电刷镀技术在汽车汽缸再制造中的应用
2015-1-31 来源：福建农林大学机电工程学院 作者：孟素各 庄哲峰
摘要：针对汽车汽缸壁磨损和材料疲劳引起的失效，采用电刷镀技术进行修复能够使汽缸恢复到正常的适用状态。文章对电刷镀机技术的工艺特点及其在汽车汽缸再制造中的应用进行了探讨。
1、 电刷镀技术概述
电刷镀技术是以电镀技术为基础发 展而来的，它 的工作原理是利用镀笔取代传 统电镀中的阳极，使镀刷与设备零件表面 保持接触并进行相对运动， 以此来完成整个电镀工作，最终在零件表面形成镀层。
通常情况下，电刷镀技术采用专用的直流电源设备，分别将镀笔以及工件接在电源的正负极上，作为刷镀时的阳极和阴极。通常选用高纯度的细石墨块作为镀笔的阳极材料，然后在石墨块外面包裹棉花以及耐磨涤棉套。进行电刷镀时，首先用镀笔浸满镀液，然后通过使镀笔以一定的速度在工件的表面进行移动，同时对镀笔施加一定的压力。这样就能使镀笔在接触工件表面时，其镀液中的金属离子充分扩散到工件的表面，这些离子在扩散到工件表面会获得电子被还原成金属原子，金属原子经过沉积之后会在工件表面形成镀层。镀层的厚度与刷镀时间成正比。
电刷镀技术的基本原理可用下式表示：
Mn + + ne→ M式中，Mn+表示带正电的金属离子；n表示该金属的化合价数；e表示电子；M表示金属原子。当带正电的金属离子与电子反应后，会形成金属原子M。
2 、电刷镀技术的工艺及特点
2.1 电刷镀技术工艺
通过电刷镀技术对设备工件进行修复的过程中，每道工序都需要做好清洁工作，必须用清水彻底冲洗工件上残留的镀液。在实际的电刷镀过程中，需要结合工件表面的实际特点、当前的状态以及所需要的镀层厚度等条件，合理选择镀笔的极性、电压、相对运动速度及镀液，镀层的设计必须科学，刷镀的工艺也应进行合理的安排。在刷镀中，对最后镀层的质量产生影响的因素非常多，因此，要从各个环节做好刷镀工作，保证刷镀质量。
2.2 电刷镀技术的特点
电刷镀技术相对于传统的电镀技术更为轻便、灵活，精度更高，且镀层更容易沉积形成，其在各种机械零件的修复工作中也得到了广泛的应用。其主要包括以下三个方面的特点。
2.2.1 设备特点
电刷镀设备具有轻便、灵活等特点，而且在刷镀过程中移动便捷，不需要镀槽和挂具，只需要占用较小的空间；另外，一套设备能够完成多种镀层的刷镀，可以有效的节约刷镀成本，提高刷镀效率。采用高纯度细石墨块作为镀笔材料，可以根据需要将其制作成各种样式，通常以工件表面形状特点的刷镀需要作为制作的标桩。另外电刷镀设备在用电、用水方面比传统设备更低、更环保。
2.2.2 镀液特点
在电刷镀技术中，镀液中含有大量的金属离子，可以有效的提高镀液的沉积效率。镀液还具有较高的稳定性，能够满足刷镀过程中电流密度计温度大范围变化的需求；另外，镀液还具有很高的安全性，不容易被引燃或引爆，其成分不存在有毒物质，而且不容易腐蚀工件。镀液对提高电刷镀工作的安全，以及刷镀工件的运输和储存安全具有重要意义。
2.2.3 电刷镀工艺特点
电刷镀过程中需要使镀笔与工件之间保持一个相对运动的速度，这样有利于散热，使刷镀过程中不会因工件过热而影响镀层的稳定性。镀笔的移动能够对晶粒的长大及排列进行有效限制，因此，镀层中的超细晶粒及高密度错位较多，所形成的镀层具有较高的强度。另外，镀液随着镀笔的移动能够均匀扩散到工件表面，可有效避免镀液金属离子分布不均的现象，保证镀层的质量。
3 、电刷镀技术在汽缸再制造中的应用范围
汽车发动机在公车中，由于活塞的高速运动会对汽车汽缸壁造成磨损，长期如此，会造成汽缸壁材料的变形和疲劳，最终导致失效。为了提高汽缸的使用寿命和性能，需要对汽缸进行再制造以修复汽缸，使汽缸能够恢复正常工作。通常采用电刷镀机的方式对汽车汽缸进行刷镀，在汽缸缸壁表面刷镀层，能够使缸壁材料的强度和刚度得到一定的提升，延长缸壁材料的使用寿命。
由于设备的零部件磨损而导致的零件失效是废件产品中最常见的现象，针对磨损量较小的零件表面，可以利用电刷镀技术使这些零件回复到原始状态，正常投入到工作中。电刷镀技术的主要应用范围包括以下几个方面：
1）用于恢复轻度磨损零件的尺寸精度与几何精度，这也是电刷镀技术的最主要应用方向，应用该技术能有效提高零件的再利用率，降低工作成本。
2）对零件表面所存在的划伤沟槽、压坑等表面破坏进行填补。当零件表面出现这些损坏时，容易造成零件失效，利用电刷镀技术进行填补是一种高效实用的方法。
3）可以利用电刷镀技术回复超差尺寸较小的零件，使其达到工作要求。
4）利用电刷镀技术能够对零件表面进行强化，通过刷镀在零件表面形成保护膜，减小零件工作过程中的摩擦系数，降低零件的磨损消耗，同时还能提高产品的性能及质量。
5）能够有效提高零件的防腐性能，通过电刷镀在零件表面形成的保护层能够有效隔绝腐蚀性物质对零件的侵蚀，同时还能使零件与氧气隔绝，避免零件表面发生氧化反应。
6）零件表面的镀层能够有效提高零件表面的光洁度，实现装饰零件表面的效果。
4 、汽车汽缸材料要求及失效模式
4.1 汽车汽缸材料要求
汽车汽缸缸壁的尺寸厚度不均匀，缸体在工作过程中会受到气压力以及气压力与惯性力之间的联合作用。在这些作用下，机体将发生变形，当形的值超过规定范围时，就会影响各零件之间的可靠性以及工作能力，尤其会对活塞工作的可靠性以及耐磨性产生极大的影响，导致汽缸工作的失效。因此，汽缸缸体的材料必须要满足以下要求：1）具有足够的强度和刚度，尤其是刚度必须符合工作要求，才能保证其工作的稳定性，避免出现因变形而造成的失效；2）具有良好的切削性和铸造性；3）具有良好的再利用性；4）成本低廉。汽车汽缸的材料主要包括灰铸铁和铝合金两种。铝合金材料具有重量轻、导热性好等特点，但是其刚度与强度较灰铸铁更差，而且成本也更高。因此，在汽缸的制作中一般选用灰铸铁作为缸体的主要材料。
4.2 汽车汽缸失效模式
汽车汽缸的失效模式主要包括缸壁磨损导致的失效以及材料疲劳导致的失效两种。
1）缸壁磨损。汽车汽缸的缸体在运行过程中会承受活塞的高速运动以及瞬间冲击所带来的负荷，经过一段时间的运行，就会造成活塞环行程内的缸壁产生不均匀的磨损。同时，汽缸壁的磨损还伴有高温、高压以及腐蚀性物质的作用，汽缸在长期运行的过程中，因为受到磨损，汽缸的形状会受到影响，呈现出中间大、两头小的状态，影响汽缸的正常工作。
2）材料疲劳。从汽车汽缸的运行情况来看，如果其一直处于一个静止的环境下平稳运行，那么它所受到的交变载荷幅值较小，通常在材料达到极限疲劳之前，不会对缸体材料造成较大的损伤。但是如果汽车在公路上行驶时，由于路面的颠簸或者突然间的制动会对缸体附加随机大小的载荷，在这种情况下，就有可能对缸体材料造成损伤，这种损伤经过一段时间的积累就会使缸体材料疲劳，最终导致失效。
本文主要针对的是缸壁磨损失效汽缸的电刷镀再制造。
5、 汽车汽缸再制造电刷镀技术
汽车发动机汽缸的主轴承座孔通常会因为缺油或者不清洁而造成烧瓦而被拉伤，部分损伤会很严重。这时就需要对汽缸进行修复，以恢复汽缸的正常使用功能。汽缸的修复办法有很多，比如堆焊工艺修复，但是该修复方法不但容易造成汽缸发生变形，而且还容易使汽缸壁产生裂纹，如果更换新的汽缸，价格昂贵。因此，需要一种既能修复汽缸，而又不会对汽缸造成破坏的技术。通过电刷镀工艺修复汽缸，可有效的解决上述问题，而且修复成本较低；同时，汽缸的修复可以在常温下进行，较为方便。
汽车汽缸的主轴承座孔损毁是其中最为常见的问题，在对其进行修复时，应该根据其损坏程度的不同而采用不同的修理方法。当其损坏程度较低，磨损量在0.4 mm以内时，通常采用电刷镀的方法对其进行修复。以未磨损的承孔作为基准，将损坏的承孔修圆，然后对其进行电刷镀，这样可以达到非常好的修复效果。
5.1 镀前处理
用汽油彻底清洁缸体，并用钢丝刷将施镀部位及其附近的积炭刷净;用砂布打磨施镀面;再用绝缘漆覆盖轴承座孔面，以防承孔边缘被镀上而难于修磨;最后用丙酮反复擦拭刷镀面。
5.2 刷镀工艺流程
通常的刷镀工艺流程如下：表面准备工作→电净处理→清洗→活化→清洗→刷镀底层→清洗→刷镀工作层→清洗→后期处理。
在进行刷镀前，应进行以下准备工作：首先，要准备好刷镀需要用到的电净液、活化液及刷镀液，并将刷镀液加热到50℃；其次，准备几支刷镀笔进行交替使用，防止刷镀过程中，镀笔表面温度过高，对镀笔阳极产生破坏，影响镀层质量，另外还要检测镀笔质量是否可靠，阳极包裹物状态等；然后，对活塞式压缩机气缸表面的毛刺、修饰层等进行彻底清理，以获得零件正确的几何形状，保证修补工作能够到位。
气缸的材料通常采用灰口铸铁，其具体刷镀工艺：电镀电压为12 V；工作温度为85～90℃；刷笔运动速度为12~15 m/min；镀层厚度为0.2 mm；镍镀液配方——硫酸镍240~260 g/L，柠檬酸铵40~60 g/L，醋酸铵20~30 g/L，草酸铵0.1~0.2 g/L，氨水（25%）105 g/L，pH值7.5~7.8。在电刷镀液中，主要由其中的硫酸镍提供离子，亚磷酸为镀层提供了足量的磷，磷酸主要用于调节镀液的pH值。pH值在一定的条件下，磷酸用量对刷镀层中磷含量影响很小;稀土添加剂能降低镀层脆性，减少刷镀层的孔隙率，增加刷镀层光亮度;稳定剂含硫化合物用于提高刷镀层的化学稳定性，以便于储存和运输。
5.3 镀后加工
在电刷镀后要对汽缸的第1、2主轴承承孔进行镗削。一般0.10 mm的镗削量可以分为2~3次完成，切削深度一般为0.015~0.02 mm。
6 、结语
汽缸在发生问题时，通常是由汽缸壁磨损和材料疲劳导致失效。为了提高汽缸的在利用率，对损伤不是特别严重的汽缸，可以进行修复。通常情况下，利用电刷镀技术对汽缸进行修复能够使汽缸恢复到正常的适用状态，电刷镀技术工艺灵活、适用范围广，可实现各种装备机械零件的不解体现场修理或野外抢修。
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