第一讲 装备再制造技术(四)

徐滨士教授的关于再制造的论文

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讲座文章编号：17— 7 (0 8 2 0 6— 3 6 1 0 1 2 0 )0— 0 5 0 1

编读虹桥白

第一讲装备再制造技术 ( )四徐滨士(甲兵工程学院，北京装 10 7 ) 00 2

()纳米复合电刷镀层的性能 3材料性能决定了其应用范围。研究表明，纳米复合电刷镀层中由于存在大量的硬质纳米颗粒，且

件。

纳米复合刷镀层的耐磨性除与电刷镀工艺参数 f电压、电流、温度、相对运动速度等)和基质镀液种类有关外，还与所加入纳米颗粒种类及其含量等因素有关。

组织细小、致密，因此其硬度、耐磨性、抗疲劳性能、耐高温性能等均优于相应的金属电刷镀层。

①硬度硬质纳米颗粒的加入可以显著提高电刷镀层的硬度，且复合镀层的硬度随镀液中纳米颗粒添加量的增加而增高，复合镀层的硬度存在极大值。图8 为 n A, i— 1/复合电刷镀层显微硬度随镀液中的纳 0N米颗粒含量变化的曲线。可以看出，在镀液中，

图9为干摩擦条件下，n A,3 i— 1/复合刷镀层的 0N滑动摩擦磨损失重与镀液中纳米颗粒含量的关系。磨损失重越小，电刷镀层的耐磨性越好。由图9可

以看出，由于纳米颗粒的加入，复合电刷镀层的耐

磨性明显优于快镍刷镀层。在镀液中，n A,— 1颗 0粒含量为2 g时，n A, i 0/ L— I/复合电刷镀层的耐磨 0N性最好，比快镍电刷镀层提高约1倍。以快镍电 . 5 刷镀层的相对耐磨性为1,表5给出了几种镍基纳米复合电刷镀层的相对耐磨性。

n A,— 1颗粒含量为3g H,nA, i O 0/,— 1/复合电刷镀 L- j" ON层的显微硬度达到极大值，约为快镍电刷镀层的 1倍。表4 . 5给出了纳米颗粒含量优化条件下几种镍基纳米复合电刷镀层的硬度，均高于普通快速镍刷镀层的硬度 (0 H左右 ) 40 V。

>

世

题

图8镀层显微硬度与镀液中纳米颗粒含量关系表4几种镍基纳米复合电刷镀层的硬度镀层体系 nAO N—i^ j— j√ i-: J j-i/j— jN - l} i T( N S N 2O N S N n Da j￣ n ) n 0/ r/ 1 n C /硬度/ 60 7

o 8~ 4 5— 9 3 - 8 0~ 4 l— 5 HV 6~ 0 5 0 6 0 6 0 6 0 6 0 6 0 6 o 6 06 0 6 0

A一

陕镍镀层 B、c、D、E——镀液中纳米A2, l颗粒 0

含量分别为 1gL 0/、3gL 0/f的复合镀层 0/、2 gL 0/、4gL￣ t

图9干摩擦条件下，n A s i合刷镀层磨损失 -1/复 ON重与镀液中纳米颗粒含量的关系表 5几种镍基纳米复合电刷镀层的相对耐磨性

②纳米复合电刷镀层的耐磨性能纳米复合电刷镀层的耐磨性能是影响其实用性的重要因素。纳米复合电刷镀技术可以应用于再制造耐磨性要求较高或沙粒磨损失效的装备金属零部

体镍I A ONl TOti— i2 i— r_ i— i/i— iN n k￣ i— i2 t S/ l ZO Nl S Nl Da —/ n Nn ONn 4 n C n/耐磨性

注：以快镍电刷镀层的相对耐磨性为 1

2 (年O月 07 8 2

中国设备工程

6 5

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噻研究表明，在油润滑沙粒磨损条件下，纳米复合电刷镀层具有比快镍刷镀层和4钢更优异的抗沙 5粒磨损性能。因此，可以应用于再制造沙粒磨损失效及在风沙环境中服役的装备零部件，突破原来普通电刷镀技术难以应用于修复沙粒磨损失效零部件的局限。

讲座l| 辑蘩氍|警#辞 l

电刷镀层的抗接触疲劳眭能是指其抵抗循环载

荷作用下破坏的能力，它是衡量涂层服役性能优劣的一项综合指标。它与电刷镀层的硬度、结合强

度、内聚强度、应力状态均有密切关系。纳米复合刷镀层的抗接触疲劳强度直接受电刷镀工艺参数(电压、电流、温度、相对运动速度等)、基质镀液种类、纳米颗粒种类及含量等因素的影响。

图 l和图 1给出了油润滑沙粒磨损条件下。 O 1 采用销盘式摩擦磨损试验机，对比评价的n A,—1/ 0

N复合镀层、快镍镀层和4钢三种材料的耐磨性试 i 5验结果。由图 l可以看出，三种材料的磨损体积都 O随沙粒尺寸的增加而增加，而n A,3 i合镀层—1/复 0N的磨损体积随沙粒尺寸变化的趋势最为平缓。由图

般地，普通刷镀层难以满足接触疲劳失效零件的服役性能要求。研究表明，纳米复合刷镀层具一

有

较优异的抗接触疲劳性能，可以应用于再制造接触疲劳失效的装备金属零部件。图 1为 n A,3 i 2— 1/复合电刷镀层的抗接触疲劳 0N

l可以看出，n A, i 1— 1/复合镀层、快镍镀层和4 0N 5钢三种材料的磨损体积均随载荷增大而增加，但相同载荷条件下n A, i— 1/纳米复合镀层的沙粒磨损 0N体积最小，且随载荷增大而增加的速度最小。图l O和图 1结果表明，相同试验条件下，三种材料中， 1n A, i合镀层具有最佳的抗沙粒磨损性能。—1/复 0N

特征寿命 (载荷3 0 M a 0 P)与镀液中纳米颗粒含量 O的关系。抗接触疲劳特征寿命越长，说明镀层的抗接触疲劳性能越好。可以看出，普通快镍电刷镀层的抗接触疲劳眭能较差，其抗接触疲劳特征寿命仅为 1次，n A, i O周— 1/复合电刷镀层的抗接触疲劳 0N性能可达 1啁次；在n A, O— 1纳米颗粒含量为2 gL 0 0/

因此，n A, i— 1/复合刷镀层用于再制造沙粒磨损 0N失效的4钢装备零部件将可以显著提高其服役性 5能。

时，n A, i合电刷镀层的抗接触疲劳性能最—1/复 0N

好，其抗接触疲劳特征寿命可达到2 1 x0周次。但是，此后，随着纳米颗粒含量的增加，其抗接触疲劳性能急剧下降。表 6为多次试验 i试得到的几种贝 0

g

鲁峙

2

蟹色

蛙娉越

尊沙粒尺寸/m . I t藿巡

(润滑油中沙粒含量4 m/,试验载荷3 N 0g L 0)

图l不同沙粒尺寸时材料的磨损体积 O

镀液巾纳米颗粒含量/几) ( g

图1 n A i 2— 1/复合电刷镀层的抗接触疲劳眭能 0NE E

表6几种纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命X16次 0周

2\

世辎懿

刷镀层体系快镍n -A1O3Ni 2/

30 o a o MP试验载荷 4 0 MP i验载荷 0 a O￣10 . 2l9 8.

09 . 212 .0

n SO# i— i N载荷/ Nn T O2 i— i/ N

l8 . 4l 7 . 4

14 . 309 .4

(润滑油中沙粒含；4 mg,试验载荷3 N￣ 0/ f L 0)

n Z O N—rg i

l 5 . 5

图1不同载荷时

材料的磨损体积 1

注：镀液中纳米颗粒含量为2 g 0/ L

③纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳眭能6 6中国设备工程 2 0￣0月 08 2

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讲座镍基纳米复合电刷镀层在不同试验载荷条件下的抗接触疲劳特征寿命。结果表明：纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳性能与加入的纳米颗粒材料种类有关；随试验载荷增大，纳米复合刷镀层的抗接触疲劳寿命缩短。 定种类、一定含量的纳米颗粒能有效提高纳一

编读虹耥>\

楚

米复合电刷镀的抗接触疲劳性能，纳米颗粒对复合电刷镀层抗接触疲劳性能的影响可能存在如下机制：a纳米颗粒的存在使得复合电刷镀层金属组织 .更加细小、致密，其中存在大量晶界，对镀层起到晶界强化作用；b复合电刷镀层中弥散分布着大量 .纳米颗粒硬质点，对复合电刷镀层起到弥散强化作用，在接触疲劳循环载荷作用下，纳米复合电届镀 0层中产生疲劳裂纹，镀层金属中的大量细小晶界和弥散分布的纳米颗粒能有效阻碍疲劳裂纹的扩展， 从而提高其抗接触疲劳陛能。但是，当镀液中纳米颗粒含量很高时，由于电刷镀液分散能力的限制， 镀液中可能存在纳米颗粒团聚体，这些团聚的纳米图l电刷镀镀层硬度与温度关系 3

颗粒沉积在复合电刷镀层中，很可能引发初始微裂纹，从而导致复合电刷镀层性能下降。有关这些机理的推断，尚无足够的实验证据，需进一步深入研究分析。④纳米复合电刷镀层的抗高温性能图l电刷镀镀层磨痕深度与温度的变化线 4

化现象。同时，纳米复合刷镀层的高温耐磨性能与纳米颗粒种类有关。添加不同纳米颗粒的几种

复合电刷镀层中的纳米颗粒可以有效阻碍涂层中的位错运动和微裂纹扩展，因此可在一定程度上对涂层所受载荷起到支撑作用，这直接表现为其高温硬度和高温耐磨性等性能的提高。图l给出了几种电刷镀层的硬度与温度的关系。 3

复合电刷镀层的耐磨性能由高到底的顺序排列为：n A, i— i/ i— i N金冈石) — 1/,n SC N和n D a i( 0。 0 N/一

般地，金属电刷镀层只适宜在常温下应用。

但研究表明，纳米复合刷镀层尤其是纳米nA,C i— 1 N O

图中曲线表

明，n A, i— i/ i n DaN— 1/、n SCN和— i i 0 N/ (刚石 )三种复合电刷镀层的硬度在各个温度下金均高于快镍电刷镀层；快镍电刷镀层的硬度在高于

复合电刷镀层在4 0时仍具有较高硬度和良好耐 0 c磨性，可以在4 0C￣下工作。因此，纳米复合 0￣4件 .刷镀层将可以应用于再制造在高温下服役的装备零部件，大大扩展传统电刷镀技术的应用领域。(完待续)未

20C即快速降低，当温度达 30时，其硬度 0￣后 0￣ C H仅为2 0右；几种复合电刷镀层的硬度直到 V 5左温度达 4 0C才表现出下降趋势，在 50C, 0￣时 0￣时n A, i电刷镀层的硬度 H仍高达4 0右。— 1/复合 0N V 5左 图 l给出了不同温度下微动磨损试验评价的快 4镍电刷镀层和几种纳米复合电刷镀层磨痕深度随温

度的变化曲线。结果表明，在相同温度下，纳米复

合电刷镀层的磨痕深度小于快镍电刷镀层的磨痕深度。这说明，由于纳米颗粒的加入，提高了纳米复合电刷镀层的高温耐磨性能。40 H的复合电刷 0￣ 1 C,镀层的磨痕深度小于室温和2 0 o℃时的磨痕深度，

这是由于复合电刷镀层在40C 0￣条件下发生了再强2 O年O月 (8 2 中国设备工程 6 7

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