纳米碳化硅化学沉积技术在 汽车零部件表面上的应用
上海路丰助剂有限公司:王峰 上海汽车工业(集团)公司：方伟荣
发明人：王峰
发明专利申请授理号：200610117075.3
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
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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：
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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。
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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
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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：井式气氛保护回火炉。 4.6.10 温度：150-160℃。 4.6.11 时间：15小时。 4.6.12 气氛保护：高纯氮气。
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： 时间（分钟） 厚度（微米） 68 10 136 20 204 30 272 36 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。
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