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国内滑动轴承减摩层的电镀工艺简介
2006年5月17日 10:2  来源:中国建材网

    滑动轴承减摩层的电镀工艺简介

    国内对于减摩合金镀层的研究和应用起步较晚。1960年初,武汉材料保护研究所与海陵第一配件厂首先研制并用于生产的电刷镀铅锡合金工艺已用于快艇发动机的电镀。二十世纪七十年代中期,上海合金轴瓦厂及上海沪东造船厂对轴瓦电镀铜锡合金工艺者了较详细的研究。1985年,哈尔滨工业大学电化学教研室与中国船舶工业总公司四六六厂共同研究了铅青铜滑动轴承上电镀铅锡铜三元合金减摩层的工艺,并已用于生产。1989年,DusankaRadoric发表了“在氟硼酸盐镀液中以氢醌(对一苯二酚)为添加剂的铅锡合金电镀”的论文。十十世纪末,南通轴瓦厂的范家华、姜志东,武汉材料保护研究所的曾良宇、杨先桂、王会文,广西桂林内燃机配件厂的秦胜毅,戚墅堰机车车辆工艺研究所薛伯生等对减摩层的电镀工艺从不同的方面先后进行过不同程度的研究,为该工艺在生产应用中的进一步完善奠定了一定的基础。

    3 问题的提出

    我厂的铅锡铜三元合金减摩镀层的电镀工艺属国内首创,多年来为我国主机配件市场提供了大量轴瓦。近年来,我厂轴瓦产品定货量逐年上升,并且有些轴瓦产品已打入国际市场,具有一定量的出口。这充分体现了我厂的轴瓦产品在激烈的市场竞争中具有相当强的实力。

    自1989年到1991年期间,通过我们的艰苦努力、反复试验,已从根本上解决了轴瓦镀层起泡、脱皮等附着强度差的致命缺陷问题;消除了基体遭受批量性严重腐蚀的故障;克服了批量性壁厚超差,提高了工序能力;废品损失率一直很低,一次交检合格品率逐年提高。然而,镀层粗糙、结瘤、花斑、凹坑、气流条纹等缺陷还时有发生,有时还出现阴极电流密度(DK)达不到工艺范围的现象。

    减摩镀层的上述缺陷直接影响轴瓦产品质量。随着主机厂机型的不断更新换代、进口机型的国产化及市场竞争的日趋激烈,用户对轴瓦产品质量的要求越来越高。市场的竞争从根本上说就是产品质量的竞争。在用户对产品质量指标要求日益提高的形势下,我们面临着改进轴瓦电镀工艺、进一步提高轴瓦产品质量这一新课题的严峻挑战。

    4 影响轴瓦减摩镀层质量的有关因素

    4.1铅锡铜三元合金减摩层电镀液的文献配方及工艺参数

    文献中发表的铅锡铜三元合金镀液中有关成分的含量及工艺参数归纳如下:

    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(游离):40~300g/ι;

    H3BO3(游离):15~40g/ι;

    稳定剂:2~12g/ι;

    添加剂:0.1~5g/ι;

    阴极电流密度(DK):1~8A/dm2;

    温度(T):15~30℃;

    时间(t):15~35min;

    镀层厚度(δ):15~30μm;

    阳极的组成:PbSn8~11。

    4.2影响减摩镀层质量的有关因素

    从上述配方中可以看到,无论是成分含量还是工艺参数,其范围都太宽;为适应生产要求,有必要进一步寻优,在进行寻优试验之前先对影响减摩镀层质量的有关因素进行必要的分析,以确定正交试验中各因子水平的可行域。

    4.2.1主盐离子浓度的影响

    镀液中的主盐离子为Pb2+、Sn2+、Cu2+。其中的Sn2+、Cu2+的含量可根据合金镀层中Sn、Cu的重量百分含量进行相应的调整,可以满足用户对镀层成分含量的要求。因此对主盐离子而言,仅就镀液中的Pb2+含量对镀层质量的影响进行讨论。

    镀液中的Pb2+为合金镀层提供主要组分,文献报道的含量范围为80~333g/ι。如果其浓度较高,则允许使用较高的阴极电流密度,沉积速度快;但分散能力降低,带出损失较大。如果其浓度较低,则分散能力较好,但沉积速度较慢。如果含量太低则镀液的浓差极化太大,电流升不上去,镀层易出现气流条纹缺陷和棱锥形的微观金相结构,直观上体现为镀层粗糙。如果含量过高则一方面使镀液带出损失增大,增加成本;另一方面在气温较低时易发生硼酸(H3BO3)及添加剂的析出现象,从而造成镀层粗糙。适宜的含量是DK升至工艺规定的上限,且镀层结晶细致;在气温降至15℃以下时,镀液中应无硼酸及添加剂的析出现象。

    4.2.2游离氟硼酸(HBF4)浓度的影响

    其主要作用为促使阳极正常溶解;防止二价锡(Sn2+)的氧化和抑制主要离子(Pb2+、Sn2+、Cu2+)的水解,提高镀液的稳定性;提高导导性及分散能力;细化结晶。文献报道的含量范围为40~300g/ι。当游离氟硼酸的含量过低时,它离解出的氢离子(H+)浓度低,镀液中可能发生如下水解反应;

    Pb2++2H2O小于==大于Pb(OH)2↓+2H+

    Sn2++2H2O小于==大于Sn(OH)2↓+2H+

    Cu2++2H2O小于==大于Cu(OH)2↓+2H+

    它们都生成氢氧化物沉淀而悬浮于镀液中。电镀时,它们粘附于基体表面或夹杂在镀层内,使得镀层与基体之间的结合力下降,且镀层发脆、粗糙、起花斑,从而镀层的耐磨性及抗疲劳强度等性能明显下降。

    当镀液中的游离氟硼酸含量过高时,在镀件的高电流密度处,即轴瓦有毛刺的地方或锐边、端面等有氢气析出。其结果是在轴瓦镀层上面产生气流条纹和针孔缺陷。同时,因为边缘效应和尖端放电使得高电流密度处沉积太快,镀液中的主盐离子来不及补充,即由表面扩散或形核控制转变成液相传质控制,浓差极化增大得使轴瓦内表面(阴极)发生如下电化学副反应:

    2H++2e小于==大于H2↑

    从上述反应可以看出,当氢离子(H+)浓度(即相应的游离氟硼酸的浓度)增高时,平衡向右边移动,促进氢气(H2)的生成。析氢的结果不仅会使镀层出现气流条纹和针孔等缺陷,而且还会由于初生态的氢(H——即氢自由基)向镀层内部渗透形成金属氢化物而产生晶格扭曲及螺纹错位现象。如果用扫描电镜(SEM)观察该镀层断面的微观形貌,可以发现其晶体呈大棱锥结构,直观上则是镀层粗糙。另一方面,形成的金属氢化物是不稳定物质,经烘烤加热检验时会分解而释放出氢气(H2)从而使镀层发生鼓泡现象。

 
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