包春江 王瑞丽 高安林 李宝筏
【摘要】 对不同配方快速镍刷镀层的耐磨性进行了对比试验研究。分别改变工作电压和电极相对速度,得出3种配方快速镍刷镀层耐磨性与工作电压、耐磨性与电极相对速度关系的回归方程和回归曲线,揭示了刷镀层耐磨性随着各因素水平变化而变化的规律。选取快速镍刷镀液配方、工作电压和电极相对速度3个因素进行正交试验,结果表明,快速镍刷镀液配方对刷镀层耐磨性有极显著的影响。3种配方中(NH4)3C6H5O7的含量有显著差别,其排序为配方Ⅲ>配方Ⅰ>配方Ⅱ,试验所得3种刷镀层耐磨性与上述排序是一致的,说明(NH4)3C6H5O7的含量直接影响快速镍刷镀液的性能。
叙词: 刷镀 回归分析 耐磨性
中图分类号: TQ153;TB302.3 文献标识码: A
Experimental Study on Abrasiveness of Quickly
Plated Surface of Nickel Brush
Bao Chunjiang Wang Ruili Gao Anlin Li Baofa
(Shenyang Agricultural University)
Abstract
The comparative experiment and study on the abrasiveness of quickly plated surface of nickel brush with different formulations were conducted. The regression equation and curve of the relationships between abrasiveness and brush plating voltage, abrasiveness and relative velocity of electrode to brush plated surface with three kinds of formulations of high speed nickel liquid were obtained by changing technological parameters of brush plating. The results revealed the relations between the abrasiveness of brush plated surface and the level of factors. The orthogonal tests of the formulation of high speed nickel liquid, brush plating voltage and electrode relative velocity were carried out which shows that the effect on the abrasiveness of plated surface by formulations of high speed nickel liquid is prominent. The three kinds of formulations with different content of (NH4)3C6H5O7 are remarkably different, the best is the formulation Ⅲ and the worst the formulation Ⅱ. The experimental results show that the abrasiveness of three kinds of brush plated surfaces is in the same sequence which proved that the content of (NH4)3C6H5O7 affects the property of high speed nickel liquid directly.
Key words Brush plating, Regression analysis, Abrasiveness
引言
快速镍刷镀液沉积速度快,镀层耐磨性好,在汽车、拖拉机及农业机械的零件修复中,是常用的刷镀液品种。然而,对于不同配方快速镍刷镀层耐磨性差异的研究还未见报道。因此,本研究对3种配方快速镍刷镀层进行了耐磨性试验,寻求最佳配方和工艺参数组合,为刷镀修复耐磨性要求较高的贵重零件提供理论指导和技术支持。
1 试验材料与试验方法
1.1 刷镀液配方
快速镍刷镀液的3种配方见表1。
表1 快速镍刷镀液配方
化学组成 配方Ⅰ
/g.L-1 配方Ⅱ
/g.L-1 配方Ⅲ
/g.L-1
NiSO4.6H2O 250~260 250~260 250~260
(NH4)3C6H5O7 50~60 25~40 80~100
CH3COONH4 20~30 20~30
(NH4)2C2O4.H2O 微量
NH4OH 适量 适量 适量
1.2 刷镀试件与对磨试件
刷镀试件材料为45号钢,外径φ50-0.10-0.12;对磨试件材料为45号钢,经淬火和低温回火,HRC52,外径φ50±0.01。
1.3 刷镀层耐磨性测试方法
用夹具将刷镀试件装夹在车床上,使用ZKD1型刷镀电源,CY60×30石墨阳极及镀笔,刷镀外圆面,单边镀层厚度为0.06 mm左右。有刷镀层的试件为上试件,对磨试件作为下试件,分别装夹在MM200型磨损试验机上,进行线接触滑动摩擦磨损试验。下试件转速n=400 r/min,上试件静止,载荷F=196 N,加载时间t=7 min,采用CC级20号柴油机机油连续润滑。刷镀层的耐磨性ε用上试件磨痕宽度b的倒数表示[1],ε越大,耐磨性越好。
2 试验结果与分析
2.1 施镀电压对刷镀层耐磨性的影响
试验在室温条件下进行,电极相对速度v=12.2 m/min,试验结果见表2。
表2 耐磨性与施镀电压的关系
施镀电压U/V 耐磨性ε/mm-1
配方Ⅰ 配方Ⅱ 配方Ⅲ
8 0.670 0.656 0.943
10 0.719 0.690 1.053
12 0.820 0.714 1.290
14 0.772 0.738 0.976
16 0.690 0.667 0.811
3种配方快速镍刷镀层耐磨性与施镀电压的回归方程为
配方Ⅰ y=-0.319 6+0.180 79x-0.007 3x2
配方Ⅱ y=0.141+0.093 5x-0.003 75x2
配方Ⅲ y=-1.454 766+0.454 807x-
0.019 66x2
式中 y——耐磨性,mm-1 x——施镀电压,V
回归曲线如图1所示。由图1可知,配方Ⅲ最耐磨,其次是配方Ⅰ,配方Ⅱ最差。对于每一种快速镍镀层,随电压增大,其耐磨性升高,达到12 V左右时,耐磨性达到峰值,之后随电压升高,耐磨性下降。其原因是电压过小,晶核的成核率小于生长率,使镀层晶粒粗大,耐磨性下降;适当增大电压,阴极极化作用增强,镀层结晶细密,使耐磨性提高;但电压过大,晶核虽多,但会造成大量细晶粒的堆积,使镀层疏松,耐磨性下降。
图1 施镀电压对耐磨性的影响
2.2 电极相对速度对耐磨性的影响
试验条件:室温,施镀电压U=14 V。试验结果见表3。
表3 耐磨性与电极相对速度的关系
电极相对速度
v/m.min-1 耐磨性ε/mm-1
配方Ⅰ 配方Ⅱ 配方Ⅲ
6.6 0.630 0.615 0.667
7.9 0.653 0.638 0.698
12.2 0.772 0.738 0.976
17.3 0.772 0.646 0.930
24.5 0.640 0.635 0.889
3种配方快速镍刷镀层耐磨性与电极相对速度的回归方程为
配方Ⅰ y=0.385 45+0.047 38x-0.001 521x2
配方Ⅱ y=0.488 12+0.026 63x-0.000 86x2
配方Ⅲ y=0.174 938+0.090 579x-
0.002 529x2
式中 y——耐磨性,mm-1
x——电极相对速度,m/min
回归曲线如图2所示。由图2可知,配方Ⅲ最耐磨,其次是配方Ⅰ,配方Ⅱ最差。对于每一种快速镍镀层,随相对速度增大,其耐磨性升高,在15~18 m/min达到峰值,随后耐磨性下降。其原因是相对速度太小,浓差极化弱,晶核生长时间长,导致镀层晶粒粗大,耐磨性降低;随着相对速度的提高,浓差极化增强,晶核生成速度大于成长速度,镀层结晶细密,耐磨性提高;但相对速度太大时,浓差极化作用强,镀层细而不密,使耐磨性降低。
图2 电极相对速度对耐磨性的影响
2.3 正交试验
快速镍刷镀液配方、施镀电压和电极相对速度对刷镀层耐磨性都有很大影响。哪个因素对镀层耐磨性起主导作用,哪种组合最佳,需通过正交试验和方差分析查明[2]。正交试验安排见表4,试验结果方差分析见表5。
表4 正交试验方案和结果
试验号 A(配方) B(相对速度
/m.min-1) A×B A×B C(电压/V) A×C A×C B×C B×C 误差 误差 误差 误差 耐磨性
ε/mm-1
1 1(Ⅰ) 1(7.9) 1 1 1(12) 1 1 1 1 1 1 1 1 0.641
2 1 1 1 1 2(14) 2 2 2 2 2 2 2 2 0.653
3 1 1 1 1 3(16) 3 3 3 3 3 3 3 3 0.647
4 1 2(12.2) 2 2 1 1 1 2 3 2 3 2 3 0.820
5 1 2 2 2 2 2 2 3 1 3 1 3 1 0.772
6 1 2 2 2 3 3 3 1 2 1 2 1 2 0.690
7 1 3(17.3) 3 3 1 1 1 3 2 3 2 3 2 0.800
8 1 3 3 3 2 2 2 1 3 1 3 1 3 0.722
9 1 3 3 3 3 3 3 2 1 2 1 2 1 0.650
10 2(Ⅱ) 1 2 3 1 2 3 1 1 2 3 3 2 0.629
11 2 1 2 3 2 3 1 2 2 3 1 1 3 0.638
12 2 1 2 3 3 1 2 3 3 1 2 2 1 0.634
13 2 2 3 1 1 2 3 2 3 3 2 1 1 0.714
14 2 2 3 1 2 3 1 3 1 1 3 2 2 0.738
15 2 2 3 1 3 1 2 1 2 2 1 3 3 0.667
16 2 3 1 2 1 2 3 3 2 1 1 2 3 0.700
17 2 3 1 2 2 3 1 1 3 2 2 3 1 0.646
18 2 3 1 2 3 1 2 2 1 3 3 1 2 0.625
19 3(Ⅲ) 1 3 2 1 3 2 1 1 3 2 2 3 0.666
20 3 1 3 2 2 1 3 2 2 1 3 3 1 0.698
21 3 1 3 2 3 2 1 3 3 2 1 1 2 0.833
22 3 2 1 3 1 3 2 2 3 1 1 3 2 1.290
23 3 2 1 3 2 1 3 3 1 2 2 1 3 0.976
24 3 2 1 3 3 2 1 1 2 3 3 2 1 0.811
25 3 3 2 1 1 3 2 3 2 2 3 1 1 1.081
26 3 3 2 1 2 1 3 1 3 3 1 2 2 0.930
27 3 3 2 1 3 2 1 2 1 1 2 3 3 0.784
表5 方差分析表
因 子 变动平方和 自由度 平均平方和 F值
A 0.269 7 2 0.134 9 19.27
B 0.117 3 2 0.058 7 8.39
C 0.055 9 2 0.028 0 4
A×B 0.045 5 4 0.011 4 1.63
A×C 0.024 8 4 0.006 2 0.89
B×C 0.066 8 4 0.016 7 0.39
误差 0.056 1 8 0.007 0
F0.05(2,8)=4.46 F0.01(2,8)=8.65
F0.05(4,8)=3.84 F0.01(4,8)=7.01
由表5可知,影响刷镀层耐磨性顺序为:快速镍刷镀液配方,电极相对速度,施镀电压,各因素间的交互作用。镀液的配方对镀层耐磨性有极显著的影响,配方Ⅲ最佳,配方Ⅰ次之,配方Ⅱ最差。在3种配方中,(NH4)3C6H5O7含量有显著差别。(NH4)3C6H5O7是快速镍刷镀液的配位剂,与Ni2+形成较稳定的配位离子,使Ni2+的放电超电压增大,电极还原反应的速度变慢,还原后的金属原子有充裕的时间在表面排列,而不会单向地堆积,镀层晶粒细小、平滑和致密。配方Ⅲ中(NH4)3C6H5O7含量最多,镀层最耐磨。
3 结论
(1) 3种配方快速镍刷镀层耐磨性有显著差异,配方Ⅲ>配方Ⅰ>配方Ⅱ。
(2) 快速镍刷镀液中配位剂(NH4)3C6H5O7的含量直接影响镀层的耐磨性。(NH4)3C6H5O7含量多,镀层的耐磨性好。
(3) 通过单因素试验,得到了刷镀层耐磨性与施镀电压、电极相对速度的回归方程;通过正交试验,得出快速镍的最佳工艺规范:
配方Ⅰ、Ⅲ:施镀电压U=12 V,电极相对速度v=12.2 m/min
配方Ⅱ:施镀电压U=14 V,电极相对速度v=12.2 m/min
(4) 配方Ⅲ最耐磨,可用于耐磨性能要求较高的机械零件。
包春江 沈阳农业大学农业工程学院 博士生 讲师, 110161 沈阳市
王瑞丽 沈阳农业大学农业工程学院 硕士
高安林 沈阳农业大学农业工程学院 教授
李宝筏 沈阳农业大学农业工程学院 教授 博士导师
参考文献
1,梁肇伟, 戴向中, 束明鑫. 刷镀新技术. 北京: 人民交通出版社, 1985. 122
2,刘长佑. 用正交表分析快速镍刷镀层的耐磨性. 见: 金属涂镀技术专集. 北京: 科学技术文献出版社, 1985.139~144
收稿日期: 1999-01-26
http://www.agri.ac.cn/agri_net/12/12-2/12-2-07/000137.html |