纳米碳化硅化学沉积技术在汽车零部件表面上的应用

摘要：纳米碳化硅与金属合金在汽车零部件表面进行化学沉积，实现对其表面的改性，达到耐磨、延长疲劳寿命、提高承受冲击载荷性能和防腐蚀性能的目的。

关键词：纳米碳化硅、汽车零部件、化学沉积、表面承受载荷能力、延长疲劳寿命、低成本、防腐性。

一、 引 言

 磨损、腐蚀是金属材料损耗的重要原因，全世界每年有近四分之一的材料损耗在磨损和腐蚀之中。因此，如何提高金属材料的耐磨、减磨及抗腐蚀性能，一直以来是材料科学界所关注的一个重要研究课题。

    汽车零部件绝大部分采用钢铁材料，其特点是加工性好、可塑性好，强度高，成本相对较低；但是，耐磨损性、耐腐蚀性总是不尽人意。虽然现有工艺可以解决部分缺陷，如热处理、化学热处理、镀覆表面处理等，仍无法满足高耐磨、耐腐的高要求，从而制约了产品性能的提高和使用寿命的延长，也造成了资源的浪费。

二、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上沉积技术的应用范围

2.1 提高零部件表面的耐磨性：

      由于纳米SiC陶瓷颗粒均匀地弥散分布在镀层合金的晶胞中，形成了金属合金陶瓷镀层，因此镀层中就有无数个硬点，使得镀层的耐磨性显著提高。

2.2 零部件表面沉积镀层后摩擦系数的变化：

 由于纳米SiC陶瓷颗粒在合金晶胞中的弥散分布，使得晶胞表面的粗糙度增大，因此镀层的摩擦系数显著提高。一对摩擦副双摩擦面都沉积SiC，摩擦系数可增大100-150%，这种应用比较少；双摩擦面只沉积单面，摩擦系数可增大10-20%，这种应用比较多，例如：汽车变速器同步器齿环。如果需要降低摩擦系数，可将纳米SiC改变为纳米石墨，双面沉积摩擦系数可降低25-35%，单面沉积摩擦系数可降低10-15%。如果镀层要求既要耐磨又要低摩擦系数，可以沉积纳米SiC和纳米石墨的复合材料。

2.3 提高零部件表面的高温耐磨性和承受载荷能力：

   复合沉积镀层中纳米不溶性固体颗粒多为陶瓷材料，陶瓷具有优异的耐高温性能，因此当零件表面温度升高时，纳米陶瓷相能保持优良的高温稳定性，对沉积层整体起到支撑作用，有效地提高了零件的高温耐磨性和承受载荷能力。

2.4 提高零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命：

   由于纳米复合沉积镀层中有无数个纳米不溶性固体颗粒，当镀层疲劳时，晶体将滑移变形，这些陶瓷颗粒相当于在晶体滑移线上的“限制桩”，有效地阻止了晶格的滑移，因此提高了零部件表面的抗疲劳性能和使用寿命。

2.5 改善有色金属的使用性能：

 有色金属导电、导热、减磨、防腐性优异黑色金属，但是硬度、强度差，造成使用寿命短。在其表面根据不同的用途，沉积相应的纳米复合材料，即可提高硬度、强度和使用寿命。

三、纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术

3.1 将直径30 ～ 50纳米的碳化硅粉末乳化分散为固含量34%的纳米SiC乳液，加入化学合金镀液中，温度在80～85℃，pH值为4.6 ～4.8，每60分钟可以在齿环零部件表面沉积10微米厚度的纳米硅与金属合金的复合沉积层。

3.2 沉积工艺流程：脱脂 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 敏化 → 水洗 → 退膜 → 水洗 → 活化 → 水洗 → 去离子水洗 → 去离子水洗 → 化学沉积→ 去离子水洗 → 去离子水洗 →热去离子水洗→回火 

四、工艺流程说明

4.1 脱脂：脱脂剂为本公司生产的WX-1048高效快速脱脂粉;配比 1﹕20；温度60 ～70 ℃；时间 10 ～15分钟。

4.2 水洗：流动自来水漂洗。

4.3 活化： WX-938钢铁快速去油去锈活化剂;配比 1﹕1加水稀释;常温使用;时间 5 ～8分钟。

4.4 敏化： WX-1038G敏化剂；配比 1﹕1加水；温度30 ～35 ℃；时间 5 ～8分钟。

4.5 退膜： WX-1038E退膜剂；配比 1﹕2加水；温度85 ～95 ℃；时间 5 ～8分钟。

4.6 沉积镀液：

4.6.1 化学镀多元合金镀液；配比 A﹕B﹕水=1﹕1﹕7，C为补加液；水为去离子水。

4.6.2 纳米SiC乳液； WX-818-4，每升工作镀液加10.3克，用氨水或柠檬酸调PH值到4.6 ～4.8，温度80 ～85 ℃，每68分钟沉积厚度10微米。

4.6.3 工作镀液的控制：镀液的最佳工作状态在N1=8.2 ～9.6，N2=38 ～45，当N1﹤8.2时补加A液，补加量为Va=1.782%×（9.6-N1）×V；当N2﹤38时补加C液，补加量为Vc=0.208%×（45-N2）×V；V为工作液的总容积，N1、N2为实际测定值。

4.6.4 N1、N2值的测定方法：

4.6.5 将工作液搅拌均匀后，取5毫升置入300毫升锥形瓶中,滴入2mlHCL，再滴入30%的双氧水2ml摇匀，并煮至近干，加入100ml蒸馏水，再加入2ml三乙醇铵，再加入12ml氨水，再倒入少许紫尿酸铵，用0.05N EDTA二钠滴定至紫色为终点，此时所消耗0.05N EDTA二钠的毫升数即为N1的点数。

4.6.6 再取10毫升工作液置入100毫升容量瓶中，加纯水稀释至标准刻度摇匀，再吸取此液10毫升置于300毫升锥形瓶中,加入0.02mol硫酸高铁铵溶液40毫升、纯水50毫升、1mol盐酸10毫升，煮沸10分钟后再补加1mol盐酸10毫升，流水冷却，加亚铁灵2滴，用0.01mol硫酸铈标准溶液滴定至无色为终点。此时所消耗0.01mol硫酸铈标准液的毫升数即为N2的点数。

4.6.7 工作液中纳米SiC乳液浓度的控制：用手持式折射仪测试工作液，N=6 ～6.5，当N＜6时，补加纳米碳化硅乳液，当N＞6时，补加水份。

4.6.8 回火：目的是去镀层应力。

4.6.9 设备：井式气氛?；せ鼗鹇?。

4.6.10 温度：150-160℃。

4.6.11 时间：15小时。

4.6.12 气氛?；ぃ焊叽康?。

五、纳米碳化硅与多元合金镀层厚度、硬度与附着力测试

5.1 镀层厚度：将镀好的零件或试样，切割镶嵌抛光后，再用硝酸乙醇腐蚀，放在600倍金相测厚仪下测量，所得厚度如下表：

  由上述表可以看出，204分钟以后再延长施镀时间，沉积速度变慢。

5.2 镀层硬度：将厚度为20微米左右的试样，用100克的载荷直接打在镀层上，所得HV硬度值为524。

5.3 镀层附着力测试：用1000克载荷直接打在镀层与金属基体界相 上，观察镀层与基体不剥离为合格。

5.4 镀层厚度、硬度、附着力测试金相 。

       厚度：20.19um                   硬度：HV=524

 用1000克载荷直接打在镀层上的结合相

六、纳米碳化硅与金属合金复合沉积晶胞组织结构

  在复合沉积的过程中，纳米碳化硅与金属合金共同形成晶胞，由晶胞构成镀层,晶胞内部组织结构在原子力显微镜下观察，纳米碳化硅与多元合金复合体如下图。

七、摩擦磨损对比实验

 7.1 试验标准：GBT12444.1-90 金属磨损试验方法:MM型磨损试验。

 7.2 实验试样：试样标准外经尺寸为40mm其余按GB12444.1-90标准4.3.1执行。材料为45号钢，热处理工艺为高频淬火，硬度（HRC）45度。

 7.3 试样分组：

 A组为标准试样，B组为标准试样表面再沉积一层10微米厚度的纳米碳化硅与合金的复合层。

 7.4 试验设备：

 济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMS-2A数字式摩擦磨损实验机。

7.5 摩擦方式：

 干摩擦（将试验的所有试样，泡在无水乙醇中30分钟后，取出晾干。）、滚动和滑动复合摩擦。1轴转速为200转/分钟，2轴转速为160转/分钟，均为主动轴。如图： 

7.6 摩擦系数、时间、试验力曲线

                                                               A组曲线图                                                                                                          B组曲线图

7.7 曲线分析：

7.7.1 摩擦系数：由于A组试验力超过300N时，试样表面已失效，因此试验力大于400N的曲线不做分析。

 由上述表格可以得出结论：B组比 A组摩擦系数增大92.25%-156.16%，平均增大118.36%。

7.7.2 表面疲劳寿命：由曲线图和记录数据可以看出：A组在1770秒失效；B组在3010秒失效。因此B组比A组表面疲劳寿命延长70%。

7.7.3 表面承受载荷能力：由曲线图和记录数据看出：A组在1770时表面承受载荷为295N；B组在3010秒时表面承受载荷为593N。因此B组比A组表面承受载荷能力增加101%。

八、应用实例

8.1 在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器同步器齿环上的应用

8.1.1.1 应用目的：增大摩擦系数、缩短同步时间、减小换档力、延长使用寿命。

8.1.1.2 沉积工艺：将材料为MB2的同步器齿环，按上述第二条（纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术）进行表面沉积。

8.1.1.3 施镀时间：120分钟。

8.1.1.4 镀层厚度：16-20um。

8.1.1.5 镀前镀后外观比较照片：

8.1.2.1 同步器换档性能寿命比较台架试验

8.1.2.2 试验设备：同步器换档性能与寿命试验机。

8.1.2.3 试验档位：一/二档。

8.1.2.4 试验分组：A组：未镀一/二档齿环；B组：喷鉬一/二档齿环；C组：Sic沉积一/二档齿组环；D组：Sic沉积一/二档齿环。

8.1.3.1 试验结果： 

8.1.3.2  A组

8.1.3.3 B组：

8.1.3.4 C组：由于内、外环及中间环均镀Sic，摩擦系数过大，使得同步器齿环抱死，试验中断。

8.1.3.5 D组：

8.1.3.6 曲线与数据分析对比：

8.1.3.7试验总结：

由此可见，沉积纳米SiC的同步器齿环，使用性能完全超越未处理的铜抷齿环和喷鉬齿环。

8.2 在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器差速器行星齿轮轴表面上的应用:

8.2.1行星齿轮轴：材料：16MnCr5；热处理工艺：渗碳淬火，渗碳层厚度0.6-1.0mm，硬度HV680。

8.2.2 沉积应用目的：提高承受载荷能力、耐磨性、防咬死。

8.2.3 沉积工艺：将行星齿轮轴，按上述第二条（纳米碳化硅与金属合金在零件表面上的沉积技术）进行表面沉积。

8.2.4 沉积时间：135分钟。

8.2.5 沉积厚度：20um

8.2.6 试验前后外观比较照片：

沉积后试验前照片

沉积后试验后照片

8.2.7 差速器性能与耐久试验：

8.2.7.1 试验设备：变速器总成综合试验台。

8.2.7.2 试验对象：某变速器行星齿轮轴。

8.2.7.3 试验方法：按雪地模式极限工况：挂入五档，锁死一端半轴，调整输入转速，使另一端半轴转速1000转，并加载荷50NM，运行40分钟后，要求无异常。

8.2.7.4 试验分组：A组表面进行磷酸锰处理；B组表面进行Sic沉积处理。

8.2.7.5 试验结果：A组试验中途断裂未通过，B组通过。

九、防腐性能测试

9.1 实验方法：中性盐雾试验

9.2实验标准：ASTM B-117

9.3试样样品：同步器齿环，行星齿轮轴。

9.4 试样分组：A组：表面未做任何处理；B组：表面沉积20um厚度的纳米SiC复合层。

9.5 实验布骤：将A，B两组同时放入无水乙醇中30分钟，取出凉干后，进入盐雾试验箱，以出现锈斑时间（7级）为标准。

9.6 测试结果：

       B组的防腐性能提高207.85-271%                        

十、成本分析

以同步器环为例分析：

由此可见，按使用寿命平均价格计算：A组是D组的5倍；B组是D组的1.88倍；A组是B组的2.65倍。表面沉积SiC使用成本为最低。D组方案如果采用钢环为基体,零件购入价格可降低为7元,总价格降低为12.80元,其绝对价格也低于A组。

十一、结束语

运用纳米SiC与金属合金的化学沉积对同步器齿环、行星齿轮轴进行表面改性，完全可以降低换档力、同步时间，极大地提高了零部件的使用寿命、承受载荷性能和防腐蚀性能，并且降低了使用成本，本工艺已经在国产某自主知识产权中高档轿车SH78Z手动变速器汽车变速器上得到应用。但还有更多的工作和试验要做，开拓更广扩的应用领域。

总之，提高国产汽车零部件的品质，是一项长期的工作，还需要我们大家的共同努力。