江苏大学现代表面处理工艺设计

现代表面工程课程设计笔记本电脑转轴的表面处理工艺设计学院：学生学号：专业班级：学生姓名：指导教师姓名：邵红红纪嘉明2013年1月1笔记本电脑转轴的表面处理工艺设计指导老师姓名：邵红红纪嘉明1笔记本电脑转轴零件图（图1）图1笔记本电脑转轴尺寸图22服役条件转轴安装于笔记本的屏幕翻盖与底座之间，以轴心为旋转中心转动，处在常温大气下工作。磨损是转轴使用过程中常见的问题，主要是由轴的金属特性造成的：金属虽然硬度高，但是退让性差（变形后无法复原）、抗冲击性能差、抗疲劳性能差，因此容易造成粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损等。因此需要通过表面处理来提高转轴的耐磨减磨性能和运行可靠性，延长转轴寿命。3转轴材料性能要求(1)耐磨性转轴作为运动磨损零件，在转动过程中需带动其他零件一起转动，所以要求有较高的硬度和以满足长期运转的耐磨性，要求硬度达到800HV。(2)耐蚀性由于转轴是在大气环境下工作，因此需要耐大气腐蚀。4转轴镀层工艺选择与制定4.1工艺比较(1)电镀电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。3(2)刷镀刷镀是最近几年发展起来的一种新工艺，是用一个同阳极连接并能提供电镀需要的电解液的专用镀笔，在作为阴极的制件表面上移动进行刷拭的电镀方法。它的最大优点是不用镀槽，而且沉积速度较快。由于它设备筒单，操作方便，可以选择多种镀层，而且具有较高的结合强度等优点，所以在航空、船舶、铁路、电子及机械和各种车辆的维修中广泛应用，是目前国家推广的一种新工艺。(3)化学镀化学镀是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。另外，由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。化学镀镍镀层的优异性能：a.镀层均匀性好非晶态镍镀层是通过化学沉积的方法获得，凡是镀液能浸到的部位，任何外形结构复杂的镀件，在无气阻的情况下，都能得到均匀的镀层。不需外加电流，是非晶态均一单相组织，不存在晶界、位错，也无化学成份偏析，且避免了电镀形成的边角效应等缺陷。另外，镀层十分致密，具有较高的光洁度。颜色类似于不锈钢银白色。b.镀层附着力好镀层在钢铁基体上产生压应力(4MPa)，而镀层与钢的热膨胀系数相当，所以具有优良的附着力，一般为300-400MPa。c.镀层硬度高，抗磨性能优良镀层具有高硬度，低韧性和较低热导率、电导率，它的抗拉强度超过4700MPa，与很多合金钢相似，镀层硬度和延伸率都超过了电镀铬，弯曲无裂纹，但不适合反复弯折和拉抻等剧烈变形的部件，经热处理硬度可达HVll00，但在320°C时开始发生晶型转变，耐磨性能增强，耐蚀性能减弱。d.优良的抗腐蚀性能由于镀层为非晶态，不存在晶界、位错等晶体缺陷，是单一均匀组织，不易形成电偶腐蚀，决定其较高的耐蚀性，Ni-P合金镀层均匀性好，拉应力小，致密性好，为防止介质的腐蚀提供了理想的阻挡层。在碱、盐、高温油测、有机介质和溶剂、酸性气体中有抗蚀能力，能抵抗除硝酸以外的所有有机酸和无机酸。选择：由于此转抽是高精密度小尺寸零件，不适合使用电镀或刷镀处理，化学镀镍层的高度均匀性可保证转轴的尺寸精密度，而无需镀后机械加工。刷镀通常用于修理大批量、大面积镀层的一些零件，生产率显然不是很高，不适合小尺寸精密零件的镀镍，同化学镀相比较，刷镀的镀层深镀也明显不如化学镀。而且化学镀镍层具有比电镀和刷镀优良得多的耐磨性、耐蚀性、可焊性以及镀层厚度均匀、硬度高等优点。另外，化学镀技术废液排放少,对环境污染小，不用外电源，设备简单，成本较低，所以选择化学镀镍。5工艺流程及各工序作用5.1工艺流程研磨—水洗—汽油清洗—冷水洗—除油—逆流漂洗—活化—逆流漂洗—纯水喷淋—中和预热—化学镀镍—逆流漂洗—钝化—纯水逆流漂洗—喷淋—热纯水洗—吹干或甩干—烘干—冷却—检验—包装。5.2各工序设计及作用5.2.1前处理(1)除油碱性除油的原理是利用热碱溶液对油脂的皂化和乳化作用，将零件表面油污除去的过程。油污的主要成分是油脂即不饱和脂肪酸，它不溶于水，但在碱5性溶液中，能与碱发生皂化反应，生成溶于水的甘油和肥皂。碱液配方：组分用量NaOH40g/LNa2CO320g/L工艺条件：室温下进行10min。氢氧化钠（NaOH）是除油溶液的主要成分，直接参与除油过程的化学反应，由于氢氧化钠的碱性极强，对金属有一定的氧化和腐蚀作用。碱含量高时，皂化作用强，但过高时润湿性差，不易清洗干净，因此，对除油不利。铝、锌、锡、铅及其合金，不易用氢氧化钠除油，铜及其合金除油液中氢氧化钠含量不宜过高。碳酸钠（Na2CO3)是除油溶液中的主要成分，碳酸钠溶于水后，即发生水解反应，生成的氢氧化钠与油脂发生皂化反应除去油污，碳酸钠在除油溶液中起到补充所消耗的氢氧化钠的作用，并对溶液的PH值起到缓冲作用（pH≤8.5时，皂化反应不能进行，pH≥10.2时，皂化物水解）。(2)活化由于不锈钢表面有一层薄而透明的氧化膜，此膜除去后又能迅速再生成，因此在不锈钢进行镀前通常要先进行活化处理。在活化过程中，易切削钢容易产生局部选择性腐蚀，造成零件表面腐蚀花斑、挂灰，产生镀层结合力、外观等质量缺陷。所以应控制好盐酸的浓度，一般不超过30%(体积分数)。所以选择室温下在浓度25%的盐酸中进行活化，时间为1min。5.2.2化学镀镍工艺设计以次亚磷酸钠为还原剂的化学镀Ni-P溶液应用最为广泛，分为酸性镀液和碱性镀液两种。酸性镀液的沉积速率快，镀层的磷含量高，耐蚀性好，因此选择酸性镀液。6(1)pH值的确定pH值增大，沉积速度加快，镀层中含磷量相应降低，同时会降低次磷酸钠还原剂的利用率，此时部分还原剂消耗于析氢。当pH值﹥6时，催化还原反应转变成自发性反应，溶液迅速分解失效。pH值﹤3时，沉积速度慢，实际反应已不进行。因此新配溶液pH值应控制在规定范围上限，使用过的旧溶液pH值控制在下限。镀液的pH值越高，镍离子还原沉积的速度越快，但当pH过高时镀液的稳定性下降。镀层的磷含量随着pH的升高而降低。镀液的pH值是通过对镀层磷含量的影响从而改变镀层的结构，进而影响镀层性能的。化学镀镍镀层的耐蚀性优良，随磷含量的增加，耐蚀性也提高。这与镀层结构及镀层的生长方式密切相关,镀层的硬度也随pH值的升高而增大。因此需要把新镀液pH值控制在5~5.4范围内，旧镀液pH值控制在3~4范围内。(2)温度的确定温度对沉积速度影响很大，温度愈高，沉积速度愈快，例如酸性镀液温度低于60°C时反应极慢，而在80°C以上时沉积反应才能正常进行，自80°C升至90°C，沉积速度上升60%左右。温度再上升10°C，沉积速度又可提高30%~40%，但必须注意，温度91°C时镀液稳定性下降，因此镀液温度需控制在80°C~90°C，温度波动幅度控制在±2°C以内为好，因为镀层中的含磷量会随温度而变化。如施镀过程中温度波动过大，会产生片状镀层，质量差，并影响镀层结合力。(3)硫酸镍含量的确定本体系中最佳硫酸镍的含量在(27±1)g/L。过高硫酸镍质量浓度(超过30g/L)时沉积速度反而略有下降,并且镀液变得不稳定。此时镀层表面变得粗糙,光泽度下降。(4)次磷酸钠含量的确定在确定的络合剂浓度范围,以孔隙率少、表面光滑平整为研究目标,次磷酸钠含量取决于ρ(硫酸镍)/ρ(次磷酸钠)的比值,符合ρ(硫酸镍)/ρ(次磷酸钠)=0.3~0.4的规律。本体系中最佳次磷酸钠含量在(30±1)g/L,此时镀液的沉7积速度稳定在11~15μm/h,镀层中的磷含量8%~10%。若次磷酸钠浓度低,镀速达不到要求,且含磷量低于8%;过高则镀液不稳定。(5)络合剂的选择通常乳酸是化学镀镍较好的一种络合剂。它既具有较好的配位能力,又具有较高的缓冲能力和加速作用,而且价格便宜。实验中若只采用乳酸作络合剂,镀液的稳定性不高,所以选择复配的柠檬酸盐类作为主络合剂。几种络合剂协同作用使化学镀镍溶液的稳定性有了较大的提高。乳酸和主络合剂以一定的浓度配比,可以得到表面光亮平整、耐蚀性高的镀层。此时,镀速稳定在11~15μm/h。镀速(20μm/h)太高时镀层孔隙率增加,表面毛刺增多。(6)缓冲剂的选择缓冲剂主要使镀液的pH稳定在5.0~5.8的范围内,这样能保证反应的顺利进行。在本体系中乳酸及主络合剂有一定的缓冲能力,再配以乙酸钠10~15g/L,可以保证镀液的pH稳定。施镀过程中如果镀液的pH发生偏离,可用氨水调整pH。氨水具有缓冲范围大的优点,也具有与Ni2+配位的能力,并有活化作用。(7)稳定剂的确定为控制镍离子的还原和使还原反应只在被镀基体表面上进行，防止镀液自发分解失效，镀液中应加入稳定剂。这是由于稳定剂优先被微粒或胶团粒子所吸附，阻碍了镍离子在这些粒子上的还原。常用的稳定剂主要有硫的无机物或有机物，如硫代硫酸盐、硫氰酸盐、硫脲及其衍生物等；某些含氧化合物，如AsO2-、IO3-、BrO3-、NO2-、MoO42-等；重金属离子，如Pb2+、Sn2+、Sb3+、Cd2+等；水溶性有机物，如-COOH、-OH、-SH等基团构成的有机物。(8)时间的确定由于转轴镀镍镀层的厚度要求在12~15μm范围内，而镀速为11~15μm/h，所以反应时间定为1h。(9)其他参数的选择搅拌有利于氢气的逸出，同时也可避免局部过热和使离子分布更均匀，这8都使沉积速度增加，改善镀层质量，使镀液更稳定，而镀覆面积与镀液体积之比即装载量建议控制在0.5~1.5dm2/L之间。化学镀镍配方：组分用量NiSO4·7H2O27g/LNaH2PO2·H2O30g/L乳酸25g/LNaAc·3H2O15g/L主络合剂10g/LpH值新镀液5.0~5.4旧镀液3.0~4.0稳定剂(重金属无机物)0.02mg/L温度80~90°C反应时间1h(10)设备的选择a.篮筐的选择由于零件较小，不宜装挂，因此选择篮筐镀。考虑到手工操作要经常翻动，容积不能太大，所以选择直径为30cm，装载量以能轻松翻动零件为宜。根据此次零件的大小选用孔径为3mm的不锈钢丝网。制作在各工序中，特别是除油活化和化学镀镍工序中，要经常翻动零件，以提高工序效率，防止镀层接触印痕的产生。注意翻动时，要制好节奏和强度，防止零件撞伤。b.镀槽的选择镀槽必须由耐热、化学稳定性好、不污染镀液的材料制成。设计制造时应该注意结构强度，热应力的影响等因素。设计尺寸上应尽可能使镀槽装载量处9在正常范围之内。镀槽应考虑做一个备用槽、化学镀槽附近最好有硝酸储槽。采用高位自流或泵送方式，方便镀槽清洗和钝化。在几种镀槽的材质中，不锈钢镀槽的制造技术最成熟，机械强度高，比较完全，使用寿命长，因此选择不锈钢镀槽。内槽的尺寸为1200mm×1600mm×2000mm，工作溶液量为800L，外槽尺寸为2000mm×2400mm×2800mm，水套层厚度40mm；槽外采用玻璃纤维保温。c.过滤器在化学镀系统采用筒式过滤器。筒式过滤器由基体和滤芯组成。目前以线绕式管状滤芯为常用，过滤精度可达到1μm。d.加热设备为了保证化学镀得以正常进行，必须将镀液加热到规定的工作问题。加热的方式有蒸汽加热和电加热。蒸汽加热安全，但设备复杂，一次性投资大。电加热设备简单，效率高，控温方便。故采用电加热的方式，采用3000W蛇型电加热管加热。5.2.3镀后处理钝化：由于轴类零件镀层较薄，必须采用钝化工艺，以提高镀层的抗腐蚀、抗变