轉(zhuǎn)子刷鍍銅工藝技術(shù)分析

權(quán)琳琳，樊少忠

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 陜西 西安 710100)

0 引言

產(chǎn)品在機(jī)械加工或使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到一些軸、套、盤(pán)、殼體等零件或一些部件的孔、面、溝、槽等被磨損，因材料特殊、修復(fù)難度大，不能再使用而報(bào)廢[1]。針對(duì)這種情況，采用再制造技術(shù)對(duì)公差要求較高的配合面進(jìn)行尺寸修復(fù)，即可滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求[2-5]。在再制造工藝技術(shù)中，電鍍技術(shù)有著難以取代的優(yōu)勢(shì)[6-8]，因?yàn)殡婂兗夹g(shù)是在零件表面得到不同鍍層的技術(shù)，可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)尺寸的修復(fù)[9-15]。無(wú)論是零件外觀(guān)、尺寸的改變還是磨蝕都發(fā)生在產(chǎn)品的表面，其基體都是完好的[16-18]。有些機(jī)械零件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，雖然外觀(guān)改變，但其基材比新制造零件更實(shí)用，對(duì)這些零件進(jìn)行表面處理即可使其獲得新生[19-23]。在修復(fù)性鍍層工藝技術(shù)中，常見(jiàn)的有鍍鉻、鍍鎳、鍍銅等，通過(guò)控制時(shí)間、電流密度等工藝參數(shù)，可以達(dá)到所需要的鍍層厚度，再經(jīng)過(guò)精磨達(dá)到零件指定的尺寸[24]。

某型號(hào)轉(zhuǎn)子因軸承配合面尺寸超差而影響軸承裝配，因此決定對(duì)軸承配合面尺寸進(jìn)行修復(fù)。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)腔灌注有石蠟(熔點(diǎn)47～64 ℃)且前期做過(guò)相應(yīng)的動(dòng)平衡試驗(yàn)，包套轉(zhuǎn)子若采用常規(guī)液相電鍍，轉(zhuǎn)子內(nèi)腔的石蠟會(huì)熔化，影響轉(zhuǎn)子后續(xù)水試試驗(yàn)，同時(shí)常規(guī)液相電鍍極易損壞已經(jīng)完成裝配的轉(zhuǎn)子，造成零件報(bào)廢，任務(wù)延期。為挽救產(chǎn)品，結(jié)合轉(zhuǎn)子特點(diǎn)，擬通過(guò)研究適宜轉(zhuǎn)子的刷鍍工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子軸承配合面尺寸進(jìn)行修復(fù)。

1 刷鍍?cè)砑把芯克悸?/h2>

1.1 刷鍍?cè)?/h3>

刷鍍是修復(fù)機(jī)械零部件的一種特殊工藝技術(shù)，主要具有設(shè)備簡(jiǎn)單、鍍層沉積速度快、鍍層脆性小、鍍層孔隙率低等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)濕法電鍍相比，刷鍍不用鍍槽，而是使用特配的溶液和帶有不溶性陽(yáng)極的鍍筆。刷鍍與電鍍的基本原理一樣，零件接電源的負(fù)極，刷鍍筆接電源的正極，依靠浸滿(mǎn)溶液的刷鍍筆在零件表面上反復(fù)擦拭而獲得鍍層，其工作原理如圖1所示。

圖1 刷鍍?cè)硎疽鈭D

零件刷鍍層的形成和零件浸在槽液中電鍍層形成相同，都是溶液中的金屬陽(yáng)離子在零件上放電和結(jié)晶的過(guò)程。但不同之處在于，刷鍍過(guò)程中鍍筆和零件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而被鍍零件表面不是整體同時(shí)發(fā)生金屬陽(yáng)離子還原和結(jié)晶，而是零件表面各點(diǎn)在鍍筆與其接觸時(shí)發(fā)生瞬時(shí)放電結(jié)晶。此外，正是由于刷鍍筆和零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得刷鍍可以采用比常規(guī)電鍍大幾倍到幾十倍的電流密度，且同樣可以獲得均勻、致密、結(jié)合力良好的鍍層，沉積速度也比鍍槽電鍍沉積速率快5倍至50倍。

1.2 研究思路

轉(zhuǎn)子示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子尺寸修復(fù)面示意圖

試驗(yàn)按以下流程進(jìn)行：有機(jī)溶劑除油→熱水洗→冷水洗→活化→冷水洗→刷預(yù)鍍鎳→刷鍍銅→尺寸測(cè)量→檢驗(yàn)交付。轉(zhuǎn)子軸承配合面補(bǔ)鍍銅技術(shù)研究思路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子刷鍍技術(shù)研究思路

1.3 設(shè)備儀器

本實(shí)驗(yàn)所使用到的設(shè)備儀器有：10 A/12 V直流電源用于刷鍍銅制備，拉伸試驗(yàn)機(jī)(LZW-100G)用于試件拉伸試驗(yàn)，X射線(xiàn)熒光測(cè)厚儀(XRF2020)用于刷鍍銅層厚度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 刷鍍銅電結(jié)晶機(jī)理

刷鍍銅和電鍍銅雖然都可以獲得銅鍍層，但相關(guān)機(jī)理尤其是電結(jié)晶方面還有著一定的區(qū)別。為了研究刷鍍銅工藝與電鍍銅工藝的電結(jié)晶機(jī)理區(qū)別，制備刷鍍銅層試驗(yàn)件和電鍍銅層試驗(yàn)件。刷鍍銅電壓6～8 V，線(xiàn)速度18 m/min，刷鍍25 min，試片銅層厚度為23～25 μm；電鍍銅電流密度2.2 A/dm2，電鍍覆時(shí)間65 min，試片銅層厚度為23～25 μm。對(duì)試片在同樣放大倍數(shù)的情況下進(jìn)行金相觀(guān)察，如圖4所示。

圖4 不同鍍層的組織形貌

經(jīng)能譜分析，刷鍍銅和電鍍銅試片表面銅鍍層均為純凈的銅，均未見(jiàn)雜質(zhì)元素存在。經(jīng)金相分析，刷鍍銅層組織為細(xì)小的等軸晶[見(jiàn)圖4(a)]；電鍍銅鍍層組織為垂直于生長(zhǎng)面的相對(duì)粗大的柱狀晶[見(jiàn)圖4(b)]。在金相學(xué)中，對(duì)于一個(gè)晶粒在一個(gè)方向上特別長(zhǎng)的是柱狀晶，對(duì)于一個(gè)晶粒均勻細(xì)小且各個(gè)方向尺寸都相差不大的是等軸晶。

電沉積過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，它包括金屬與溶液界面間發(fā)生的各種過(guò)程和電極上的電結(jié)晶過(guò)程。金屬的電結(jié)晶是金屬形成晶核和晶核成長(zhǎng)的過(guò)程。與一般鹽類(lèi)自溶液中結(jié)晶的過(guò)程相似，形成晶核都是一個(gè)形成新相的過(guò)程。在金屬結(jié)晶過(guò)程中，整個(gè)體系的自由能變化關(guān)系為

(1)

式中：C為過(guò)飽和溶液的濃度；Cs為飽和溶液的濃度；σ為在T溫度時(shí)溶液與晶粒間的界面張力；V為晶體的摩爾體積；rk為晶核的臨界半徑尺寸。

由式(1)可知，溶液的過(guò)飽和度(C/Cs)越大，晶核的臨界半徑尺寸就越小，從而形成的晶粒尺寸就更小。

在金屬電沉積過(guò)程中，陰極的平衡狀態(tài)為溶液的飽和狀態(tài)，而陰極的過(guò)電位則相當(dāng)于溶液的過(guò)飽和度。在電結(jié)晶時(shí)，陰極的過(guò)電位越大，形成的晶粒也越細(xì)。在刷鍍過(guò)程中有著較大的電流密度，該電流密度為常規(guī)槽體電鍍的10～20倍，因此在較高的電流密度下，陰極極化程度也較高，鍍層形成的晶粒也更為細(xì)致。

在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，整個(gè)電極過(guò)程中電子的轉(zhuǎn)移速度由于存在一定困難而表現(xiàn)出來(lái)的極化就是電化學(xué)極化。在電極電位離開(kāi)平衡電位的不同程度或方向，也就產(chǎn)生了陰極極化和陽(yáng)極極化。電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中陰極極化的程度對(duì)金屬電結(jié)晶的過(guò)程有著重要影響。在電鍍過(guò)程中，遠(yuǎn)、近陰極和陽(yáng)極之間的電壓是相同的，均由兩部分組成，即陽(yáng)、陰極電位差和陰、陽(yáng)極之間鍍液內(nèi)部的電壓，由此可得

V遠(yuǎn)陰極=V近陰極=V=(Φ陽(yáng)極-Φ陰級(jí))+V內(nèi)

(2)

V內(nèi)=IR=ρIL

(3)

式中ρ為比電阻，為固定常數(shù)。

以圖5的陰、陽(yáng)極位置模型計(jì)算，假設(shè)近陰極電位為Φ1，遠(yuǎn)陰極電位為Φ2，陽(yáng)極電位為ΦA(chǔ)，L1、L2分別為近陰極、遠(yuǎn)陰極與陽(yáng)極的距離[25]，因此將式(3)代入(2)中可得

圖5 電鍍過(guò)程陰、陽(yáng)極位置示意圖

(ΦA(chǔ)-Φ1)+ρI1L1=(ΦA(chǔ)-Φ2)+ρI2L2

(4)

可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

-Φ1+ρI1L1=-Φ2+ρI2L2

(5)

Φ1=Φ2+(Φ1-Φ2)=Φ2+ΔΦ=

(6)

又由L2=(L2-L1)+L1=ΔL+L1，結(jié)合式(5)、式(6)可得

(7)

即

(8)

(9)

由此可知，在刷鍍過(guò)程中較大的陰極極化程度促使鍍層晶體生長(zhǎng)更為細(xì)致的等軸晶，鍍層結(jié)晶也更為細(xì)致。鍍液的陰極極化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 鍍液的陰極極化曲線(xiàn)示意圖

2.2 刷鍍工藝參數(shù)

與電鍍不同，刷鍍過(guò)程中的電流值不是一個(gè)可調(diào)節(jié)的獨(dú)立工藝參數(shù)，與刷鍍?nèi)芤悍N類(lèi)、鍍液溫度、刷鍍筆的潤(rùn)濕程度、刷鍍筆與工件的接觸面積、刷鍍筆電阻和工件電壓等有著直接的關(guān)系。因此，在刷鍍過(guò)程中電壓處于恒定狀態(tài)，根據(jù)零件狀態(tài)確定最佳的電壓值。工作電壓作為刷鍍過(guò)程中的一項(xiàng)主要參數(shù)，需要根據(jù)鍍液種類(lèi)、零件狀態(tài)等確定電壓值。當(dāng)工作電壓較低時(shí)，刷鍍層顏色暗淡；當(dāng)工作電壓較高時(shí)，刷鍍層容易出現(xiàn)鍍層粗糙甚至鍍層燒焦等現(xiàn)象。

結(jié)合日常生產(chǎn)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及刷鍍銅溶液的本身性質(zhì)，為了獲得最佳的刷鍍銅電壓工藝參數(shù)，將電壓控制在3～10 V范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行刷鍍30 min，得出刷鍍電壓與鍍層狀態(tài)的具體關(guān)系，如表1所示。

表1 電壓與鍍層的關(guān)系

在刷鍍過(guò)程中，陽(yáng)極與零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(線(xiàn)速度)是一個(gè)極其重要的工藝參數(shù)。每一種刷鍍?nèi)芤涸谒㈠儠r(shí)陽(yáng)極與零件均應(yīng)保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度太低時(shí)，在同樣刷鍍電流下，鍍層容易出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象；相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度太高時(shí)，會(huì)使刷鍍過(guò)程中的電流效率降低，導(dǎo)致鍍層沉積速率較低，甚至出現(xiàn)無(wú)鍍層的現(xiàn)象。刷鍍線(xiàn)速度與鍍層沉積速率的關(guān)系如圖7所示。

圖7 刷鍍線(xiàn)速度與鍍層沉積速率關(guān)系

從圖7中可以看出，隨著陽(yáng)極與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的增加，刷鍍層的沉積速率整體呈現(xiàn)出先增加而后降低的趨勢(shì)。在5 m/min較低速度刷鍍時(shí)，雖然有著較高的鍍層沉積速率，但在該速度下鍍層容易變暗或燒焦；在30 m/min高速刷鍍時(shí)，由于刷鍍速度較高，不僅鍍筆包裹的鍍液容易甩出，而且會(huì)使刷鍍部位的有效電結(jié)晶時(shí)間較短，電流效率較低，從而鍍層沉積速率較低。因此，根據(jù)刷鍍速度對(duì)鍍層沉積速率影響的試驗(yàn)結(jié)果，陽(yáng)極與零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度控制在15～20 m/min時(shí)有著較高的鍍層沉積速率。

2.3 刷鍍層結(jié)合強(qiáng)度

根據(jù)航天產(chǎn)品鍍覆層結(jié)合強(qiáng)度的檢驗(yàn)和驗(yàn)收，電鍍完成后按照QJ 479—90標(biāo)準(zhǔn)中劃格法進(jìn)行金屬鍍覆層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。劃格法進(jìn)行金屬鍍覆層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，劃格器用足夠的力將鍍層劃破至基體金屬，劃線(xiàn)形成1 mm×1 mm的方格，用3M膠帶黏住所劃方格處后揭掉，目視檢查交叉點(diǎn)或線(xiàn)上有無(wú)鍍層剝落、片落或起皮。

從圖8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)劃格法試驗(yàn)后，刷鍍銅鍍層與基體結(jié)合力良好，鍍層無(wú)起皮、脫落現(xiàn)象，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 劃格法試驗(yàn)后試片外觀(guān)

轉(zhuǎn)子的軸承修復(fù)面不僅在后續(xù)的氧預(yù)壓泵裝配過(guò)程中需要一定的力度擠壓軸承配合面(過(guò)盈配合)，同時(shí)在后續(xù)試驗(yàn)中需經(jīng)皮帶轉(zhuǎn)速試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min)進(jìn)行考核。因此，轉(zhuǎn)子軸承配合面鍍層需有較高的結(jié)合強(qiáng)度。為了進(jìn)一步量化測(cè)試刷鍍銅層的結(jié)合強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)，采用GB 8642—2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鍍層結(jié)合強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)測(cè)試，拉伸試驗(yàn)件如圖9所示。

圖9 拉伸試驗(yàn)件

拉伸試驗(yàn)件由基體和加載塊組成[見(jiàn)圖9(a)]，在基體塊的端面刷鍍銅層后，采用黏結(jié)劑將加載塊與基體塊黏結(jié)，并經(jīng)一定時(shí)間完全固化后進(jìn)行拉力試驗(yàn)機(jī)加載拉伸。在拉力試驗(yàn)機(jī)加載拉伸過(guò)程中，以恒速平穩(wěn)地進(jìn)行加載，加載速度為400 N/s，直到基體塊與加載塊發(fā)生斷裂。經(jīng)過(guò)持續(xù)的加載拉伸，當(dāng)載荷加大至17.184 kN時(shí)，抗拉強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度等于載荷與斷裂面橫截面積之比)為36 MPa，基體塊與加載塊發(fā)生斷裂。從圖9(b)中可以看出，基體塊與加載塊發(fā)生斷裂后，基體塊端面的銅鍍層完整，未發(fā)生起皮、脫落等現(xiàn)象，基體塊與加載塊發(fā)生斷裂的原因?yàn)轲そY(jié)劑的強(qiáng)度不夠。因此，經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得出，刷鍍銅層的抗拉強(qiáng)度大于36 MPa。

轉(zhuǎn)子軸承配合面刷鍍銅層后，鍍層結(jié)晶細(xì)致、光亮，沒(méi)有出現(xiàn)鍍層崩邊、起皮、鼓包等結(jié)合力不良現(xiàn)象[見(jiàn)圖10(a)]；同時(shí)，轉(zhuǎn)子經(jīng)水試后軸承配合面的銅鍍層依舊完整，也未出現(xiàn)鍍層崩邊、剝落等現(xiàn)象[見(jiàn)圖10(b)]，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需求與試車(chē)考核要求。

圖10 轉(zhuǎn)子鍍層狀態(tài)

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展轉(zhuǎn)子軸承配合面刷鍍鍍銅技術(shù)的研究，制備出了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，同時(shí)獲得以下結(jié)論。

1)獲得了刷鍍電沉積機(jī)理，刷鍍過(guò)程中陰極極化程度的增加可促使電結(jié)晶過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)為更細(xì)致、均勻的等軸晶。

2)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、刷鍍加工流程對(duì)轉(zhuǎn)子軸承配合面修復(fù)的影響，獲得刷鍍銅最佳工藝參數(shù)：電壓6～8 V，線(xiàn)速度15～20 m/min。

3)修復(fù)后的轉(zhuǎn)子軸承配合面尺寸不僅滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)轉(zhuǎn)子在皮帶轉(zhuǎn)速試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min)中鍍層狀態(tài)表現(xiàn)良好，現(xiàn)已通過(guò)水試考核驗(yàn)證了工藝技術(shù)的可行性。