自動(dòng)脈沖刷鍍工藝參數(shù)對(duì)鎳–氧化鋁復(fù)合鍍層殘余應(yīng)力的影響

海源，張松*，李劍峰，滿佳

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))，山東 濟(jì)南 250061）

電刷鍍技術(shù)因操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于零件的再制造中。再制造的興起也促進(jìn)了電刷鍍技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化電刷鍍工藝開始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[1]。鎳基納米氧化鋁復(fù)合鍍作為電刷鍍技術(shù)與復(fù)合電沉積技術(shù)相結(jié)合的鍍層制備技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于再制造行業(yè)。有關(guān)電刷鍍Ni–Al2O3復(fù)合鍍層的研究有不少，但多數(shù)考慮顯微硬度、顆粒含量、耐磨性等[2-4]，很少將殘余應(yīng)力作為評(píng)價(jià)鍍層性能的指標(biāo)。而殘余應(yīng)力的存在對(duì)鍍層性能有很大影響，如過(guò)高的殘余應(yīng)力會(huì)使鍍層產(chǎn)生開裂、起皮[5]。與直流電刷鍍層相比，脈沖電刷鍍層更加致密、均勻，具有更加良好的機(jī)械性能[6-9]。本文基于自動(dòng)化脈沖刷鍍工藝，在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔內(nèi)表面制備了α-Al2O3鎳基復(fù)合鍍層，通過(guò)田口方法和方差分析研究了工藝參數(shù)對(duì)α-Al2O3鎳基復(fù)合鍍層殘余應(yīng)力的影響，并采用綜合加權(quán)評(píng)分法獲得了針對(duì)獲取理想殘余應(yīng)力鍍層的最佳工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基材和工藝流程

采用某型柴油機(jī)連桿大頭孔為基體，施鍍部位為其內(nèi)孔表面，其材質(zhì)為40CrAH，具體組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C 0.37% ~ 0.44%，Si 0.17% ~ 0.37%，Mn 0.5% ~ 0.8%，Cr 0.8% ~ 1.10%，Ni 0.03%，P 0.035%，S 0.035%，Cu 0.03%，F(xiàn)e 余量。

1.2 工藝流程

超聲清洗(20 min)→電凈→蒸餾水清洗→一次活化→蒸餾水清洗→二次活化→蒸餾水清洗→三次活化→合金鋼底鎳液鍍底層→蒸餾水清洗→納米復(fù)合鍍液鍍工作層→蒸餾水清洗→鍍層加工→鍍后處理。

1.3 配方和工藝

1.3.1 電凈

NaOH 25.0 g/L，Na2CO321.7 g/L，Na3PO450.0 g/L，NaCl 2.4 g/L，工作電壓10 V，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刷鍍?nèi)?shù)60，正接。

1.3.2 活化

1.3.2.1 一次活化

采用2#活化液，具體為：HCl 25.0 g/L，NaCl 140.0 g/L，工作電壓10 V，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刷鍍?nèi)?shù)120，反接。

1.3.2.2 二次活化

采用3#活化液，具體為：Na3C6H5O7·2H2O 141.2 g/L，H3C6H5O794.2 g/L，NiCl2·6H2O 3.0 g/L，工作電壓12 V，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刷鍍?nèi)?shù)120，反接。

1.3.2.3 三次活化

采用合金鋼活化液，具體為：(NH4)2SO4100.0 g/L，H2SO487.5 g/L，H3PO45.3 g/L，H2SiF65.0 g/L，工作電壓5 V，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刷鍍?nèi)?shù)120，反接。

1.3.3 電鍍底鎳

NiSO4·7H2O 396 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L，HCl 21 g/L，CH3COOH 69 g/L，工作電壓為10 V，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刷鍍240 圈，正接。

1.3.4 復(fù)合電刷鍍

工作層電刷鍍鍍液由三號(hào)快速鎳鍍液(西安費(fèi)氏特表面工程有限公司)和納米顆粒(北京德科島金有限公司)組成，快速鎳鍍液組成為：NiSO4·7H2O 254 g/L，25% ~ 28%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NH3·H2O 105 mL/L，(NH4)3C6H5O756 g/L，CH3COONH423 g/L，(NH4)2C2O40.1 g/L。α-Al2O3顆粒質(zhì)量濃度為5 g/L，純度為99%，直徑為13 nm。將兩者混合后，同時(shí)進(jìn)行20 min 的機(jī)械攪拌和超聲分散，即得復(fù)合鍍液。

自動(dòng)化電刷鍍工藝是基于手工刷鍍工藝提出的新型自動(dòng)化工藝。為確定獲得鍍層理想殘余應(yīng)力的最佳工藝參數(shù)，固定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，刷鍍2 000 圈，采用田口方法設(shè)計(jì)了L16(44)正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序隨機(jī)。

1.4 脈沖流鍍?cè)O(shè)備

采用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的自動(dòng)脈沖流鍍?cè)O(shè)備(以下簡(jiǎn)稱流鍍機(jī))，在脈沖條件下制備鍍層，流鍍機(jī)由鍍筆主軸、三向數(shù)控工作臺(tái)、連桿夾具和鍍液分離回收系統(tǒng)4 個(gè)部分組成[10]。在刷鍍過(guò)程中，電壓、占空比、鍍筆速率、頻率等工藝參數(shù)可調(diào)。

1.5 殘余應(yīng)力測(cè)試

連桿鍍覆完畢，切割成10 mm × 10 mm × 45 mm 的樣塊，采用芬蘭Stresstech 科技有限公司生產(chǎn)的XSTRESS 3000 型X 射線應(yīng)力分析儀測(cè)定殘余應(yīng)力，設(shè)備如圖1 所示。測(cè)試參數(shù)為：準(zhǔn)直器直徑2 mm，Cr 靶Kα 特征輻射，曝光時(shí)間20 s，楊氏模量210 GPa，泊松比0.3，無(wú)應(yīng)力衍射角133.7°，側(cè)傾角Ψ 分別取-35°、-25°、-15°、-5°、0°、5°、15°、25°和35°，旋轉(zhuǎn)角取0°和90°，衍射晶面為(211)，X 射線管電壓30 kV，管電流6.7 mA。如圖2 所示，測(cè)2 個(gè)方向的鍍層殘余應(yīng)力，其中0°方向?yàn)樗竭M(jìn)給方向(X 方向)，90°方向?yàn)榇怪边M(jìn)給方向(Y 方向)。

圖1 X 射線應(yīng)力分析儀Figure 1 X-ray stress analyzer

圖2 連桿樣塊示意圖Figure 2 Schematic diagram of connection rod specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)連桿鍍層樣塊進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，取每組鍍層殘余應(yīng)力3 次測(cè)量的平均值作為該組鍍層的殘余應(yīng)力，結(jié)果列于表1。從表1 可知，鍍層殘余應(yīng)力平均值介于-24.7 ~ 117.4 MPa，算得測(cè)量誤差在1.71% ~ 9.60%之間，表明測(cè)量結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義。

表1 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of residual stress

2.2 極差分析

通過(guò)極差分析，得到了不同參數(shù)對(duì)鍍層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果列于表2。根據(jù)極差分析結(jié)果可知，工藝參數(shù)對(duì)鍍層X 方向殘余應(yīng)力影響的主次順序?yàn)檎伎毡?> 鍍筆速率 > 電壓 > 頻率；對(duì)鍍層Y 方向殘余應(yīng)力影響的主次順序?yàn)檎伎毡?> 電壓 > 鍍筆速率 > 頻率。

表2 殘余應(yīng)力極差分析Table 2 Range analysis of residual stress

2.3 方差分析

為了確定每個(gè)工藝參數(shù)影響鍍層殘余應(yīng)力的程度，對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了方差分析，分析結(jié)果如表3和表4 所示。統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P 值，一般以P <0.05 為顯著，記為“*”；P <0.01 為非常顯著，記為“**”。從表3 可以看出，鍍筆速率以及占空比對(duì)X 方向殘余應(yīng)力的影響分別占35.734%和35.021%，對(duì)殘余應(yīng)力的影響比較大；其次是電壓，對(duì)殘余應(yīng)力變化的貢獻(xiàn)為20.852%；頻率對(duì)X 方向殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)僅為4.604%，可以忽略不計(jì)。從表4 可以看出，占空比對(duì)Y 方向殘余應(yīng)力的影響為42.303%，其影響最大；電壓、頻率對(duì)Y 方向殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)為35.105%和12.229%；相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)Y 方向殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)為8.304%，可以忽略不計(jì)。

表3 X 方向殘余應(yīng)力方差分析Table 3 ANOVA result of residual stress along the X direction

表4 Y 方向殘余應(yīng)力方差分析Table 4 ANOVA results of residual stress along the Y direction

2.4 殘余應(yīng)力性能優(yōu)化

自動(dòng)化電刷鍍鍍層的殘余應(yīng)力與刷鍍工藝參數(shù)有關(guān)。本文采用綜合加權(quán)評(píng)分法，對(duì)鍍層殘余應(yīng)力進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

鍍層殘余應(yīng)力采用的映射函數(shù)為

式中， jα 為鍍層殘余應(yīng)力測(cè)試值的極劣值； jβ 為鍍層殘余應(yīng)力測(cè)試值的極優(yōu)值； Xji為實(shí)驗(yàn)編號(hào)為j 的鍍層殘余應(yīng)力的測(cè)試值； Yji為實(shí)驗(yàn)編號(hào)為j 的鍍層殘余應(yīng)力的映射值。

鍍層綜合性能評(píng)分計(jì)算公式為

依據(jù)表4 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，找出鍍層殘余應(yīng)力測(cè)試值的極優(yōu)值 jβ 和極劣值 jα 。X 方向殘余應(yīng)力極優(yōu)值為-21.5 MPa，極劣值為105.3 MPa；Y 方向殘余應(yīng)力極優(yōu)值為-24.7 MPa，極劣值為117.4 MPa。

對(duì)X 方向和Y 方向的殘余應(yīng)力賦予相同權(quán)重，即X、Y 向殘余應(yīng)力各占50%。將表1 中殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果代入式(1)和(2)，計(jì)算得出各組實(shí)驗(yàn)鍍層性能的綜合加權(quán)評(píng)分值，結(jié)果如表5 所示。綜合加權(quán)評(píng)分值越高，說(shuō)明鍍層性能越好。表6 所示為綜合加權(quán)評(píng)分值的極差分析結(jié)果。

表5 鍍層性能綜合加權(quán)評(píng)分Table 5 Synthetic weighted mark for evaluation of coating performance

表6 鍍層性能綜合加權(quán)評(píng)分極差分析Table 6 Range analysis of synthetic weighted mark of coating performance

由表6 可知，各因素對(duì)鍍層綜合加權(quán)評(píng)分的影響主次順序?yàn)檎伎毡?> 電壓 > 鍍筆速率 > 頻率；最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：電壓14 V，占空比80%，頻率600 Hz，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率2.5 m/s。

為了驗(yàn)證該組合是否為最優(yōu)，在該條件下進(jìn)行脈沖刷鍍制備鍍層并測(cè)定其殘余應(yīng)力。在殘余應(yīng)力測(cè)試前，為了確定鍍層是否為鎳基氧化鋁復(fù)合鍍層，采用日本電子(JEOL)公司JDE-2300 型能譜儀分析鍍層成分。結(jié)果顯示，鍍層中含有Al、Ni 元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.74%和83.21%，表明所獲鍍層為鎳基氧化鋁復(fù)合鍍層。殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，鍍層X 方向和Y 方向的殘余應(yīng)力分別為-24.3 MPa 和-25.6 MPa，優(yōu)于正交試驗(yàn)中的任一組合。因此可以確定該組合工藝參數(shù)為最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1) 工藝參數(shù)對(duì)鍍層X 方向殘余應(yīng)力的影響順序?yàn)椋哄児P速率 > 占空比 > 電壓 > 頻率。工藝參數(shù)對(duì)鍍層Y 方向殘余應(yīng)力的影響順序?yàn)椋赫伎毡?> 電壓 > 頻率 > 鍍筆速率。

(2) 通過(guò)綜合加權(quán)評(píng)分法得到獲取理想殘余應(yīng)力鍍層的最佳工藝參數(shù)組合為：電壓14 V，脈沖占空比80%，頻率600 Hz，鍍筆速率2.5 m/min。

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