开题报告电刷镀Ni-ZrO2纳米复合镀层及其摩损腐蚀性能研究.doc

毕业设计（论文）开题报告

题 目：电刷镀Ni-ZrO2纳米复合镀层及其摩损腐蚀性能研究
学 院： 机电工程学院 系： 机械工程系
专业班级： 机制116班
学生姓名：
学 号：
指导教师： 李小兵 职称： 副教授
指导教师所在单位： 机电工程学院现代设计研究所

2015年 3月 20日

目 录

一、课题来源及国内外研究现状 3
1、课题来源 3
2、国内外研究现状 3
二、本课题研究的主要内容及拟解决的关键问题 6
1、课题主演研究内容 6
1.1、电刷镀的基本原理 6
1.2、电刷镀工艺 6
1.3、纳米电刷镀纳米复合镀层的性能测试与分散效果分析 9
2、拟解决的关键问题 9
三、解决方案、工艺流程及预期效果 10
1、解决方案 10
2、纳米颗粒复合电刷镀层的性能研究 10
3、预期效果 10
四、 课题进度安排 11
五、参考文献 12一、课题来源与国内外研究现状
1、课题来源
再制造就是让旧的机器设备重新焕发生命活力的过程。它以旧的机器设备为毛坯，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的产品无论是性能还是质量都不亚于原先的新品。
再制造可使废旧资源中蕴含的价值得到最大限度的开发和利用，缓解资源短缺与资源浪费的矛盾，减少大量的失效、报废产品对环境的危害，是废旧机电产品资源化的最佳形式和首选途径，是节约资源的重要手段。近年来，中国造船在世界上的市场份额迅速提高，连续多年列世界第二大造船国。随着造船行业规模不断壮大，一些造船的所需原料和配件、专用设备等主要依靠进口，在一定程度上加大了造船业的成本，而船舶的设备系统经过长时间的使用，达到了一定的使用寿命。面对这一情况，选择该课题作文研究对象，加快再制造业的发展。
2、国内外研究现状
再制造在欧美发达国家已形成了巨大的产业。2005年全球再制造业产值已超过1000亿美元，美国的再制造产业规模最大，达到750亿美元，其中汽车和工程机械再制造占2 /3以上，约500亿美元。
美军高度重视再制造。隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年后国防制造工业委员会”制订了2010年国防工业制造技术的框架， 将武器系统的再制造列为国防工业的重要研究领域。美军也是再制造的最大受益者。美空军B-52战略轰炸机，1962年生产，1980、1996年两次再制造，到1997年时平均自然寿命还有13000飞行小时，可服役到2030年；2005年，美空军完成了269 架阿帕奇直升机的再制造，2015年前还将完成750架的再制造。再制造后的阿帕奇直升机成为美军现役武装直升机中战斗力最强的一种机型 。
近年来，日本加强了对工程机械的再制造，至2008年，再制造的工程机械中，58%由日本国内用户使用，34%出口到国外，其余的8%拆解后作为配件出售。至2004年，德国大众汽车公司已再制造汽车发动机748万台，变速器240万台，公司销售的再制造发动机及其配件和新机的比例达到9：1。
欧美国家的再制造，在再制造设计方面，主要结合具体产品，针对再制造过程中的重要设计要素如拆卸性能、零件的材料种类、设计结构与紧固方式等进行研究；在再制造加工方面，对于机械产品，主要通过换件修理法(将失效件更换为新件以完成再制造的方法)和尺寸修理法(将失配的零部件表面尺寸加工修复到可以配合的范围，如缸套-活塞环磨损失效后，通过镗缸的方法恢复缸套的尺寸精度，再配以大尺寸的活塞环以完成再制造的方法)来恢复零部件的尺寸，如英国ListerPetter再制造公司，他们每年为英、美军方再制造3000多台废旧发动机，再制造时，对于磨损超差的缸套、凸轮轴等关键零件都予以更换新件，并不修复。对于电子产品，再制造的内涵就是对仍具有使用价值的零部件予以直接的再利用。如德国柏林工业大学对平板显示器的再制造就是先将液晶显示器LCD、印刷线路板PCB、冷阴极荧光灯CCFL等关键零部件进行拆解，经检测合格后进行再利用；德国ReMobile公司对移动电话的再制造也是先拆解、再检测最后再利用；此外还有对数码相机(日本柯达公司)、打印机墨盒(美国施乐公司)、品牌电脑(美国HP公司)等的再制造也都是以再利用为主。
我国再制造产业发展虽晚，但势头非常好，目前已成为世界上重要的再制造中心之一，而且在基础理论研究与技术应用开发方面走在了世界前列。1999年6月，徐滨士在中国西安召开的“先进制造技术国际会议”上作了《表面工程与再制造技术》的特邀报告，在中国率先提出“再制造”的概念。
国内许多单位，如装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室、上海交通大学、合肥工业大学、山东大学、中科院兰州化物所等，深入开展了再制造的基础研究。在理论基础方面，完善了涂层残余应力的计算方法，探索并初步建立了寿命预测评估模型。如:研究并初步提出了再制造零部件涂层中残余应力的计算方法；以废旧柴油机曲轴为对象，研究了线性动力学分析模型，探讨了废旧零部件疲劳试验数据与模型分析数据的映射关系，初步建立了剩余寿命预测模型；基于金属磁记忆原理和疲劳寿命评定准则，初步提出了废旧零部件的剩余寿命评估和再制造零部件服役寿命预测的方法。在技术基础方面，发展、创新了多项再制造关键技术，并深入研究了相关的基础理论。如：研究了高温条件下Fe-Al金属间化合物的形成机理，首次将高速电弧喷涂技术与粉芯丝材相结合的方法应用于再制造零部件的表面修复，实现了Fe-Al(基)金属间化合物的制备与涂层成形一体化技术；发明了一种“双通道、双温区”的超音速等离子喷涂新工艺， 解决了涂层熔滴的过熔、夹生及烧损问题；利用具有自主知识产权的高能机械化学法，解决了纳米颗粒在多离子溶液体系中的均匀分散与悬浮稳定的难题，实现了纳米电刷镀过程中非导电的纳米颗粒与导电的基质金属镍的高效共沉积。

二、本课题研究主要内容与拟解决的关键问题
1、课题主要研究内容
1.1、电刷镀的甚本原理
电刷镀是依靠一个与阳极接触的垫或刷,并提供电镀需要的电解液,电镀时,垫或刷在被镀的阴极上移动的一种电镀方法。
电刷镀使用专门研制的系列刷镀溶液,各种形式的镀笔和阳极,以及专用的直流电源,电刷镀工作原理如图1所示。工作时,工件接电源的负极,镀笔接电源的正极. 靠包裹着的浸满镀液的阳极在工件表面擦拭。镀液中的金属阳离子在直流电场的作用下向阴极表面迁移,并获得电子还原为金属原子,形成结晶而沉积成刷镀层。纳米电刷镀技术是我国学者将传统电刷镀技术与纳米材料技术相结合的创新性研究成果。在电刷镀液中添加特种纳米陶瓷颗粒或纳米纤维，并使其与基质镀液均匀、弥散混合，可制备出高性能的纳米复合镀层。
1.2、电刷镀工艺
工序号
操作内容
主要设备及材料
1
镍前准备
机床、砂轮、砂纸等
2
零件表面电化学除油（电净）
电源、镀笔、电净液
3
水冲洗工件表面
清水
4
保护非镍表面
绝缘胶带、塑料布
5
零件表面电解刻蚀（活化）
电源、镀笔、电净液
6
水冲洗
清洗
7
镀底层
电源、镀笔、打底层溶液
8
水冲洗
清水
9
镀尺寸层
电源、镀笔、镀尺寸层溶液
10
水冲洗
清水
11
镀工作层
电源、镀笔、镀工作层溶液
12
温水冲洗
温水（50℃左右）
13
镀后处理
油石、抛光轮、纱布、防锈油
1.2.1、选择碳钢作为基体材料，研究针对不同基体材料的电刷镀工艺。
1.2.2、 待镀工件表面机械预处理
（1）、待镀工件表面预加工。通过砂纸、砂轮或其他机加工手段去除待镀工件表面的毛刺、不平度、锥度、疲劳层及锈蚀层，使其达到基本光整，表面粗糙度满足Ra<2.5mm。对深的划伤和腐蚀斑坑要用锉刀、磨条、油石等工具修整，对锈蚀严重的部位，也可用喷砂、砂布或电砂轮打磨，使其露出基体金属。
（2）待镀工件表面除油污。用汽油、丙酮或水基清洗剂待镀工件表面的油污。
1.2．3、 待镀工件表面化学预处理
（1）电净处理。对金属工件表面进行电净处理的目的，是进一步除去其表面微观上的油污。对易氢脆的超高强度钢件，或有色金属进行电净处理时，工件接阳极，电净时阳极表面溶解（电解）；其他钢铁等材料进行电净处理时，工件接阴极，电净时阴极上产生氢气泡使表面的油污去除脱落。一般电压用8V～12V，阴、阳极相对运动速度为（9～18）m/min，即（0.15～0.3）m/s，时间约为1min。不同基体材料的电净工艺参数见表1。电净结束的标志是被镀表面水冲后水膜连续。
（2）活化处理。活化处理的目的是除去工件表面的氧化膜、钝化膜或析出的碳元素微粒黑膜。活化液按作用强弱，有1 号、2 号、3 号之分，电压6～15 V。1号液工件可接阳极或阴极，2 号、3 号液工件接阳极，速度同上，约30 s。活化良好的标志是低碳钢工件表面呈现均匀银灰色，无花斑。中、高碳钢碳呈深灰色，铸铁表面呈深黑色。活化后用水冲洗。不同的基体材料，其活化工艺规范见表2。
1.2.4、对修复工件预镀底层
对修复工件预镀底层的目的，是提高镀层与基体金属的结合强度。工件表面经电净化、活化处理后，需要先用碱铜、特殊镍或低氢脆镉镀液预镀一薄底层，厚度约为0.01～0.02 mm。表3 为常见刷镀层的最大厚度。
（1）特殊镍作底层。适用于不锈钢、铬、镍材料和高熔点金属，它与基体金属在优良的结合强度，酸性活化后，可以不经水清洗立即镀特殊镍，电压6～20V，阴、阳极相对运动速度为（0.1～0.2）m/s。
（2）碱铜作底层。选用于难镀的金属如铝、锌或铸铁等。电压为5～20 V，阴、阳极相对运动速度（0.2～0.4）m/s。
（3）低氢脆性镉作底层。适用于对氢特别敏感的超高强度钢，经阳极电净活化后用此低氢脆镉作底层，既可提高镀层与基体的结合强度，又可避免渗氢变脆的危险。电压6～10 V，相对于运动速度为（0.1～0.5）m/s。
（4）镀尺寸镀层。如果待镀工件的磨损量较大，镀层厚度将相应增加。但是，由于单一金属的镀层随厚度增加，其内应力也将增大，导致镀层晶粒变粗，强度降底，过厚时则会出现裂纹或自然脱落。一般地，为保证镀层安全可靠，单一镀层不能超过0.03～0.05 mm；快速镍和高速铜不能超过0.3～0.5 mm。因此，当待镀工件的磨损量较大时，则需先刷镀尺寸镀层来增加尺寸，甚至用不同镀层交替叠加，直至其尺寸满足镀工作层的基本要求。当镀层因为厚而使结晶粗化时，可先用砂纸打磨，然后用1 号或2 号活化液反接（工件接阳极）处
理5～10 s，最后再镀特殊镍和工作镀层。
1.2．5、 镀工作镀层
经过前面的各项处理以及镀完尺寸镀层之后，就可以开始最后一道工序即镀满足工件表面要求的工作层了。工作电压一般在6～15 V 之间，相对运动速度为（0.1～0.3）m/s， 沉积镀覆量为（1～10）μm/min。
1.2．6、 镀后清洗检验
工件镀好之后，要用自来水进行彻底冲刷和清洗，而后在太阳下晒干或用压缩空气等吹干，并进行有关的检验。最后涂上防锈油等防锈。
1.3、纳米电刷镀纳米复合镀层的性能测试与分散效果分析。
测试与分析纳米复合镀层表面微观形貌、粗糙度、耐腐蚀性能、机械性能等，分析不同分散方法的效果。
2、拟解决的关键问题
（1）电刷镀工艺参数的选择
选择合适的电压范围、保持镀笔与工件最佳相对运动速度、控制合理的涂镀温度、保证工件表面清洁湿润、保持镀液清洁纯净等。
（2）电刷镀纳米颗粒的选择与配方

三、解决方案及预期效果
1、解决方案
建立不同刷镀速度、不同刷镀电压、不同涂镀温度与快N i镀层的硬度， 晶粒度， 晶格畸变， 位错密度和耐磨性能的关系曲线， 8 种镀液的镀前预处理和刷镀工艺的金相显微图谱。据此可以按不同要求优化选择电刷镀工艺， 制定最合适的工艺流程。
2、纳米颗粒复合电刷镀层的性能研究
（1）、利用表面活性剂，分散剂使得纳米颗粒在电镀液中分散，并利用了磁力搅拌使镀液的各成分分散均匀，制出高度分散，长效稳定的复合电刷镀液。
（2）、采用纳米颗粒制备出纳米复合镀层。
（3）、采用扫描电镜、X射线衍射仪、等分析电刷镀层的表面形貌、微观组织结构、内应力、镀层厚度；采用裂纹检测仪检测镀层裂纹；采用硬度计、划痕仪、摩擦磨损试验机、电化学分析等测试镀层的硬度、结合强度、摩擦磨损性能、耐蚀性等。
（4）、研究纳米颗粒的成分、含量等对镀层结构和性能的影响。
3、预期效果
通过所学的知识和大量的试验数据，总结出最合适的工艺参数，使得镀层的检测结果符合工程应用要求。

四、课题进度安排

序号
各阶段工作内容
起讫日期
实施地点
1
实习
2015.3.2—3.8（第1周）
南昌市
2
英文翻译和文献阅读
2015.3.9—3.15（第2周）
机电楼
3
开题报告
2015.3.16—3.22（第3周）
机电楼
4
试验药品采购
2015.3.23—4.5（第4-5周）
机电楼
5
电刷镀制备复合镀层
2015.4.6—4.19（第6-7周）
机电楼
6
电镜、衍射试验
2015.4.20—5.3（第8-9周）
机电楼
7
摩擦腐蚀试验
2015.5.4—5.17（第10-11周）
机电楼
8
试验数据的总结与表达
2015.5.18—5.24（第12周）
机电楼
9
论文撰写
2015.5.25—5.31（第13周）
机电楼
10
论文答辩
2015.6.1—6.7（第14周）
机电楼

五、参考文献
【1】徐匡迪. 工程师-从物质财富的创造者到可持续发展的实践者[J]. 中国表面工程, 2004, 17(6): 1-6.
【2】徐滨士, 朱胜, 马世宁, 等. 装备再制造工程学科的建设与发展[J]. 中国表面工程, 2003, 16 (3): 1-6.
【3】徐滨士, 刘世参, 王海斗. 大力发展再制造产业[J].求是, 2005, (12): 46-47.
【4】徐滨士. 工程机械再制造及其关键技术[J].工程机械, 2009, 40(8): 1-6.
【5】谭俊，陈建敏，刘敏等. 面向绿色制造与再制造的表面工程[J]. 机械工程学报，2011，47（20）：95-103.
【6】胡振峰，董世运，徐滨士等. 面向装备再制造的纳米复合电刷镀技术的新发展[J]. 中国表面工程，2010，23（1）：87-91.
【7】林文松，钱士强，徐曼曼. Nano-WC/PTFE-Ni复合电刷镀层的磨损性能研究[J]. 摩擦学学报，2007，27（5）：442-446.
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