牙盘表面工程设计

自行车牙盘电镀镍自行车牙盘电镀镍 铬层工艺设计铬层工艺设计 目录目录 1 零件 零件 2 2 服役条件 服役条件 3 3 性能要求 性能要求 3 4 材料选择 材料选择 3 5 工艺选择 工艺选择 4 6 技术要求 技术要求 5 7 工艺流程 工艺流程 5 8 工艺分析 工艺分析 6 9 工艺配方及参数 工艺配方及参数 9 10 镀层检测 镀层检测 11 11 工艺卡片 工艺卡片 12 12 车间平面图 车间平面图 13 2 1 零件 零件 自行车牙盘自行车牙盘 图一 零件实体图 图二 零件草图 3 2 服役条件 服役条件 2 1服役环境 牙盘通常在较大载荷 较高磨损条件下工作 由于需要润滑 会 在一定的油污条件下 2 2 用途 自行车中 和曲柄相连的部分 运动员通过蹬踏带动曲柄 进而带动 牙盘的转动 最终通过链条和飞轮 驱动后轮转动 提供动力 完成自行车的 整个传动链 3 性能要求 性能要求 3 1 耐腐蚀 在牙盘运作时 与链条间需要润滑 使用机械润滑油 使牙盘腐蚀 加剧 要求牙盘耐油污腐蚀 且大气环境中不易生锈的特点 3 2 耐磨性 在自行车整体传动过程中 由于牙盘与链条产生较为剧烈的摩擦 要求牙盘具有较高的耐磨性 3 3 高强度硬度 在传动过程中存在与其他传动部分的机械传动 牙盘应具备一 定的强度硬度而不至于变形 3 4 轻质 如今自行车追求整车轻量化 而作为主要部件牙盘也应尽可能轻量化 3 5 价格适中 牙盘属于自行车可更换零件 应控制价格 不宜过高 降低使用 成本 4 材料选择 材料选择 就目前市场上来说 制造自行车牙盘通常采用以下两种材料 1 铝合金 追求轻量化的自行车普遍采用铝合金材料制成的牙盘 其材料 是一般所谓超硬铝 航空铝 金属牌号为 7075 是一种广泛应用在航 空航天领域的铝合金材料 2 钢材 优质碳素结构钢是比较普通并广泛使用的一种材料 优质碳素结 构钢是相对于普通碳素结构钢而言的 普通的轴 螺钉等零件一般都 由其制成 自行车牙盘和飞轮一般就使用优质碳素结构钢或更好的合 金钢 4 一般来说 铝的密度大约是钢的三分之一 所以追求轻量的自行车都普遍 采用铝合金材料代替较重的钢材 但铝合金的价格比钢材要高很多 且就材料 硬度来看却远远不及钢材料 而硬度决定了材料的耐磨性 也就是抗磨损的性 能 这也是直接影响到自行车寿命的重要性能 一般超硬铝 经热处理后 的硬度会达到布氏硬度 HBS 150 以上 优质 碳素结构钢经淬火后的硬度会达到洛氏硬度 HRC 50 60 左右 两种硬度是通 过不同方法测量得到的数值 一般较软的材料使用布氏硬度 较硬的材料使用 洛氏硬度 二者之间相差大约 10 倍 两种材料经过硬度换算后布氏硬度 150 只 在洛氏硬度 20 以下 布氏硬度 228 对应的布氏硬度为 20 3 由于硬度太低 没有准确数值与洛氏硬度对应 从比较中就可发现作为铝合金材料中硬度最高 的超硬铝其硬度远远低于优质碳素结构钢 而优质碳素结构钢只是一般的钢材 料 合金钢所能达到的硬度还会更高 超硬铝所达到的硬度只是普通铸铁的水 平 所以 价格昂贵的超硬铝就耐磨性来讲 远远不如钢材料 这就导致了 追求轻量化的自行车其铝合金牙盘会较容易磨损 并经常更换 为符合本设计 性能要求 选择自行车制造中经常使用的铬钼钢 5 工艺选择 工艺选择 目前表面处理的方法有许多 主要有化学镀 电镀 热喷涂等 分别具有 以下特点 1 化学镀 1 表面硬度高 耐磨性能好 其表面硬度可在 Hv0 1 550 1100kg mm2 相当于 HRC 55 72 的范围内任意控制选择 处理后的机械部件 耐 磨性能好 使用寿命长 一般可提高 3 4 倍 有的可达 8 倍以上 2 硬化层的厚度极其均匀 处理部件不受形状限制 不变形 特别适用于 形状复杂 深盲孔及精度要求高的细小及大型部件的表面强化处理 3 具有优良的抗腐蚀性能 它在许多酸 碱 盐 氨和海水中具有很好 的耐蚀性 其耐蚀性比不锈钢要优越得多 5 4 处理后的部件 表面光洁度高 表面光亮 不需重新机械加工和抛光 即可直接装机使用 5 镀层与基体的结合力高 不易剥落 其结合力比电镀硬铬和离子镀要高 6 可处理的基体材料广泛 可处理材料有各种模具合金钢 不锈钢 铜 铝 锌 钛 塑料 尼龙 玻璃 橡胶 粉末 木头等 2 电镀 1 金属镀层结晶细致 化学纯度高 指单金属 结合力好 2 镀层美观 装饰性好 3 镀层对基体材料保护性能 耐蚀 耐磨 较好 4 适用于批量化生产 3 热喷涂 1 设备轻便 可现场施工 2 工艺灵活 操作程序少 可快捷修复 减少加工时间 3 适应性强 一般不受工件尺寸大小及场地所限 4 涂层厚度可以控制 5 除喷焊外 对基材加热温度较低 工件变形小 金相组织及性能变化也 较小 6 适用各种基体材料的零部件 几乎可在所有的固体材料表面上制备各种 防护性涂层和功能性涂层 根据以上处理方式特点及牙盘的性能要求 我们选择电镀作为牙盘的表面 处理方式 电镀层分为很多种 参考各镀层性能及牙盘的性能要求 选在电镀 Ni Cr 层 Ni 层 质地坚硬 增加强度 Cr 层 硬度高 耐磨 耐腐蚀 6 技术要求 技术要求 镀镍层厚度 6 m 6 镀铬层厚度 8 m 7 工艺流程 工艺流程 除油 热水洗 冷水洗 除锈 预浸 浸蚀 水洗 活化 水洗 电镀 镍 水洗 电镀铬 水洗 烘干 检测 8 工艺分析 工艺分析 8 1 电镀原理 电镀 Electroplating 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 电镀时 镀层金属或其他不溶性材料做阳极 待镀的工件做阴极 镀层金属的 阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层 8 1 1 镀镍原理 电镀镍液主要由硫酸镍和氯化镍组成 溶液中存在大量的二价镍离子在外 电流作用下 在阴极上放电而获得镍镀层 阳极的镍不断溶解来补充消耗的二 价镍离子 Ni2 2e Ni 8 1 2 镀铬原理 阴极反应 2H 2e H2 由于氢离子放电析出氢气 阴极区内的 PH 升高 重铬酸根向铬酸根转化 使阴极区的六价铬以铬酸形式存在 然后铬酸根在阴极放电析出金属铬 CrO42 4H2O 6e Cr 8OH 阳极反应 2H2O 4e O2 4H Cr2O3 4H2O 6e Cr2O72 8H 8 2 除油作用 主要除去工件表面的各种油脂 这些油污包括植物油 动物油和矿物油 只 有将这些油污彻清除 才能保证镀覆层与基体结合牢固 保证转化膜可以形成 7 8 3 除锈作用 除去基体表面锈蚀或氧化层 保证氧化膜形成 8 4 活化作用 通过轻微的腐蚀作用使工件表面活化 露出金属的结晶组织 以保证镀层 与基体的结合强度高 9 工艺配方及参数 工艺配方及参数 表 9 1 除油配方 成分及工艺参数配方 氢氧化钠 g L 50 碳酸钠 g L 25 磷酸三钠 g L 60 硅酸钠 g L 8 温度 80 90 时间 min 6 注 各药品作用 1 氢氧化钠 它是一种强碱 皂化作用较强 但它的润湿作用和乳化 作用较差 所以它不是一种好的去污剂 氢氧化钠本身水洗性较差 2 碳酸钠 它具有良好的缓冲作用 然而其水解后碱性不高 如 0 5 的水溶液 pH 为 11 30 碳酸钠本身的去垢作用也较差 水洗性也 不好 3 磷酸三钠 它具有良好的缓冲作用 0 5 的水溶液的 PH 为 11 8 磷酸三钠具有一定的表面活性作用 它的水洗性极好 4 硅酸钠 工业上用的硅酸钠常在变更 Na2O Si02的比值基础上进行 分类 在碱性除油中常用的几种硅酸盐有原硅酸钠 Na4SiO4 偏硅 酸钠 Na2Si03 和固体或液体的水玻璃 当这类硅酸钠的相对碱度下 降时 它们的缓蚀性能也增强 硅酸钠本身具有较好的表面活性作 8 用 当它与其他表面活性剂组合使用时 它是碱类中最佳的润湿剂 乳化剂和分散剂 偏硅酸钠还广泛地应用在有色金属去油中作缓蚀 剂 表 9 2 除锈配方 成分及工艺条件预浸浸蚀 硫酸 d 1 84 g L 230 盐酸 d 1 19 g L 270450 硝酸 d 1 41 g L 50 温度 50 6030 50 时间 min 10 1 注 各药品作用 1 硫酸 硫酸为三氧化硫的水合物 室温下 硫酸液去除金属氧化物 的能力较差 提高温度可大大提高其除锈能力 硫酸不易挥发 故可在较高温度下有效剥离金属金属基体的氧化皮 但温度过高 易过度腐蚀钢铁 引起氢脆 2 盐酸 盐酸是氯化氢的水溶液 在常温下 盐酸对金属氧化物的侵 蚀能力较强 溶解钢铁基体较慢 引起腐蚀和氢脆的危险较少 但浓盐酸易挥发 容易腐蚀设备 污染环境 3 硝酸 氧化性强 极易挥发 侵蚀工件后 表面洁净 均匀 钢铁 工件在浓硝酸中会生成氧化亚铁膜 具有良好的耐蚀性 表 9 3 活化配方 成分及工艺条件配方 硫酸 g L 40 9 温度 室温 时间 min 0 5 1 注 各药品作用 硫酸 通过轻微的腐蚀作用使工件表面活化 露出金属的结晶组织 以保证镀层与基体的结合强度高 表 9 4 电镀镍配方 成分及工艺条件配方 硫酸镍 g L 250 氯化镍 g L 60 硼酸 g L 40 糖精 g L 0 8 1 0 1 4 丁炔二醇 g L 0 4 0 5 十二烷基硫酸钠 g L 1 pH4 0 4 6 温度 40 50 电流密度 A dm2 3 阴极移动或空气搅拌需要 注 各药品作用 1 硫酸镍 镍液主要成分 镍离子来源 硫酸镍含量低 镀液分散能 力好 镀层结晶细致 易抛光 但阴极电流效率和极限电流密度 低 沉积速度慢 硫酸镍含量高 允许使用的电流密度大 沉积 速度快 但镀液分散能力较差 2 氯化镍 只有硫酸镍的镀液 通电后镍阳极的表面极易钝化 影响 镍的正常溶解 镀液中镍离子迅速减少 导致镀液性能恶化 加 入氯离子 能显著改善阳极的溶解性 还能提高镀液的导电性 改善镀液分散能力 但氯离子含量不能过高 否则引起阳极过腐 10 蚀或不规则溶解 产生大量阳极泥 悬浮于镀液中 使镀层粗糙 或产生毛刺 3 硼酸 镀镍时 由于氢离子在阴极放电 会使镀液 pH 上升 阴极 表面附近氢氧根离子会与金属离子生成氢氧化物夹杂于镀层中 使镀层外观与性能恶化 加入硼酸后 硼酸在水溶液中解离出氢 离子 对镀液 pH 值起缓冲作用 保持 pH 的相对稳定 4 糖精 1 4 丁炔二醇 添加剂的主要成份是应力消除剂 应力消除 剂的加入 改善了镀液的阴极极化 降低了镀层的内应力 随着 应力消除剂浓度的变化 可以使镀层内应力由张应力改变为压应 力 与没有去应力剂的镍镀层相比 镀液中加入去应力剂将会获 得均匀细致并具有半光亮的镀层 5 十二烷基硫酸钠 在电镀过程中 阴极上析出氢气是不可避免的 氢气的析出不仅降低了阴极电流效率 而且由于氢气泡在电极表 面上的滞留 还将使镀层出现针孔 镀镍层的孔隙率是比较高的 为了减少或防止针孔的产生 应当向镀液中加入少量的润湿剂 如十二烷基硫酸钠 它是一种阴离子型的表面活性物质 能吸附 在阴极表面上 使电极与溶液间的界面张力降低 氢气泡在电极 上的润湿接触角减小 从而使气泡容易离开电极表面 防止或减 轻了镀层针孔的产生 表 9 5 电镀铬配方 成分及工艺条件配方 氯化铬 g L 110 甲酸钾 g L 80 氯化铵 g L 53 氯化钾 g L 75 溴化铵 g L 15 醋酸钠 g L 25 硼酸 g L 49 11 十二烷基苯磺酸钠 g L 0 05 2 pH2 5 3 3 温度 20 25 电流密度 A dm2 5 5 阳极石墨 搅拌需要 注 各药品作用 1 氯化铬 主盐 提供铬离子 2 甲酸钾 络合剂 与主盐形成络合物 3 氯化钾 氯化铵 导电盐 增加溶液导电性 4 硼酸 缓冲剂 调节溶液 pH 值 5 醋酸钠 改善配位环境 降低水解作用 抑制灰绿色沉淀 6 溴化铵 抑制三价铬离子被氧化为六价铬离子 7 十二烷基苯磺酸钠 润湿剂 改善镀层性能 10 镀层检测 镀层检测 10 1 镀层厚度 由于本电镀工艺采用多层电镀 故使用电解法进行厚度测量 电解法是在 精确限定膜层表面积的情况下 以恒定电流将被试样品作为阳极至于专用电解 液中进行电解 以电压的突然变化 确定电解终点 使用仪器 DJH E 型电解式测厚仪 10 2 镀层硬度 本次工艺的硬度测量选用维氏显微硬度 维氏显微硬度测量使用两对面夹 角 为 136 的金刚石四棱锥体压头 压头在试验力作用下压入试样镀层表面 或剖面 保持一定时间后卸除试验力 在样品上获得正方体锥形压痕 计算得 到显微硬度值 使用仪器 HV 1000CCD 自动测量显微维氏硬度计 12 10 3 镀层附着力 本次工艺附着力测量选择冲击试验法 将试样放在专门冲击试验机上 用 20mm 钢球 在一定高度向试样冲击 经一定冲击次数后 镀层应不分层 不 剥离 使用仪器 冲击试验机 10 4 镀层耐蚀性 采用醋酸盐雾实验法 试验用醋酸盐雾采用化学纯冰醋酸配置 pH 值 3 0 3 1