應用Ni-Al2O3納米復合鍍層修復汽車零件

韓二鋒， 張志剛

(浙江農業商貿職業學院 汽車技術系,浙江 紹興 312000)

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應用Ni-Al2O3納米復合鍍層修復汽車零件

韓二鋒， 張志剛

(浙江農業商貿職業學院 汽車技術系,浙江 紹興 312000)

以鎳基納米鍍層作為功能層，采用表面鍍覆的方法對汽車零件損傷進行修復。修復后對鍍層的結合強度、表面形貌、鍍層硬度及耐磨性能進行分析和測試。研究表明，Ni-Al2O3納米復合鍍層可以改善汽車零件的表面性能，使修復汽車零件的耐磨性更優，可以能夠有效延長汽車零件的服役時間。

汽車零件； 損傷； 修復； Ni-Al2O3納米復合鍍層

引 言

汽車零件的磨損及腐蝕損傷，會使汽車的安全性與穩定性降低，還會引起環境污染，直接或間接造成經濟損失[1]。汽車零件的損傷，一般發生在零件的表面，采用有效的防護，可以減少磨損和腐蝕。與普通的復合鍍層相比,納米復合鍍層具有優良的硬度、耐磨減摩性能、耐腐蝕、耐高溫氧化、電及電催化性能等優點，適合對損傷的汽車零部件進行修復，使之服役壽命得以延續[2-3]。

納米復合鍍層依據納米粒子的小尺寸效應與表面效應，改變固體材料表面的組織結構與應力狀態，從而使固體表面具有良好的結構力學性能和功能性能[4]。

本研究以納米復合鍍層作為功能層，運用表面鍍覆的方式，對汽車零件(活塞)的損傷進行修復。延長汽車零件的服役壽命。

1 納米復合鍍層表面強化機理

納米復合電鍍可以對汽車零件表面的磨損、腐蝕等損傷進行修復，使表面強化。研究表明，納米復合鍍層的性能主要取決于鍍層中納米微粒的含量[5-6]。為了提高鍍層的硬度，復合鍍層中需增加納米微粒數量，鍍層中的納米微粒數量的增加，則其耐磨性、耐蝕性及抗高溫氧化等性能亦可同時得以提升[7]。在復合電鍍時，由于納米微粒懸浮于電鍍液中，為了使納米復合鍍層的微粒含量均勻，須對電鍍液進行適當的攪拌，納米微粒在超聲波、攪拌力和表面活性劑作用下，使納米微粒充分分散，在電鍍液中均勻分散，以便電鍍時能夠在基體表面逐漸形成金屬包埋[8-9]。

2 實 驗

2.1 汽車零件鍍前處理

圖1(a)為汽車零件損傷(活塞)的外觀，圖1(b)為汽車零件(活塞)局部損傷放大圖。從圖1可見，汽車零件存在無規則劃痕，有輕度損傷。

鍍前準備是保證修復質量的基礎。首先清除汽車零件的油污、積屑、銹蝕等附著物，并車削去汽車零件表面的疲勞層，清潔零件表面并進行活化處理，確保鍍覆的納米復合鍍層與汽車零件損傷的待修復表面緊密結合，鍍覆層連續、完整的覆蓋待修復表面。由于汽車零件材料為高強度合金鋼，預鍍層選用特殊鍍鎳液，工作層選用Ni-Al2O3復合鍍液。

圖1 汽車零件(活塞)破損照片

2.2 納米復合電鍍液的制備

納米顆粒具有殼層結構，尺寸是納米級，比表面積大，因此納米顆粒表面活性很高，納米顆?；w相結構受到尺寸制約而不同于常規材料的結構，納米顆粒具有較高的化學活性，能夠供給電子和捕獲電子，易氧化還原或吸附而難以保持穩定的物理、化學形態，納米顆粒具有巨大的比表面積，顆粒間傾向于彼此聚結從而有效地降低其表面能，形成軟團聚或硬團聚，從而有降低顆粒的表面活性[10-11]。利用納米復合鍍層進行汽車零件損傷修復，在制備納米復合電鍍液時，需要提高納米顆粒的化學和物理穩定性，降低顆粒表面活能，使納米顆粒能夠在電鍍液中穩定、均勻分散。

實驗采用瓦特鎳電鍍液，溶液組成及實驗條件為：240g/L NiSO4·6H2O，45g/L NiCl2·6H2O，30g/L H3BO3，5～20g/L Al2O3(d=100nm)，pH為4，Jκ為3.0A/dm2，v攪拌為350r/min，t為50min，θ為50℃。主成分硫酸鎳，是陰極沉積的鎳離子的供給源；氯化鎳降低鎳陽極表面鈍化的速度；硼酸起緩沖劑作用，防溶液pH升高；Al2O3納米顆粒，為鍍層增強相。

2.3 鍍覆Ni-Al2O3納米復合鍍層

電鍍時，鍍液放于有機玻璃的雙層電鍍容器中，電鍍液由夾層中的循環水加熱，電源為WWL-LDX型直流穩壓穩恒電源(楊州雙鴻)，用H01-1B型磁力攪拌器對電鍍液進行攪拌，采用PHS-25型數學酸度計測定鍍液pH。汽車零件活塞環作陰極，純鎳板作陽極，電鍍完成后，取出零件，用水清洗、超聲清洗，再水洗、干燥，鍍層δ約20μm左右。

2.4 鍍后處理

汽車零件鍍后處理目的是確保鍍覆層實現預期功能。由于活塞環是發動機的“心臟”，是汽車關鍵零部件之一，承受交變的機械負荷和熱負荷。進行損傷修復后的汽車零件必須確保尺寸精度，需要對修復后的汽車零件進行清潔與保護處理，對鍍層結構、精糙程度、結合強度、耐磨及耐蝕性進行測試。

3 修復汽車零件鍍層性能測試

3.1 結合強度測試

鍍層與汽車零件損傷修復表面的結合強度是零件鍍層性能測試首要關注指標。研究中采用自動劃痕儀(CSR-01型)對鍍層與汽車零件(活塞)的結合強度進行測試。加載載荷20N，劃痕距離設定為10mm，由自動劃痕儀記錄數據，以鍍層剝落的最小臨界載荷作為鍍層與汽車零件結合強度的度量。自動劃痕法測試結果表明，斷口處與劃痕邊緣的鍍層出現輕微裂紋，但鍍覆層未剝落，表明Ni-Al2O3納米復合鍍層與汽車零件損傷表面的結合強度高。

3.2 表面形貌分析

用顯微鏡對鍍層表面進行觀測，修復后汽車零件(活塞)的外觀如圖2(a)所示。從圖2(a)可以發現，修復后的活塞表面光潔平滑，鍍層色澤均勻；利用三維表面形貌儀觀測修復后的活塞表面三維形貌，結果如圖2(b)所示。從圖2(b)可以知道，活塞表面三維形貌光滑平整，Ni-Al2O3納米復合鍍層與活塞損傷面連接得相當好。

圖2 汽車零件(活塞)的修復效果

3.3 鍍層硬度測試

鍍層硬度是決定復合鍍層耐磨性能的關鍵因素，高表面硬度是耐磨復合鍍層不可或缺的特征[7]。利用HX-1型顯微硬度計，根據GB/T9790-1988《金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗》的要求，采用隨機取5點測試鍍層硬度，測試結果如圖3所示。從圖3可以看出，修復后硬度的平均值為5732.4MPa，高于活塞基體表面硬度平均值3500MPa，結果表明Ni-Al2O3納米復合鍍層的顯微硬度顯著提高。

圖3 Ni-Al2O3納米復合鍍層修復活塞的表面硬度

3.4 耐磨性能測試

鍍層耐磨性能是鍍層與其有相對運動的相互接觸的物體抵抗的能力。研究中，利用UMT-2摩擦試驗機對鍍層的摩擦學性能進行測試，修復后活塞因磨損造成的質量損失和摩擦系數如圖4所示。通過對比試驗發現，Ni-Al2O3納米復合鍍層修復活塞的表面比基體更耐磨損。

圖4 Ni-Al2O3納米復合鍍層修復活塞的耐磨性能

4 結 論

本研究以汽車零件(活塞)作為對象，采用納米復合鍍技術，制備出Ni-Al2O3納米復合鍍層，鍍層美觀、強度大、耐磨及抗腐蝕，作為功能層的鎳基納米復合鍍層提高了汽車零件的表面性能，修復后的汽車零件更耐磨損和腐蝕，有效延長機器元配件服役壽命。

[1] 亓新華,張玉泉,荊瑞俊.高硬度耐腐蝕納米復合鍍層的研究現狀[J].腐蝕與防護,2007,28(7):329-332..

[2] 杜登學,張志鵬,李文鵬,等.鎳基納米復合鍍層的研究進展[J].材料保護,2010,43(9):45-49.

[3] 譚俊,田輝,高玉琳,等.電刷鍍納米結構鍍層的發展及其機理研究走向[J].中國表面工程,2008,21(5):15-20.

[4] Afshar A,Ghorbani M,Mazaheri M.Electro deposition of graphite-bronze composite coatings and study of electroplating characteristics[J].Surface and Coatings Technology,2004,187(2-3):293-299.

[5] Chen L,Wang L,Zeng Z,et al.Influence of pulse frequency on the microstructure and wear resistance of electrodeposited Ni-Al2O3composite coatings[J].Surface and Coatings Technology.2006,201(3-4):599-605.

[6] Gan Y X,Wei C S,Lam M,et al.Deformation and fracture behavior of electrocodeposition alumina Nan particle/copper composite films[J].Journal of Materials Science,2007,42(13):5256-5263.

[7] 徐濱士,胡振峰.綠色納米電刷鍍技術及其在再制造工程中的應用[J].新技術新工藝,2008，(11):7-11.

[8] 馬洪芳,許斌,郭強,等.Ni-P/Ag納米復合化學鍍層的耐磨損性能[J].材料保護,2009,42(4):24-26..

[9] Vidrich G,Castagnet J F,Ferkelz H.Dispersion behavior of Al2O3and SiO2nanoparticles in Nickel sulfamate plating baths of different compositions[J].Journal of the Electrochemical Society,2005,152(5):294-297.

[10] Bund A,Thiemig D.Influence of bath composition and pH on the electrocodeposition of alumina nanoparticles and nickel[J].Surface and Coatings Technology，2007,201(16):7092-7099.

[11] 孫建春,王建,彭曉東.納米復合鍍層的沉積機理及其摩擦特性的研究現狀[J].材料導報,2003,17(4):61-62,72.

Auto Parts Damage Repairing by Ni-Al2O3Nano Composite Coating

HAN Erfeng, ZHANG Zhigang

(Department of Automobile,Zhejiang Agricultural Business College,Shaoxing 312000,China)

Auto parts damage was repaired by surface plating method using nickel based nano coating as the functional layers.Binding strength,surface morphology,hardness and wear resistance of the coating were analyzed and tested after the repairing.Results showed that the Ni-Al2O3composite coating could improve the surface performance of auto part, make its wear resistance become better and extend its service life effectively.

auto parts; damage; repair; Ni-Al2O3nano composite coating

2016-07-08

2016-07-29

城市智能停車誘導系統關鍵技術研究(2014B7001)，紹興汽車服務業公共科技服務平臺(2013C10007)

TQ153.2

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.11.009