铁基纳米复合镀层在液压柱塞上应用研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 5期 铁基纳米复合镀层在液压柱塞上应用研究 张本 生 王 影 刘海光 1 ． 海军潜艇学院， 山东青岛 2 6 6 0 7 1 ； 2 ． 青岛职业技术学院， 山东青岛 2 6 6 5 5 5 摘要 文中首先简要介绍 了铁基纳米复合镀及共沉积机理 ， 镀层制备的设备 、 材料 、 工 艺参数和工艺过程。接着对镀层在柱 塞上应用 的具体工艺过程和后处理进行 了研究 ， 同时对涂层性能进行了测试 ， 最后得出结论 。 ’ 关键词 铁基纳米复合镀层； 液压柱塞 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 0 0 5 0 0 2 8 0 4 Re s e a r c h O H n-Fe Ba s e d Co mp o u n d La y e r Us e d o n Hy d r a u l i c Pi Ⅱ a t “ Z H A N G B e n - s h e n g a W AN G Y i ， L I U H a i - g u a 1 ． N a v a l S u b m a r i n e A c a d e my ，Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ，C h i n a ； 2 ． Q i n g d a o V o c a t i o n a l T e c h n i c al C o l l e g e ，Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , d e p o s i t me c h a n i s m o f n F e b a s e d c o mpo u n d p l a t i n g w a s o u tl i n e d fi r s tl y ， a l s o the e q u i p me n t s ， ma t e r i al a n d t e c h n i c al p r o c e s s w e r e i n c l u d e d ． S e c o n d l y ， u s i n g t h e t e c h n o l o g y o n h y d r a u l i c p i l l a r wa s s t u d i e d ， a t the s a n l e t i me the c h a r a c t e ris t i c s o f c o a t i n g we r e t e s t e d I n the e n d the c o n c l u s i o n w a s d r a w n ． Ke y Wo r d s n - F e b a s e d c o mp o u n d p l a t i n g ；h y d r a u l i c p i l l a r 0 引言 液压柱塞 已在工程机械 、 机床 、 军用装备 、 石油化 工等各个领域得到广泛应用。柱塞尤其是大型柱塞制 作工艺一般是 4 5 钢精加工， 然后表面镀铬完成。采用 这种工艺制造大型柱塞 ， 工艺性 、 经济性较差。近年来 ， 将热喷涂层应用于大型柱塞研究和应用已取得较大进 展。但采用热喷涂涂层的柱塞 ， 由于喷涂层致密度不够 高， 在工作温度较高 、 压力较大情况下， 有可能产生渗 漏 。 铁基纳米复合镀是随着纳米技术发展 ，出现的一 种全新的表面处理工艺。它具有如下特点 ①镀厚能力 强， 一次施镀最大厚度直径达4 m m； ②沉积速度快， 直 径方 向 0 ． 5 m m／ h ； ③硬度 、 耐磨性高 ， 耐磨性是 4 5 钢淬 火的4倍 以上 ；④结合强度高，结合强度达 2 0 k g ／ m m 以上； ⑤镀层致密性好； ⑥耐腐蚀好； ⑦无污染。 这些特点非常适合于大型柱塞 的表 面处理 ，尤其 适用于铸铁基体材质柱塞的表面处理。很多厂家已对 该技术用于铸铁基体柱塞表面强化表示出极大兴趣 ， 该项 目研究成 功具有 很大 的经济效 益及应 用前 景 。 1 铁基纳米复合镀及共沉积机理 铁基纳米复合电镀液是单一液相的电镀液 ，镀液 中的主要成分是氯化亚铁 、 盐酸、 水和纳米 A I O ， 。在电 收稿 日期 2 0 0 9 一 1 0 1 3 作者简介 张本生 1 9 7 2 一 ， 男 ， 博士 ， 毕业于中国人民解放军军械工程学 院武器系统与运用工程专业 ， 研究方 向 表面工程技术在军用 装备上应 用。 2 8 解液 中氯化 亚铁 、盐 酸和水 部分地离解 为 F e C l _ F e 2 2 C 1 一 、HC l H C l _ 、H H O H一 。 镀层形成过程中的阴极反应为 1 铁离子放 电还原并沉积在 阴极表面 F e 2 e F e。 2 氢离子放 电还原为氢原子 ， 氢原子结合成氢气 析出 2 H 2 e H 2 t 。 镀层形成过程 中的阳极反应为 1 4 O H - - 4 e - - * O 2 T 2 H 2 O 。 2 F e 一 2 e F e ， 铁板失去电子成铁离子进入镀液 中， 补充电镀过程中铁离子的消耗。 共沉积过程分为三个阶段 1 镀液 中的固体微粒主要靠搅拌镀液及微粒在 镀液中的 自然沉降 ， 使微粒迁移到阴极表面， 并停留一 定 时间 。 2 在静电场力作用下 ， 固体微粒脱去水化膜 ， 与 阴极表面直接接触 ， 形成化学吸附的强吸附。强吸附的 微粒被金属铁离子还原时 ， 机械地镶嵌进去。 3 沉积到阴极表面上 的固体微粒在继续电沉积 的过程中 ， 随着镀层的增厚 ， 被整个埋入镀层中 ， 固体 微粒弥散分布在基体金属中， 形成复合镀层。 2 镀层制备 2 ． 1 主 要设 备及材 料 ①K G D S - J Z H可控硅整流电源；②纳米 A 1 20 3 一 F e C 1 镀液 ； ③示波器； ④I O O A电流表； ⑤精密型酸度 计； ⑥密度计。 Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ， No ． 5． 2 01 0 2 ． 2制 备镀层 的 主要工 艺参 数 镀层制备工艺参数见表 1 。 表 1 纳米复合镀工艺参数 项 目 镀液 纳米 AI 2 0 3 - F e C I 2 镀液 内微粒含量， g ／ L 搅拌 间隔时间／ mi n 镀液主盐浓度 F e O2 4 I -I 2 0 ／ g ／ L 镀液温度／ C 镀液酸度／ p H 电极配 比 阳极阴极 对称交流活化 电流密度 D／ A ／ c m 不对称交流起 镀 施镀时 间t ／ rai n 交流过渡镀 交流 电正半波和负半 1 ／ 2直流镀 波 电流密度比值 直流过渡镀 全直流镀 5 0 ～ 6 0 3 O ～ 3 5 6 00 3 0 5 0 1 ． 2 ～ 2 ．0 交流活化 0 ． 7 ～1 ．2 l ，直流镀 2 ～2 5 l l ， ／ - 6t 3 - 8 电压 0 ． 5 ～ 1 0伏，只升D ,v D g D ，t 1 5 D ／1 ／ 2 DI t ，t 5 D 自 ＼1 ／ 2 0Dl t ，t 1 0 Dl ， 2D I t ，t 1 5 D1 1 5 ～1 7 ，DIt 不大于 2 0 施镀时间视镀层 厚度而定 2 ． 3制备 工艺 过程 制备镀层主要工艺过程如下 F e C 1 2 H 2 0 H C l 纳 米 A l O ， 按 表 1所示 浓 度 和微 粒 含 量 配 制镀 液 试 件 准备一 对称交 流活化一 不对称 交流起镀一交 流过 渡 镀一1 ／ 2直流镀一 直流过渡镀一全直流镀 后处理。 3 应用及性 能试验 为测试镀层的性能 ， 在对柱塞零件进行 电镀时 ， 对 要做性能试验的试件同槽镀出。柱塞零件如图 1 所示 ， 试验试件如图 2 、 图 3所示。 图 1 柱塞零件图 图 2硬度 、 滑动摩擦试件 图 3结 合 强 度 试 件 l 一 销 锥2 一 销 座 3 ． 1 镀 前 准备 镀前准备主要包括 1 对被镀零件和试件进行表面清洗 ， 除去表面 的 油污 。 2 除去极杠 、 挂钩及挂具各部位的氧化皮 ， 配置 阳极板 。 3 检查镀液规范、 计算电流强度和电镀时间。 各电镀过程的电流密度及电镀时间 ， 见表 2 。 4 除 油膜 、 除氧 化膜 。 3 - 2 施 镀 按表 2所示 的施镀 电流强度 和电镀时 间进 行施 镀。施镀过程为 对称交流活化一 不对称交流起镀 交 流过渡镀一1 ， 2直流镀一 直流过渡镀_ 全直流镀 。 29 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 5期 表 2 电流 强 度及 电镀 时 间 注 S 被镀面积； ， 电流强度 ； D 对称交流活化电流密度 ； D 正半波 电流密度； D m 负半波电流密度 ； D自 直流镀电流密度 ； 计算电流强度 I D S 3． 3后处 理 1 零件和试件出镀槽后先用清水冲洗 ， 然后放人 2 0 ％的碳酸钠水溶液中浸泡 2 0 3 0分钟中和， 最后用清 水冲洗。 2 零件磨削加工。磨削加工工艺参数见表 3 。 从加 工结果 看 ， 涂层 光滑 致密 ， 加 工过程 中无涂层 脱落， 说明结合强度较高。 表 3涂层磨削工艺参数 3 ． 4镀层 性能测试 对镀层主要进行结合强度 、硬度和滑动摩擦性能 测 试。 1 镀层结合强度。 测试条件按国标 G B 3 8 0 2 8 3执行 ，结果如表 4所 示 表 4结合强度测试结果 结果表明镀层结合强度大于 2 0 0 MP a ， 远大于喷涂 层和刷镀 层 。 2 硬度。 采用上海材料试验机厂生产的HV S 一 1 0型数显小 负荷维氏硬度计 ，测试条件按照国标 G B 9 7 9 0 8 8执 行 施加载荷为 0 ． 9 8 1 N 0 ． 1 0 0 k g f ， 加载时间为 1 5 s 。 常温 下分别测试基体、 起镀层、 镀层硬度 ， 结果如表 5所示。 表 5常 温 下镀 层 硬 度 镀层 基体 起镀层 镀层 显微硬度 HV 2 6 6 5 9 2 9 7 3 3 滑动摩擦 采用失重法计算相对磨损量 ．作为磨损试样耐磨 性 能指标 ， 以 4 5 淬火 作对 比 见表 6 。 表 6滑动摩擦磨损试 验结果 试验表明 n F e ． A l 0 ， 复合镀层具有极好 的硬度和 耐磨性。分析认为， 复合镀层是 由铁基体和弥散分布的 硬质微粒 A 1 2 0 所构成。硬质微粒弥散分布改变 了纯 镀铁层的组织结构 ， 对镀层进行强化， 提高镀层硬度。 当复合镀层 与摩擦表面接触时，首先是镀层金属 铁表面的磨耗 ， 致使弥散分布的硬质微粒显露出来 ， 又 由微粒承受载荷 。而微粒本身的硬度高， 抗压强度大． 所以承受载荷的能力很强， 从而提高了耐磨性。 4结 论 原有的液压柱塞制造工艺， 镀铬层厚度小， 对基体 表面光洁度要求较高，最不理想的是镀层膜很快被磨 蚀或被拉毛而产生渗漏 ， 镀层厚极易剥落。液压柱塞采 用铁基复合镀层可 以完全取代镀铬，使用寿命提高 4 倍 以上 ， 镀层致密性好， 不易渗漏。镀层厚度较大， 对基 体表面光洁度要求低， 可直接在铸铁基体表面施镀 ， 具 有较好的工艺性和经济性。 下转第5 9 页 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 8 ／ N O ． 5 ． 2 0 1 0 每一个元件选择合适的子模 fl P 数学模型 ； 为每一个 元件设置相应的参数 ，其 中直线运动连接模块的数据 按照结构分析的结果导入 ，使从动缸位移与主动缸的 位移与结构分析相符 。然后进入运行模式进行仿真 ， 仿 真完成后通过拖拉液压缸的位移使两缸长度 曲线绘制 在一个图中。图 5为两个液压缸的长度曲线 。 从 曲线中 可以看出， 两缸的位移是对称的 ， 这与运动机构对称相 符 。通过调节 P I D模块 的参数 比例 1 0 0 0， 积分 2 4 0 ， 微 分 0 ． 5 ， 使理论 曲线与实现曲线 的误差小于 l m m。 如 图 6所示 。 液 缸1位置 ．T ime [ s ] 图 5 液压缸位置曲线 一 e r r o r [ m m1 图 6液压缸误差 曲线 3 结论 本文根据聚热装置的结构和装置的运动特点 ． 独 十 一 ■ 一一 - 一 - 一一 一 - - 一 上接第 3 0页 参 考 文 献 [ 1 】 孙建春 ， 王健 ， 彭 晓东． 纳米复合镀层的沉积机理及其摩擦学 特性研究现状[ J ] ． 材料导报 ， 2 0 0 3 4 6 1 - 6 2 ． [ 2 】 冶银平 ， 张永 胜 ， 孙晓军． N i A 1 2 0 3纳米 复合涂层 的制备 及 其摩擦学性能研究[ J ] ． 摩擦学学报 ， 2 0 0 3 2 1 0 4 1 0 7 ． 【 3 】 蒋文斌 ， 徐 滨士 ， 董世运． 纳米 复合镀 层研究 现状[ J ] ． 材料保 护 ， 2 0 0 2 6 1 - 3 ． [ 4 ] 刘 小兵 ， 王徐承． 复合电沉积 的最新研究动态[ J 】 ． 电化学 ， 2 0 0 3 2 1 7 - 1 2 5 ． 特的设计出槽式太阳电站液压系统 。 该系统具有 以下 特点 1 主油路 中设 置 比例 溢流 阀和蓄能器 ， 可 以动 态的调整系统压力 ， 保证 系统正常工作 ， 也可 以使 液 压泵 间歇工作 ， 减少不 必要 的能量损失 ， 达到节 能的 目的 。 2 通过两位两通换 向阀不 同的开关组合 ， 系统 中 的两个液压缸可以共用一个 电液伺服阀 ，从一定程度 上简化了液压控制系统。 3 在液压缸伸 出过程中 ， 通过开启 不同的两位两 通换 向阀 ， 对液压缸进行补油 ， 减少 了补油回路 ， 方便 液压站的设计 ， 方便系统维护。 4 通过仿真分析可以看 出， 常用的 P I D控制算法 能够精确的控制液压缸的位置。说明伺服阀构成 的阀 控制液压系统能够满足聚热装置所需的跟踪精度。 参 考 文 献 [ 1 】 王长贵， 崔容 强等． 新 能源发 电技术 [ M】 ， 北京 中国电力 出版 社． 2 0 0 3 ． [ 2 】 张宝星． 太 阳能利用 的跟踪 与聚集 系统研究【 D 】 ， 合肥 工业 大 学研究生硕 士学位论文， 2 0 0 6 ． 【 3 】 许 益民． 电液 比例控制系统分析与设计[ M 】 ． 北京 机械工业出 版社． 2 o 0 5 ． 【 4 ] 孙 雁利， 裴学智 ． 比例 系统 中压力补 偿 回路 的应用 【 J 】 ． 液压 气 动与密封。 2 0 0 7 1 3 2 3 4 ． [ 5 】 熊 绍钧， 等． 水 工闸 门液 压启闭机 的同步控制实践 与分析 ． 液压气动与密封。 2 0 0 7 3 1 7 2 0 ． 【 6 】 苏东海， 孙 占文．A ME s i m仿 真技术 在电液位 置同步系统 中的 应用[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 6 1 3 1 5 ． -● 一- - 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