滑動軸承減摩層的電鍍新工藝(2)
4 影響軸瓦減摩鍍層質(zhì)量的有關(guān)因素
4.1 鉛錫銅三元合金減摩層電鍍液的文獻(xiàn)配方及工藝參數(shù)
文獻(xiàn)[3~10、20、23~24]中發(fā)表的鉛錫銅三元合金鍍液中有關(guān)成分的含量及工藝參數(shù)歸納如下:
Pb2+(以Pb(BF4)2的形式加入):80~333g/ι;
Sn2+(以Sn(BF4)2的形式加入):5~33.3g/ι;
Cu2+(以Cu(BF4)2的形式加入):2~11g/ι;
HBF4(游離):40~300g/ι;
H3BO3(游離):15~40g/ι;
穩(wěn)定劑:2~12g/ι;
添加劑:0.1~5g/ι;
陰極電流密度(DK):1~8A/dm2;
溫度(T):15~30℃;
時間(t):15~35min;
鍍層厚度(δ):15~30μm;
陽極的組成:PbSn8~11。
4.2 影響減摩鍍層質(zhì)量的有關(guān)因素
從上述配方中可以看到,無論是成分含量還是工藝參數(shù),其范圍都太寬;為適應(yīng)生產(chǎn)要求,有必要進(jìn)一步尋優(yōu),在進(jìn)行尋優(yōu)試驗之前先對影響減摩鍍層質(zhì)量的有關(guān)因素進(jìn)行必要的分析,以確定正交試驗中各因子水平的可行域。
4.2.1 主鹽離子濃度的影響
鍍液中的主鹽離子為Pb2+、Sn2+、Cu2+。其中的Sn2+、Cu2+的含量可根據(jù)合金鍍層中Sn、Cu的重量百分含量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,可以滿足用戶對鍍層成分含量的要求。因此對主鹽離子而言,僅就鍍液中的Pb2+含量對鍍層質(zhì)量的影響進(jìn)行討論。
鍍液中的Pb2+為合金鍍層提供主要組分,文獻(xiàn)報道的含量范圍為80~333g/ι。如果其濃度較高,則允許使用較高的陰極電流密度,沉積速度快;但分散能力降低,帶出損失較大。如果其濃度較低,則分散能力較好,但沉積速度較慢。如果含量太低則鍍液的濃差極化太大,電流升不上去,鍍層易出現(xiàn)氣流條紋缺陷和棱錐形的微觀金相結(jié)構(gòu),直觀上體現(xiàn)為鍍層粗糙。如果含量過高則一方面使鍍液帶出損失增大,增加成本;另一方面在氣溫較低時易發(fā)生硼酸(H3BO3)及添加劑的析出現(xiàn)象,從而造成鍍層粗糙。適宜的含量是DK升至工藝規(guī)定的上限,且鍍層結(jié)晶細(xì)致;在氣溫降至15℃以下時,鍍液中應(yīng)無硼酸及添加劑的析出現(xiàn)象。
4.2.2 游離氟硼酸(HBF4)濃度的影響
其主要作用為促使陽極正常溶解;防止二價錫(Sn2+)的氧化和抑制主要離子(Pb2+、Sn2+、Cu2+)的水解,提高鍍液的穩(wěn)定性;提高導(dǎo)導(dǎo)性及分散能力;細(xì)化結(jié)晶。
文獻(xiàn)報道的含量范圍為40~300g/ι。
當(dāng)游離氟硼酸的含量過低時,它離解出的氫離子(H+)濃度低,鍍液中可能發(fā)生如下水解反應(yīng);
Pb2++2H2O<==>Pb(OH)2↓+2H+
Sn2++2H2O<==>Sn(OH)2↓+2H+
Cu2++2H2O<==>Cu(OH)2↓+2H+.
它們都生成氫氧化物沉淀而懸浮于鍍液中。電鍍時,它們粘附于基體表面或夾雜在鍍層內(nèi),使得鍍層與基體之間的結(jié)合力下降,且鍍層發(fā)脆、粗糙、起花斑,從而鍍層的耐磨性及抗疲勞強(qiáng)度等性能明顯下降。
當(dāng)鍍液中的游離氟硼酸含量過高時,在鍍件的高電流密度處,即軸瓦有毛刺的地方或銳邊、端面等有氫氣析出。其結(jié)果是在軸瓦鍍層上面產(chǎn)生氣流條紋和針孔缺陷。同時,因為邊緣效應(yīng)和尖端放電使得高電流密度處沉積太快,鍍液中的主鹽離子來不及補(bǔ)充,即由表面擴(kuò)散或形核控制轉(zhuǎn)變成液相傳質(zhì)控制,濃差極化增大得使軸瓦內(nèi)表面(陰極)發(fā)生如下電化學(xué)副反應(yīng):
2H++2e<==>H2↑
從上述反應(yīng)可以看出,當(dāng)氫離子(H+)濃度(即相應(yīng)的游離氟硼酸的濃度)增高時,平衡向右邊移動,促進(jìn)氫氣(H2)的生成。析氫的結(jié)果不僅會使鍍層出現(xiàn)氣流條紋和針孔等缺陷,而且還會由于初生態(tài)的氫(H——即氫自由基)向鍍層內(nèi)部滲透形成金屬氫化物而產(chǎn)生晶格扭曲及螺紋錯位現(xiàn)象。如果用掃描電鏡(SEM)觀察該鍍層斷面的微觀形貌,可以發(fā)現(xiàn)其晶體呈大棱錐結(jié)構(gòu)[7],直觀上則是鍍層粗糙。另一方面,形成的金屬氫化物是不穩(wěn)定物質(zhì),經(jīng)烘烤加熱檢驗時會分解而釋放出氫氣(H2)從而使鍍層發(fā)生鼓泡現(xiàn)象。
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