性能,因此当零件表面温度升高时,纳米陶瓷相能保持优良的高温稳定性,对沉积层整体起到支撑作用,有效地提高了零件的高温耐磨性和承受载荷能力。
2.4提高零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命:
由于纳米复合沉积镀层中有无数个纳米不溶性固体颗粒,当镀层疲劳时,晶体将滑移变形,这些陶瓷颗粒相当于在晶体滑移线上的“限制桩”,有效地阻止了晶格的滑移,因此提高了零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命。
2.5改善有色金属的使用性能:
有色金属导电、导热、减磨、防腐性优异黑色金属,但是硬度、强度差,造成使用寿命短。
在其表面根据不同的用途,沉积相应的纳米复合材料,即可提高硬度、强度和使用寿命。
三、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术
3.1将直径30~50纳米的碳化硅粉末乳化分散为固含量34%的纳米SiC乳液,加入化学合金镀液中,温度在80~85℃,pH值为4.6~4.8,每60分钟可以在齿环零部件表面沉积10微米厚度的纳米硅与金属合金的复合沉积层。
3.2沉积工艺流程:
脱脂→水洗→活化→水洗→敏化→水洗→退膜→水洗→活化→水洗→去离子水洗→去离子水洗→化学沉积→去离子水洗→去离子水洗→热去离子水洗→回火
四、工艺流程说明
4.1脱脂:
脱脂剂为本公司生产的WX-1048高效快速脱脂粉;配比1﹕20;温度60~70℃;时间10~15分钟。
4.2水洗:
流动自来水漂洗。
4.3活化:
WX-938钢铁快速去油去锈活化剂;配比1﹕1加水稀释;常温使用;时间5~8分钟。
4.4敏化:
WX-1038G敏化剂;配比1﹕1加水;温度30~35℃;时间5~8分钟。
4.5退膜:
WX-1038E退膜剂;配比1﹕2加水;温度85~95℃;时间5~8分钟。
4.6沉积镀液:
4.6.1化学镀多元合金镀液;配比A﹕B﹕水=1﹕1﹕7,C为补加液;水为去离子水。
4.6.2纳米SiC乳液;WX-818-4,每升工作镀液加10.3克,用氨水或柠檬酸调PH值到4.6~4.8,温度80~85℃,每68分钟沉积厚度10微米
4.6.3工作镀液的控制:
镀液的最佳工作状态在N1=8.2~9.6,N2=38~45,当N1﹤8.2时补加A液,补加量为Va=1.782%×(9.6-N1)×V;当N2﹤38时补加C液,补加量为Vc=0.208%×(45-N2)×V;V为工作液的总容积,N1、N2为实际测定值。
4.6.4N1、N2值的测定方法:
4.6.5将工作液搅拌均匀后,取5毫升置入300毫升锥形瓶中,滴入2mlHCL,再滴入30%的双氧水2ml摇匀,并煮至近干,加入100ml蒸馏水,再加入2ml三乙醇铵,再加入12ml氨水,再倒入少许紫尿酸铵,用0.05NEDTA二钠滴定至紫色为终点,此时所消耗0.05NEDTA二钠的毫升数即为N1的点数。
4.6.6再取10毫升工作液置入100毫升容量瓶中,加纯水稀释至标准刻度摇匀,再吸取此液10毫升置于300毫升锥形瓶中,加入0.02mol硫酸高铁铵溶液40毫升、纯水50毫升、1mol盐酸10毫升,煮沸10分钟后再补加1mol盐酸10毫升,流水冷却,加亚铁灵2滴,用0.01mol硫酸铈标准溶液滴定至无色为终点。
此时所消耗0.01mol硫酸铈标准液的毫升数即为N2的点数。
4.6.7工作液中纳米SiC乳液浓度的控制:
用手持式折射仪测试工作液,N=6~6.5,当N<6时,补加纳米碳化硅乳液,当N>6时,补加水份。
4.6.8回火:
目的是去镀层应力。
4.6.9设备:
井式气氛保护回火炉。
4.6.10温度:
150-160℃。
4.6.11时间:
15小时。
4.6.12气氛保护:
高纯氮气。
五、纳米碳化硅与多元合金镀层厚度、硬度与附着力测试
5.1镀层厚度:
将镀好的零件或试样,切割镶嵌抛光后,再用硝酸乙醇腐蚀,放在600倍金相测厚仪下测量,所得厚度如下表:
时间(分钟)
68
136
204
272
厚度(微米)
10
20
30
36
由上述表可以看出,204分钟以后再延长施镀时间,沉积速度变慢。
5.2镀层硬度:
将厚度为20微米左右的试样,用100克的载荷直接打在镀层上,所得HV硬度值为524。
5.3镀层附着力测试:
用1000克载荷直接打在镀层与金属基体界相上,观察镀层与基体不剥离为合格。
5.4镀层厚度、硬度、附着力测试金相
厚度:
20.19um硬度:
HV=524
用1000克载荷直接打在镀层上的结合相
六、纳米碳化硅与金属合金复合沉积晶胞组织结构
在复合沉积的过程中,纳米碳化硅与金属合金共同形成晶胞,由晶胞构成镀层,晶胞内部组织结构在原子力显微镜下观察,纳米碳化硅与多元合金复合体如下图。
七、摩擦磨损对比实验
7.1试验标准:
GB\T12444.1-90金属磨损试验方法:
MM型磨损试验。
7.2实验试样:
试样标准外经尺寸为40mm其余按GB12444.1-90标准4.3.1执行。
材料为45号钢,热处理工艺为高频淬火,硬度(HRC)45度。
7.3试样分组:
A组为标准试样,B组为标准试样表面再沉积一层10微米厚度的纳米碳化硅与合金的复合层。
7.4试验设备:
济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMS-2A数字式摩擦磨损实验机。
7.5摩擦方式:
干摩擦(将试验的所有试样,泡在无水乙醇中30分钟后,取出晾干。
)、滚动和滑动复合摩擦。
1轴转速为200转/分钟,2轴转速为160转/分钟,均为主动轴。
如图:
7.6摩擦系数、时间、试验力曲线
A组曲线图
B组曲线图
7.7曲线分析:
7.7.1摩擦系数:
由于A组试验力超过300N时,试样表面已失效,因此试验力大于400N的曲线不做分析。
A曲线
试验力(N)
100
200
300
时间(秒)
300
900
1500
摩擦系数
0.1550
0.1777
0.2576
B曲线
试验力(N)
100
200
300
时间(秒)
300
900
1500
摩擦系数
0.2980
0.4552
0.5332
B比A摩擦系数增大率%
92.25
156.16
106.69
由上述表格可以得出结论:
B组比A组摩擦系数增大92.25%-156.16%,平均增大118.36%。
7.7.2表面疲劳寿命:
由曲线图和记录数据可以看出:
A组在1770秒失效;B组在3010秒失效。
因此B组比A组表面疲劳寿命延长70%。
7.7.3表面承受载荷能力:
由曲线图和记录数据看出:
A组在1770时表面承受载荷为295N;B组在3010秒时表面承受载荷为593N。
因此B组比A组表面承受载荷能力增加101%。
八、应用实例
8.1在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器同步器齿环上的应用
8.1.1.1应用目的:
增大摩擦系数、缩短同步时间、减小换档力、延长使用寿命。
8.1.1.2沉积工艺:
将材料为MB2的同步器齿环,按上述第二条(纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术)进行表面沉积。
8.1.1.3施镀时间:
120分钟。
8.1.1.4镀层厚度:
16-20um。
8.1.1.5镀前镀后外观比较照片:
镀前照片镀后照片
8.1.2.1同步器换档性能寿命比较台架试验
8.1.2.2试验设备:
同步器换档性能与寿命试验机。
8.1.2.3试验档位:
一/二档
8.1.2.4试验分组:
A组:
未镀一/二档齿环;B组:
喷鉬一/二档齿环;C组:
Sic沉积一/二档齿组环;D组:
Sic沉积一/二档齿环。
8.1.3.1试验结果:
8.1.3.2A组
8.1.3.3B组:
8.1.3.4C组:
由于内、外环及中间环均镀Sic,摩擦系数过大,使得同步器齿环抱死,试验中断。
8.1.3.5D组:
8.1.3.6曲线与数据分析对比:
分组
换档力(N)
同步时间(秒)
寿命
(次数)
1档→2档
2档→1档
1档→2档
2档→1档
A
215.6
380.1
0.13
0.52
40010
B
198.7
343.4
0.14
0.40
150000
D
146.3
338.1
0.13
0.40
269020
8.1.3.7试验总结:
分组比较
换档力降低率(%)
同步时间降低率(%)
寿命延长率(%)
1档→2档
2档→1档
1档→2档
2档→1档
B-A
7.84
9.65
-7.69
23.08
274.90
D-A
52.08
4.68
43.47
4.76
572.38
D-B
26.37
1.54
7.14
0
79.35
由此可见,沉积纳米SiC的同步器齿环,使用性能完全超越未处理的铜抷齿环和喷鉬齿环。
8.2在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器差速器行星齿轮轴表面上的应用:
8.2.1行星齿轮轴:
材料:
16MnCr5;热处理工艺:
渗碳淬火,渗碳层厚度0.6-1.0mm,硬度HV680。
8.2.2沉积应用目的:
提高承受载荷能力、耐磨性、防咬死。
8.2.3沉积工艺:
将行星齿轮轴,按上述第二条(纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术)进行表面沉积。
8.2.4沉积时间:
135分钟。
8.2.5沉积厚度:
20um
8.2.6试验前后外观比较照片:
沉积后试验前照片
沉积后试验后照片
8.2.7差速器性能与耐久试验:
8.2.7.1试验设备:
变速器总成综合试验台。
8.2.7.2试验对象:
某变速器行星齿轮轴。
8.2.7.3试验方法:
按雪地模式极限工况:
挂入五档,锁死一端半轴,调整输入转速,使另一端半轴转速1000转,并加载荷50NM,运行40分钟后,要求无异常。
8.2.7.4试验分组:
A组表面进行磷酸锰处理;B组表面进行Sic沉积处理。
8.2.7.5试验结果:
A组试验中途断裂未通过,B组通过。
九、防腐性能测试
9.1实验方法:
中性盐雾试验
9.2实验标准:
ASTMB-117
9.3试样样品:
同步器齿环,行星齿轮轴。
9.4试样分组:
A组:
表面未做任何处理;B组:
表面沉积20um厚度的纳米SiC复合层。
9.5实验布骤:
将A,B两组同时放入无水乙醇中30分钟,取出凉干后,进入盐雾试验箱,以出现锈斑时间(7级)为标准。
9.6测试结果:
A组(小时)
B组(小时)
同步器齿环
行星齿轮轴
同步器齿环
行星齿轮轴
5.60
0.25
122.00
68.00
B组的防腐性能提高207.85-271%
十、成本分析
以同步器环为例分析:
项目
A组:
表面未处理
B组:
喷鉬处理
D组:
沉积纳米SiC处理
零件购入价格(元/只)
17.00
17.00
17.00
表面处理价格(元/只)
0.00
7.00
5.80
总价格(元/只)
17.00
24.00
22.80
使用寿命平均价格(元/次)
0.000424
0.00016
0.0000847
由此可见,按使用寿命平均价格计算:
A组是D组的5倍;B组是D组的1.88倍;A组是B组的2.65倍。
表面沉积SiC使用成本为最低。
D组方案如果采用钢环为基体,零件购入价格可降低为7元,总价格降低为12.80元,其绝对价格也低于A组。
十一、结束语
运用纳米SiC与金属合金的化学沉积对同步器齿环、行星齿轮轴进行表面改性,完全可以降低换档力、同步时间,极大地提高了零部件的使用寿命、承受载荷性能和防腐蚀性能,并且降低了使用成本,本工艺已经在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器汽车变速器上得到应用。
但还有更多的工作和试验要做,开拓更广扩的应用领域。
总之,提高国产汽车零部件的品质,是一项长期的工作,还需要我们大家的共同努力。
本课题全过程得到了上海汽车工业(集团)公司的相关同仁、哈尔滨工业大学材料科学与应用学院闫牧夫、朱景川教授的大力支持和帮助,在此表示衷心的感谢。
参考文献:
“十五”国家重点图书《纳米表面工程》主编:
徐滨士化学工业出版社
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- 纳米 碳化硅 化学 沉积 技术 汽车零部件 表面上 应用