遍及國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，大量金屬零部件因腐蝕而失效甚至報廢。據(jù)統(tǒng)計，每年由于腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料，約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的20-40％，全世界每年因腐蝕而損耗的金屬達(dá)1億噸以上。至于因腐蝕造成的間接損失，雖然有時難以統(tǒng)計，但危害更大。

 

    本文簡要綜述對腐蝕零件具有針對性的先進(jìn)再制造技術(shù)--化學(xué)鍍這一先進(jìn)的表面工程技術(shù)，也是先進(jìn)的特種加工技術(shù)的研究進(jìn)展。重點介紹化學(xué)鍍二元、三元及納米復(fù)合鍍合金技術(shù)在異形和活動零件中的應(yīng)用，系統(tǒng)分析與解決了零件再制造工程中的結(jié)構(gòu)特點、鍍液選擇、施鍍設(shè)備、工藝流程、表面質(zhì)量、鍍層性能和復(fù)合防護(hù)設(shè)計等方面的技術(shù)關(guān)鍵問題，獲得了再制造工程應(yīng)用的鍍液、設(shè)備及優(yōu)化的工藝，顯著提升了零件再制造工業(yè)化的質(zhì)量和規(guī)模，拓寬了化學(xué)鍍技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

    文/黃燕濱 儀忠源 巴國召 周科可

 

    再制造化學(xué)鍍技術(shù)發(fā)展

 

    再制造工程是正在發(fā)展的一個新興研究領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)，再制造工程運用先進(jìn)表面技術(shù)，復(fù)合表面技術(shù)等多種高新技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式、嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量管理和市場管理模式，使廢舊產(chǎn)品得以高質(zhì)量的再生，創(chuàng)造新的價值，是符合國家可持續(xù)發(fā)展的一項系統(tǒng)工程。零件的再制造是研究最早的領(lǐng)域，在國外已經(jīng)形成了規(guī)模相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)，但在國內(nèi)尚處于起步階段。特種加工技術(shù)是直接借助電能、熱能、聲能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能以及特殊機械能等多種能量或其復(fù)合施加在工件的被加工部位上以實現(xiàn)材料切除的加工方法，從而實現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等的非傳統(tǒng)加工方法統(tǒng)稱為特種加工。

 

    化學(xué)鍍技術(shù)是先進(jìn)的表面工程技術(shù)， 也是先進(jìn)的特種加工技術(shù)，通過在零件表面鍍覆金屬材料等，提高零件的耐蝕和耐磨性能，以改善表面性能，使其在高溫、高壓、高速或腐蝕環(huán)境下長期而可靠地工作，并且化學(xué)鍍鍍層厚度均勻致密，無明顯的邊緣效應(yīng)，施鍍之后無需對零件再加工，可直接應(yīng)用。化學(xué)鍍操作方便、工藝設(shè)備簡單、鍍層質(zhì)量優(yōu)異，但對鍍液、工藝有嚴(yán)格的要求，只有正確地實施鍍前處理、施鍍操作、鍍后處理各部分工藝才能得到質(zhì)量合格的鍍層。化學(xué)鍍再制造的工藝流程是：舊機入庫→拆解→清洗→檢測分選→鍍前處理→化學(xué)鍍→鍍后處理→裝配→整機測試→包裝→出廠，工藝流程如圖1。
 

 

    整個工藝流程中，腐蝕零件檢驗及分類是其中較為關(guān)鍵的步驟。通過檢驗， 對于腐蝕損傷過于嚴(yán)重，不適合化學(xué)鍍技術(shù)處理的零件，要應(yīng)用其他再制造技術(shù)處理，或者報廢處理。腐蝕損傷不嚴(yán)重的零件，要先進(jìn)行退鍍，然后才能進(jìn)行化學(xué)鍍處理。

 

    化學(xué)鍍技術(shù)的處理工藝

 

    二元化學(xué)鍍技術(shù)

 

    自1 9 4 6 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的A . Brenner和C.Ridden提出了沉積非粉末狀鎳的方法以來，國內(nèi)外研究部門對化學(xué)鍍作了深入地研究，但化學(xué)鍍技術(shù)形成與理論完善只有近20-30年的歷史。由于化學(xué)鍍Ni-P鍍層具有優(yōu)異的力學(xué)、工藝和加工性能，在零件的再制造方面得到廣泛的應(yīng)用，但化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層是多種綜合因素綜合作用的結(jié)果，鍍液中各成分及施鍍工藝之間既相互促進(jìn)又相互制約。

 

    提高鍍層的厚度可增加鍍層的耐蝕性能，零件單一Ni-P鍍層難以有效控制鍍層孔隙，因此提出了復(fù)合鍍層設(shè)計方案。采用了雙層化學(xué)鍍鎳技術(shù)，對ZMP（中磷鍍液）、ZHP（高磷鍍液）雙層化學(xué)鍍鎳ZDP體系利用正交試驗進(jìn)行了工藝優(yōu)化， 獲得了具有優(yōu)異性能的雙層化學(xué)鍍鎳新工藝，結(jié)果見表1，經(jīng)過性能測試，驗證了復(fù)合鍍層的耐蝕性能優(yōu)于單一的Ni-P鍍層， 結(jié)果見表2。
 

 

    工業(yè)化現(xiàn)場施鍍裝置見圖2。主要由聚丙烯鍍槽、外循環(huán)電加熱器、溶液攪拌、循環(huán)過濾流量泵、鍍液自動添加裝置 、電加熱控制柜等組成。ZMHP系列鍍液實現(xiàn)了快速穩(wěn)定的工程化應(yīng)用。

 

    根據(jù)考核統(tǒng)計，經(jīng)過化學(xué)鍍技術(shù)處理的零件的防腐效果優(yōu)秀率達(dá)到81.3%，輕度腐蝕即良好率占14%，嚴(yán)重生銹占4.7%。綜上所述，零件應(yīng)用化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層技術(shù)的防腐效果良好見圖3。
 

 

圖2　工業(yè)化現(xiàn)場施鍍裝置圖



圖3　車輛化學(xué)鍍處理零件
 

 

    三元化學(xué)鍍技術(shù)

 

    隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們對功能性鍍層的要求越來越多樣化。單純的二元Ni－P合金已越來越難以滿足工程的要求，通過添加合金元素獲得三元或多元Ni－P基合金鍍層來改善合金鍍層的性能。在惡劣工況下工作的關(guān)鍵零件蝕耐磨性要求較高，二元Ni-P鍍層不能完全滿足其要求，而三元化學(xué)鍍鎳技術(shù)通過合金化的方法，能夠調(diào)整和改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善其物理化學(xué)性質(zhì)，甚至獲得一些新的特性，見表3。
 

 

    三元化學(xué)鍍鎳技術(shù)通過合金化的方法，能夠調(diào)整和改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善其物理化學(xué)性質(zhì)，甚至獲得一些新的特性。如Ni－Cu－P具有良好的耐蝕性、非磁性和穩(wěn)定性，而且當(dāng)Cu含量足夠高時，有良好的導(dǎo)電性；Ni－Mo－P、 Ni－W－P是極好的薄膜電阻材料，其耐蝕性也很高；Ni－Co－P 則為優(yōu)良的磁記憶膜。三元化學(xué)鍍鎳合金層克服了二元化學(xué)鍍鎳合金層的許多缺點，有較好的綜合性能。表3列舉了各種三元合金鍍層的性能特點：

 

    三元化學(xué)鍍鎳合金層克服了二元化學(xué)鍍鎳合金層的許多缺點，有較好的綜合性能，它的發(fā)展將會促進(jìn)化學(xué)鍍技術(shù)的飛躍，也將更好地應(yīng)用于零件防腐與再制造工程應(yīng)用中。

 

    復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)

 

    微納米顆粒復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)是根據(jù)材料的結(jié)晶理論和復(fù)合材料強化理論，利用微納米顆粒的優(yōu)異性能，獲得具有良好綜合機械性能的復(fù)合鍍層，發(fā)揮化學(xué)鍍技術(shù)在零件防腐中的技術(shù)優(yōu)勢。在化學(xué)鍍Ni-P 鍍液中加入n-ZrO2、納米Si、納米Al2O3、SiC、金剛石粉等微納米材料，由于顆粒本身的性質(zhì)，其鍍層比普通化學(xué)鍍有更優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性和抗高溫氧化能力，微納米顆粒復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)不僅具有傳統(tǒng)化學(xué)鍍技術(shù)的工藝優(yōu)點，而且獲得的復(fù)合鍍層，其綜合性能更加優(yōu)異。

 

    納米復(fù)合鍍層是納米材料應(yīng)用研究中極具活力的研究方向之一。以納米顆粒為代表的納米硬粉本身具有較高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性，可以有效地提高鍍層的硬度和耐磨性。納米顆粒的存在對于鍍層內(nèi)位錯的移動和微裂紋的擴(kuò)展有一定的阻礙作用，它還會影響內(nèi)應(yīng)力的分布，引起鍍層晶粒的細(xì)化，并使鍍層中的裂紋有減少、變小的趨勢。從這個意義上講，微納米顆粒在復(fù)合鍍層中的應(yīng)用，能夠全面提升單一鍍層的綜合性能。

 

    對納米化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)的研究表明， 在不影響鍍層耐蝕性的基礎(chǔ)上添加納米顆粒的鍍層，能夠提高鍍層的耐磨性，這可在更苛刻的條件下應(yīng)用化學(xué)鍍技術(shù)，使其在零件再制造中有更廣泛的用途。

 

    二元化學(xué)鍍Ni-P鍍層良好的耐蝕、耐磨性能和表面質(zhì)量，使得該技術(shù)在零件再制造中已得到廣泛的應(yīng)用，在一定條件下滿足了裝備的使用要求，但需進(jìn)一步提升鍍層性能；三元化學(xué)鍍Ni-W-P、Ni-Cu-P鍍層具有更優(yōu)異的耐蝕和耐磨性能，可在更惡劣的工況下工作，這對零件再制造提供了更有效的質(zhì)量保證；納米化學(xué)復(fù)合鍍層具有了特殊力學(xué)性能和表面質(zhì)量，可以滿足復(fù)雜、苛刻的工作條件，為零件再制造提供了技術(shù)儲備。