江蘇大學現(xiàn)代表面處理工藝設計

1、現(xiàn)代表面工程課程設計筆記本電腦轉(zhuǎn)軸的表面處理工藝設計學 院： 學生學號： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師姓名： 邵紅紅 紀嘉明 2013 年 1 月筆記本電腦轉(zhuǎn)軸的表面處理工藝設計指導老師姓名： 邵紅紅 紀嘉明1筆記本電腦轉(zhuǎn)軸零件圖（圖1）圖1 筆記本電腦轉(zhuǎn)軸尺寸圖2 服役條件轉(zhuǎn)軸安裝于筆記本的屏幕翻蓋與底座之間，以軸心為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，處在常溫大氣下工作。磨損是轉(zhuǎn)軸使用過程中常見的問題，主要是由軸的金屬特性造成的：金屬雖然硬度高，但是退讓性差（變形后無法復原）、抗沖擊性能差、抗疲勞性能差，因此容易造成粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、微動磨損等。因此需要通過表面處理來提高轉(zhuǎn)軸的耐磨減磨性能和運行

2、可靠性，延長轉(zhuǎn)軸壽命。3 轉(zhuǎn)軸材料性能要求(1)耐磨性轉(zhuǎn)軸作為運動磨損零件，在轉(zhuǎn)動過程中需帶動其他零件一起轉(zhuǎn)動，所以要求有較高的硬度和以滿足長期運轉(zhuǎn)的耐磨性，要求硬度達到800HV。(2)耐蝕性由于轉(zhuǎn)軸是在大氣環(huán)境下工作，因此需要耐大氣腐蝕。4 轉(zhuǎn)軸鍍層工藝選擇與制定4.1 工藝比較(1)電鍍電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導電性、反光性及增進美觀等作用。利用電解作用在機械制品上沉積出附著良好的、但性能和基體材料不同的金屬覆層的技術(shù)。電鍍層比熱浸層均勻，一般都較薄，從幾

3、個微米到幾十微米不等。通過電鍍，可以在機械制品上獲得裝飾保護性和各種功能性的表面層，還可以修復磨損和加工失誤的工件。(2)刷鍍刷鍍是最近幾年發(fā)展起來的一種新工藝，是用一個同陽極連接并能提供電鍍需要的電解液的專用鍍筆，在作為陰極的制件表面上移動進行刷拭的電鍍方法。它的最大優(yōu)點是不用鍍槽，而且沉積速度較快。由于它設備筒單，操作方便，可以選擇多種鍍層，而且具有較高的結(jié)合強度等優(yōu)點，所以在航空、船舶、鐵路、電子及機械和各種車輛的維修中廣泛應用，是目前國家推廣的一種新工藝。(3)化學鍍化學鍍是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法?；瘜W鍍技術(shù)是在

4、金屬的催化作用下，通過可控制的氧化還原反應產(chǎn)生金屬的沉積過程。與電鍍相比，化學鍍技術(shù)具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源設備、能在非導體上沉積和具有某些特殊性能等特點。另外，由于化學鍍技術(shù)廢液排放少，對環(huán)境污染小以及成本較低，在許多領(lǐng)域已逐步取代電鍍，成為一種環(huán)保型的表面處理工藝?；瘜W鍍鎳鍍層的優(yōu)異性能：a.鍍層均勻性好非晶態(tài)鎳鍍層是通過化學沉積的方法獲得，凡是鍍液能浸到的部位，任何外形結(jié)構(gòu)復雜的鍍件，在無氣阻的情況下，都能得到均勻的鍍層。不需外加電流，是非晶態(tài)均一單相組織，不存在晶界、位錯，也無化學成份偏析，且避免了電鍍形成的邊角效應等缺陷。另外，鍍層十分致密，具有較高的光潔度。顏色類似于不銹

5、鋼銀白色。b.鍍層附著力好鍍層在鋼鐵基體上產(chǎn)生壓應力(4MPa)，而鍍層與鋼的熱膨脹系數(shù)相當，所以具有優(yōu)良的附著力，一般為300-400MPa。c.鍍層硬度高，抗磨性能優(yōu)良鍍層具有高硬度，低韌性和較低熱導率、電導率，它的抗拉強度超過700MPa，與很多合金鋼相似，鍍層硬度和延伸率都超過了電鍍鉻，彎曲無裂紋，但不適合反復彎折和拉抻等劇烈變形的部件，經(jīng)熱處理硬度可達HVll00，但在320°C時開始發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，耐磨性能增強，耐蝕性能減弱。d.優(yōu)良的抗腐蝕性能由于鍍層為非晶態(tài)，不存在晶界、位錯等晶體缺陷，是單一均勻組織，不易形成電偶腐蝕，決定其較高的耐蝕性，Ni-P合金鍍層均勻性好，拉應

6、力小，致密性好，為防止介質(zhì)的腐蝕提供了理想的阻擋層。在堿、鹽、高溫油測、有機介質(zhì)和溶劑、酸性氣體中有抗蝕能力，能抵抗除硝酸以外的所有有機酸和無機酸。選擇：由于此轉(zhuǎn)抽是高精密度小尺寸零件，不適合使用電鍍或刷鍍處理，化學鍍鎳層的高度均勻性可保證轉(zhuǎn)軸的尺寸精密度，而無需鍍后機械加工。刷鍍通常用于修理大批量、大面積鍍層的一些零件，生產(chǎn)率顯然不是很高，不適合小尺寸精密零件的鍍鎳，同化學鍍相比較，刷鍍的鍍層深鍍也明顯不如化學鍍。而且化學鍍鎳層具有比電鍍和刷鍍優(yōu)良得多的耐磨性、耐蝕性、可焊性以及鍍層厚度均勻、硬度高等優(yōu)點。另外，化學鍍技術(shù)廢液排放少,對環(huán)境污染小，不用外電源，設備簡單，成本較低，所以選擇化學

7、鍍鎳。5 工藝流程及各工序作用5.1 工藝流程研磨水洗汽油清洗冷水洗除油逆流漂洗活化逆流漂洗純水噴淋中和預熱化學鍍鎳逆流漂洗鈍化純水逆流漂洗噴淋熱純水洗吹干或甩干烘干冷卻檢驗包裝。5.2 各工序設計及作用5.2.1前處理(1)除油堿性除油的原理是利用熱堿溶液對油脂的皂化和乳化作用，將零件表面油污除去的過程。油污的主要成分是油脂即不飽和脂肪酸，它不溶于水，但在堿性溶液中，能與堿發(fā)生皂化反應，生成溶于水的甘油和肥皂。堿液配方：組分 用量NaOH 40g/LNa2CO3 20g/L工藝條件：室溫下進行10min 。氫氧化鈉（NaOH） 是除油溶液的主要成分，直接參與除油過程的化學反應，由于

8、氫氧化鈉的堿性極強，對金屬有一定的氧化和腐蝕作用。堿含量高時，皂化作用強，但過高時潤濕性差，不易清洗干凈，因此，對除油不利。鋁、鋅、錫、鉛及其合金，不易用氫氧化鈉除油，銅及其合金除油液中氫氧化鈉含量不宜過高。碳酸鈉（Na2CO3) 是除油溶液中的主要成分，碳酸鈉溶于水后，即發(fā)生水解反應，生成的氫氧化鈉與油脂發(fā)生皂化反應除去油污，碳酸鈉在除油溶液中起到補充所消耗的氫氧化鈉的作用，并對溶液的PH值起到緩沖作用（pH8.5時，皂化反應不能進行，pH10.2時，皂化物水解）。(2)活化由于不銹鋼表面有一層薄而透明的氧化膜，此膜除去后又能迅速再生成，因此在不銹鋼進行鍍前通常要先進行活化處理。在活化過程中

9、，易切削鋼容易產(chǎn)生局部選擇性腐蝕，造成零件表面腐蝕花斑、掛灰，產(chǎn)生鍍層結(jié)合力、外觀等質(zhì)量缺陷。所以應控制好鹽酸的濃度，一般不超過30%(體積分數(shù))。所以選擇室溫下在濃度25%的鹽酸中進行活化，時間為1min。5.2.2 化學鍍鎳工藝設計以次亞磷酸鈉為還原劑的化學鍍Ni-P溶液應用最為廣泛，分為酸性鍍液和堿性鍍液兩種。酸性鍍液的沉積速率快，鍍層的磷含量高，耐蝕性好，因此選擇酸性鍍液。(1)pH值的確定 pH值增大，沉積速度加快，鍍層中含磷量相應降低，同時會降低次磷酸鈉還原劑的利用率，此時部分還原劑消耗于析氫。當pH值6時，催化還原反應轉(zhuǎn)變成自發(fā)性反應，溶液迅速分解失效。pH值3時，沉積速度慢，實

10、際反應已不進行。因此新配溶液pH值應控制在規(guī)定范圍上限，使用過的舊溶液pH值控制在下限。鍍液的pH值越高，鎳離子還原沉積的速度越快，但當pH過高時鍍液的穩(wěn)定性下降。鍍層的磷含量隨著pH的升高而降低。鍍液的pH值是通過對鍍層磷含量的影響從而改變鍍層的結(jié)構(gòu)，進而影響鍍層性能的?；瘜W鍍鎳鍍層的耐蝕性優(yōu)良，隨磷含量的增加，耐蝕性也提高。這與鍍層結(jié)構(gòu)及鍍層的生長方式密切相關(guān),鍍層的硬度也隨pH值的升高而增大。因此需要把新鍍液pH值控制在55.4范圍內(nèi)，舊鍍液pH值控制在34范圍內(nèi)。(2)溫度的確定 溫度對沉積速度影響很大，溫度愈高，沉積速度愈快，例如酸性鍍液溫度低于60°C時反應極慢，而在80

11、°C以上時沉積反應才能正常進行，自80°C升至90°C，沉積速度上升60%左右。溫度再上升10°C，沉積速度又可提高30%40%，但必須注意，溫度>91°C時鍍液穩(wěn)定性下降，因此鍍液溫度需控制在80°C90°C，溫度波動幅度控制在±2°C以內(nèi)為好，因為鍍層中的含磷量會隨溫度而變化。如施鍍過程中溫度波動過大，會產(chǎn)生片狀鍍層，質(zhì)量差，并影響鍍層結(jié)合力。(3)硫酸鎳含量的確定本體系中最佳硫酸鎳的含量在(27±1)g/L。過高硫酸鎳質(zhì)量濃度(超過30 g/L)時沉積速度反而略有下降,并且鍍液變得不

12、穩(wěn)定。此時鍍層表面變得粗糙,光澤度下降。(4)次磷酸鈉含量的確定在確定的絡合劑濃度范圍,以孔隙率少、表面光滑平整為研究目標,次磷酸鈉含量取決于(硫酸鎳) /(次磷酸鈉)的比值,符合(硫酸鎳) /(次磷酸鈉)=0.30.4的規(guī)律。本體系中最佳次磷酸鈉含量在(30±1)g/L,此時鍍液的沉積速度穩(wěn)定在1115m/h,鍍層中的磷含量8%10%。若次磷酸鈉濃度低,鍍速達不到要求,且含磷量低于8%;過高則鍍液不穩(wěn)定。(5)絡合劑的選擇通常乳酸是化學鍍鎳較好的一種絡合劑。它既具有較好的配位能力,又具有較高的緩沖能力和加速作用,而且價格便宜。實驗中若只采用乳酸作絡合劑,鍍液的穩(wěn)定性不高,所以選擇復

13、配的檸檬酸鹽類作為主絡合劑。幾種絡合劑協(xié)同作用使化學鍍鎳溶液的穩(wěn)定性有了較大的提高。乳酸和主絡合劑以一定的濃度配比,可以得到表面光亮平整、耐蝕性高的鍍層。此時,鍍速穩(wěn)定在1115m/h。鍍速(>20m/h)太高時鍍層孔隙率增加,表面毛刺增多。(6)緩沖劑的選擇緩沖劑主要使鍍液的pH穩(wěn)定在5.05.8的范圍內(nèi),這樣能保證反應的順利進行。在本體系中乳酸及主絡合劑有一定的緩沖能力,再配以乙酸鈉1015 g/L,可以保證鍍液的pH穩(wěn)定。施鍍過程中如果鍍液的pH發(fā)生偏離,可用氨水調(diào)整pH。氨水具有緩沖范圍大的優(yōu)點,也具有與Ni2+配位的能力,并有活化作用。(7)穩(wěn)定劑的確定為控制鎳離子的還原和使還

14、原反應只在被鍍基體表面上進行，防止鍍液自發(fā)分解失效，鍍液中應加入穩(wěn)定劑。這是由于穩(wěn)定劑優(yōu)先被微粒或膠團粒子所吸附，阻礙了鎳離子在這些粒子上的還原。常用的穩(wěn)定劑主要有硫的無機物或有機物，如硫代硫酸鹽、硫氰酸鹽、硫脲及其衍生物等；某些含氧化合物，如AsO2-、IO3-、BrO3-、NO2-、MoO42-等；重金屬離子，如Pb2+、Sn2+、Sb3+、Cd2+等；水溶性有機物，如-COOH、-OH、-SH等基團構(gòu)成的有機物。(8)時間的確定由于轉(zhuǎn)軸鍍鎳鍍層的厚度要求在1215m范圍內(nèi)，而鍍速為1115m/h，所以反應時間定為1h。(9)其他參數(shù)的選擇攪拌有利于氫氣的逸出，同時也可避免局部過熱和使離子

15、分布更均勻，這都使沉積速度增加，改善鍍層質(zhì)量，使鍍液更穩(wěn)定，而鍍覆面積與鍍液體積之比即裝載量建議控制在0.51.5dm2/L之間。化學鍍鎳配方：組分用量NiSO4·7H2O 27g/LNaH2PO2·H2O 30 g/L乳酸 25g/LNaAc·3H2O 15 g/L主絡合劑 10 g/LpH值 新鍍液 5.05.4 舊鍍液 3.04.0穩(wěn)定劑(重金屬無機物) 0. 02 mg/L溫度 8090°C反應時間 1h(10)設備的選擇a.籃筐的選擇由于零件較小，不宜裝掛，因此選擇籃筐鍍?？紤]到手工操作要經(jīng)常翻動，容積不能太大，所以選擇直徑為30cm，裝載量以

16、能輕松翻動零件為宜。根據(jù)此次零件的大小選用孔徑為3mm的不銹鋼絲網(wǎng)。制作在各工序中，特別是除油活化和化學鍍鎳工序中，要經(jīng)常翻動零件，以提高工序效率，防止鍍層接觸印痕的產(chǎn)生。注意翻動時，要制好節(jié)奏和強度，防止零件撞傷。b.鍍槽的選擇鍍槽必須由耐熱、化學穩(wěn)定性好、不污染鍍液的材料制成。設計制造時應該注意結(jié)構(gòu)強度，熱應力的影響等因素。設計尺寸上應盡可能使鍍槽裝載量處在正常范圍之內(nèi)。鍍槽應考慮做一個備用槽、化學鍍槽附近最好有硝酸儲槽。采用高位自流或泵送方式，方便鍍槽清洗和鈍化。在幾種鍍槽的材質(zhì)中，不銹鋼鍍槽的制造技術(shù)最成熟，機械強度高，比較完全，使用壽命長，因此選擇不銹鋼鍍槽。內(nèi)槽的尺寸為1200mm

17、×1600mm×2000mm，工作溶液量為800L，外槽尺寸為2000mm×2400mm×2800mm，水套層厚度40mm；槽外采用玻璃纖維保溫。c.過濾器在化學鍍系統(tǒng)采用筒式過濾器。筒式過濾器由基體和濾芯組成。目前以線繞式管狀濾芯為常用，過濾精度可達到1m。d.加熱設備為了保證化學鍍得以正常進行，必須將鍍液加熱到規(guī)定的工作問題。加熱的方式有蒸汽加熱和電加熱。蒸汽加熱安全，但設備復雜，一次性投資大。電加熱設備簡單，效率高，控溫方便。故采用電加熱的方式，采用3000W蛇型電加熱管加熱。5.2.3 鍍后處理鈍化：由于軸類零件鍍層較薄，必須采用鈍化工藝，以提高

18、鍍層的抗腐蝕、抗變色能力。鈍化后應采用純水清洗，然后用80 °C 以上的純水洗。用壓縮空氣吹干轉(zhuǎn)軸，然后進入烘箱，在200 °C下烘干。這樣既可將復雜零件縫隙內(nèi)的水分烘干，又可改善結(jié)合力。6 鍍層檢驗1 外觀鎳鍍層應是結(jié)晶細致，呈略帶淡黃色的銀白色。拋光后的表面光亮均勻，不應有燒焦、裂紋、起泡、脫皮、暗斑、麻點及深色條紋等缺陷。允許有輕微的劃傷及粗糙，不應有未鍍上的地方。2 結(jié)合力定量檢測方法：拉力試驗法檢測指標：GB5934-96化學鍍鎳磷層與基體結(jié)合強度是把單位面積的鍍層從基體上剝離開所需要的力。如果結(jié)合強度不好，那么即使鍍層其他性能再好也將難以達到化學鍍的目的。將試棒進行化學鍍，鍍后將B部分車削掉，然后裝在專用夾具上，在拉力試驗機上進行拉伸試驗。結(jié)合強度計算如下： N=P/S式中 P拉力，N； S試棒截面積，mm2； N結(jié)合強度，MPa。3 硬度檢測方法：顯微維氏硬度法檢測指標：GB/T4340.1-1999用401/402MVATM型顯微維氏硬度計測試鍍層硬度，載荷1960mN。耐磨性實驗選用干摩擦方式，在常溫球/盤磨擦磨損實驗機上進行，以測定鍍層常溫下的耐磨性，摩擦時間為10min，試驗載荷為500g，測試磨擦前后的質(zhì)量變化即為磨損量，要求硬度達到800HV以上。4 厚度檢測方法：金相顯微鏡法測試過程：(1)測試儀器。使用經(jīng)過校準的、