汽车节温器化学镀镍技术的研究与应用(陈万军).doc

韶 关 学 院毕 业 论 文毕业论文题目：汽车节温器化学镀镍技术的研究与应用学生姓名：陈万军学 号： 051101117023系 （院）： 物理与机电工程学院汽车系专 业： 交通运输班 级： 2005级指导教师姓名及职称：廖一峰 讲师起止时间：2008年9月2009年5月（教务处制表）汽车节温器化学镀镍技术的研究与应用摘要：简述了汽车节温器的作用和当前主要存在的问题，提出了化学镀镍技术并介绍了国内外化学镀镍技术的发展状况。重点探讨了采用化学镀镍技术对汽车节温器进行镀镍，采用HXZ-100显微硬度计测试了镀层的硬度；对镀镍层在10%NaCl、10%HCl、10%NaOH溶液中进行了耐蚀性的对比研究。实验表明：施镀40min后，镀层均匀、致密、无明显缺陷；在上述溶液中浸泡48h，无腐蚀孔出现；镀层在29.4N压力下研磨也不会发生脱落，表明其附着力极好，达到车用节温器表面性能的要求。关键词：节温器；化学镀镍；耐蚀性The Research and Application of Automobile thermostatChemical Nickle Plating TechnologyAbstract:Describe the function of automobile thermosta and the major existent questions,bring up the chemical nickle plating technology and describe its developmentat home and abroad.Focus on the method of using the chemical nickle plating technology to plating nickle on the automobile thermosta.the micro-hardness was mearsured with HXZ-100 micro-sclerometer,the corrosion were paralleled in 10% NaCl and 10% HCl and 10% NaOH solutions.The results show that the plating is uniformity and compact and not obvious flaw after 40 minuter;the surface is not eroded in the above solution;the coating doesnt fall off under 29.4 N, it shows the excellent adhesion reaches the exterior capability of thermostat.Key words:hermosta; electroless nickel plating; corrosion resstance目录1 绪论 (1)2 节温器的作用及当存在的问题 (1)2.1 节温器的功用 (2)2.2 不装节温器对发动机的影响 (2)2.3 当节温器前存在的问题 (3)3 探讨化学镀镍的方法 (3) 3.1 化学镀镍技术国内外研究概况 (3)3.2 化学镀镍在汽车工业中的应用 (4)4 节温器的化学镀镍 (5)4.1 试验设备与材料 (5)4.2 试验方法 (6)4.3 试验处理后结果与讨论 (7)5 节温器镀镍和镀铜的对比 (9)6 结论 (10)致谢 (10)参考文献 (10) 13汽车节温器化学镀镍技术的研究与应用 05交通运输1班：陈万军 指导老师：廖一峰 讲师1绪论汽车节温器是根据发动机冷却液温度的高低，打开或关闭冷却液通向散热器的通道，使冷却液在散热器和水套之间进行大循环或不往散热器进行小循环，调节冷却强度，保证发动机在最适宜的温度下工作。节温器为热系统关键部件之一，对热系统性能具有重要影响。车用节温器根据冷却温度变化，自动调节其循环途径和通过散热器的流量，控制流体温度，保证发动机工作在合适温度，并可实现快速暖机。 而车用节温器在使用过程中容易受环境和自身结构因素影响，容易腐蚀生锈从而造成堵塞，使节温器不能正常工作，影响发动机的各种性能。现在市场上一般采用镀铜的方法达到防止节温器腐蚀和生锈，基本上都是采用价格比较昂贵的黄铜作为生产材料；此外还有一些用不锈钢作为生产材料的节温器，但是其生产工艺复杂，技术要求高和生产成本也比较贵。 化学镀镍是一种比较成熟的表面处理技术，其工艺是处在一种流动的液体下进行处理，无论工件多么复杂，只要能够浸到液体就能对基体表面进行化学镀镍, 本技术具有镀层均匀、结合力强、镀层硬度高、耐磨性能和耐腐蚀性能好、污染小、镀液稳定且维护方便等许多优点。而且镀液使用寿命长，镀层光亮、致密、与基体结合力强，镀层硬度达到或超过电镀硬铬；另外，镀液无毒、无臭，经过简单处理即可达到环保要求的技术特点和先进性。随着我国汽车工业的发展， 对汽车零部件的质量要求的提高， 化学镀镍作为一种提高汽车部件表面耐蚀、耐磨性能的表面处理方法， 将会得到更广泛的应用。为了提高车用节温器在耐蚀性能，本文采用了在节温器基体上化学镀镍磷合金的工艺，利用HXZ-100显微硬度计分析了镀层的形貌；同时研究了镀层表面的硬度及耐蚀性。2.节温器的作用及存在的问题2.1节温器的功用发动机的工作温度在8095之间，因此车辆在出车前应当有一个通过怠速预热升温的过程在天寒地冻气温很低的冬季 这个预热升温的过程溉更加重要。促进发动机迅速升温的是节温器。但是在实际工作中，一些驾驶员认为安装节温器台引起水温高，还有些驾驶员认为要不要节温器一个样，因而往往拆除节温器，这些想法和做法都是不对的。在正常情况下，当发动机冷却液的温度较低时（如奥迪100型轿车低于85），节温器主阀门关闭、副阀门打开。冷却液经过水泵增压后，发动机从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温，然后向上流入汽缸盖水套，从汽缸盖水套壁吸热之后流经节温器，经小循环通道返会发动机机体水套，进行小循环；当发动机冷却液温度升高到一定值（如奥迪轿车高于105），节温器主阀门完全开启、副阀门关闭。冷却液经节温器及散热器进入水软管流入散热器，在散热器中，冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，进行大循环；当发动机冷却液温度处于大、小循环的温度范围内（如奥迪100型轿车，处于85-100）时，节温器主阀门和副阀门都部分开启，冷却液大、小循环都存在，以调节发动机温度基本稳定在最适宜的工作范围。如果发动机机体内的水不进入散热器，而是在水泵作用下，使冷却液在机体内循环，使发动机迅速升温。不装节温器或若节温器失效,发动机在低温下运转的时间就会拉长对发动机造成的危害具体表现为以下四点：一是机油粘度稠，流动性差；二是缸壁过冷，混合气在缸壁冷凝，冲刷缸壁上的润滑油膜，加速缸壁磨损；三是汽油雾化不好，燃烧不良，影响动力； 四是不装节温器，还会增加油耗。2.2不装节温器对发动机的影响在使用中, 当发动机冷却水“ 开锅”时, 有的驾驶员就认为是节温器失灵, 因而把其拆除。这样, 不仅对发动机的工作温度有着直接地影响, 而且还间接影响了发动机的动力性和燃油消耗。造成起动后暖机时间延长据试验表明多缸动机在1500r/min时, 冷却水从20 升温到50 , 不装节温器的升温时间是安装节温器的4倍左右, 而耗油量为装有节温器的5倍;从20上升到85时, 不装节温器则需要5min以上, 而装节温器后只需2min冷却水就能达到正常工作温度。显然, 不装节温器会使发动机预热时间延长, 而预热期间, 燃烧室温度低,燃烧状态恶化, 会增加耗油量 1 。加速机件磨损和损坏由于暖机时间延长,发动机在水温较低的情况下运转, 燃烧气体与缸壁冷凝的水形成酸性物质, 腐蚀气缸还有液态的燃油和水分, 冲刷缸壁润滑油膜, 并沿缸壁流入油底壳,稀释了润滑系统的机油, 从而导致缸套、活塞及活塞环等机件早期磨损。由试验可知, 发动机温度为30时的气缸磨损要比温度90 时大5倍;温度50时气缸磨损比正常温度时增加5倍。另外, 要是缸体有缺陷而采用胶补修复, 由于不装节温器, 机温冷热变化过大, 缸体收缩、膨胀频繁, 会使胶补或胶粘脱落, 从而导致发动机产生故障。容易造成水温过高由于拆除了节温器等效于主阀门全开和副侧阀门全开, 水路流动既大循环, 又小循环。这样, 发动机工作温度不能自动调节, 不能适应情况多变的需要 2 。当机车带负荷持续工作时间较长或超负荷作业时, 因水泵输出的压力水直接在小循环进行循环, 从而减小了大循环水路的水压, 机体内冷却水不能达到良好的循环, 容易造成水温过高。严重时, 出现“ 开锅”现象。2.3节温器存在的问题汽车节温器长时间的浸泡在高温的水中，因此它的工作环境要求节温器必须具备较好的防腐蚀性能，以防止因为节温器出现问题而影响汽车发动机的正常工作，从而延长汽车的使用寿命。由于各种原因，导致我国汽车节温器行业产品设计与用户使用习惯尚有一定距离，品牌美誉度普遍不够高，生产规模不够大，产业地区分布不均匀等。3.探讨化学镀镍的方法3.1化学镀镍技术国内外研究概况化学镀镍发展至今大约经过了50 年,可分为4个发展阶段:1) 最原始镀液的组成是镍盐、还原剂,镀液极不稳定,无实际应用价值;2) 镀液的组成是镍盐、还原剂、络合剂，镀液的稳定性有所提高,进入了实用性阶段;3) 镀液的组成是镍盐、还原剂、络合剂和稳定剂,镀液的稳定性进一步提高,进入了工业化应用阶段;4) 镀液的组成是镍盐、还原剂、络合剂、稳定剂、促进剂、缓冲剂、光亮剂、润湿剂等,镀液的性能进一步改善,工业应用进一步推广。化学镀镍技术开始于19 世纪,早在1845 年, Wartz 就发现,用次亚磷酸盐还原,金属镍可以从其盐的水溶液中沉积出来,但形成的金属几乎总是粉末状态。1916 年Roux 已经获得了光亮镀层,这些光亮镀层是在加入还原剂之后在反应容器的表面上形成的,但没有什么实际应用。1946 年, Brenner和Riddell 将化学镀镍工艺发展成了实用的技术。在应用研究中,美国通用运输公司GA TC ( GeneralAmerican Transportation CO) 的Gutzeit 及其同事对化学镀镍溶液的组成和工艺参数进行了系统研究,为化学镀镍的工业化应用奠定了基础。GA TC在5060 年代公布了一系列专利并于1955 年建成了第一条化学镀镍生产线3 。20 世纪80 年代以来, 由于化学镀镍的技术不断进步,使化学镀镍溶液的使用寿命延长,成本下降,基本实现镀液的自动控制,化学镀镍得以工业化大规模应用。现在几乎难以找到一个工业部门不需要采用化学镀镍技术。20 世纪80 年代末,欧美各国相继建成了几十条化学镀镍生产线,加工产值已达30 亿美元 4 。化学镀镍最初作为代替镀硬铬层而工业化应用,以后发展到耐腐蚀性、耐磨性、防电磁波屏蔽、高密度磁盘等多功能镀层而获得广泛应用。20 世纪90 年代以来,国外许多公司推出了系列化的化学镀镍浓缩液商品及微机自动化管理系统,使化学镀镍的工业化操作十分简捷、方便。值得特别提出的是,与电镀工艺过程相比,化学镀镍工艺过程具有污染低、镍利用率高的优点而受到环保部门的重视。化学镀镍溶液中镍离子的浓度是电镀镍的1/ 10 以下, 其余为络合剂、缓冲剂等,是一种低污染工艺。我国化学镀起步较晚,在工业应用方面还存在不少问题,如镀液不够稳定,沉积速度慢,使用周期短,成本高等。近年来,我国加快了化学镀镍技术研究,化学镀镍技术水平和应用发展迅速,通过不断地研究与探索,一些技术问题逐步得到解决,化学镀镍技术在我国的工业应用日益广泛。据不完全统计,我国化学镀镍已有300 多家,最大单槽镀液已达38 m3 ,为亚洲之最。国外知名品牌化学镀镍浓缩液也纷纷进入中国市场,21 世纪的化学镀镍将进入一种更加成熟、更加蓬勃发展的时期。化学镀镍和电镀镍相比具有许多优点,目前已在许多工业部门广泛应用。但化学镀镍技术在工业应用方面还存在不少问题,如降低生产成本、简化生产工艺、镀镍废液处理及多功能镀层的制备等方面还需要继续深入研究 5 。化学镀镍今后的发展方向包括两方面,一方面是原有化学镀镍工艺的进一步完善和提高,另一方面是开发具有商业价值的新的应用领域。化学镀镍是一种朝阳工艺,如果工艺等方面得到进一步的改善,那么其市场将得到进一步的拓展。3.2化学镀镍在汽车工业中的应用化学镀镍的镀层由于不受电流密度分布的影响，可以在形状复杂的零件上获得厚度非常均匀的镀层。此外， 采用化学镀技术，除可以镀钢铁、铜合金、铝合金、镁合金、锌合金等金属零件外，还可以镀陶瓷、塑料等非金属材料， 镀后零件的可焊性提高 6 。在汽车工业中， 许多零件可以靠化学镀镰技术来改善其各项性能。差速器行星齿轮轴是汽车的一个关键零件， 镍磷镀层镀覆在轴上25 m以后，其运行会更加流畅、平稳，并使噪声明显降低。汽车上用的齿轮、散热器和喷油嘴， 形状比较复杂， 采用电镀的方法难以获得厚度均匀的镀层， 尤其是内腔更难达到均匀， 化学镀镍可以容易地使内外表面都获得厚度相同的镀层， 而且可以使齿轮的公差保持在大约025 05m之间 7 。形状复杂的散热器也可以镀上均匀的镍磷镀层， 镍礴镀层用在喷油嘴上， 可以为高速流动的燃油提供所要求的耐磨和耐蚀性。以往这样的磨损和腐蚀可使喷油嘴扩大， 喷油量增加， 超过发动机的设计标准， 加快发动机的损坏， 镍磷镀层则可以有效地克服这些缺点， 延长其使用寿命。铝合金制造的汽化器外壳、燃油泵零件可以在其表面镀覆2550m的镍， 以提高其耐磨耐腐蚀性。对于要求耐磨性好的福格森粘液变速器的薄板和AISi12CuMgNi镧的活塞，可以化学镀覆6l0m的镍， 并施以300 以上的热处理。汽车底座上的紧固件采用镍磷镀层保护后， 不但可提高其耐腐蚀性，而且使其拆卸变得容易。据报导， 法国雷诺公司已经建立了专门的化学镀镍生产线， 为汽车齿轮箱中承受较大摩擦力容易磨损的零件如垫圈、垫片、叉簧等提供镍礴镀层保护。巴西于1978年制造了第一辆用醇作燃料的汽车， 醇的燃烧产物曾一度使锌合金模铸的汽化器受到腐蚀， 堵塞了通道， 后采用5 9 m的镍磷镀层则顺利地解决了这一难题。至今， 巴西的街头已有l00多万辆这样的汽车在行驶。随着我国汽车工业的发展， 对汽车零部件的质量要求的提高， 化学镀镍作为一种提高汽车部件表面耐蚀、耐磨性能的表面处理方法， 将会得到更广泛的应用。4研究节温器的化学镀镍4.1试验设备与材料4.1.1试验设备显微硬度计HX-100TM,测量范围5-3000HV；示值允许误差：3%-5%；便携式pH计（Phb-3、分辨率：0.1pH）、千分尺、量杯量筒、温度计、分析天平（分度值1mg）、电热炉、800#砂纸等、恒温水浴锅等。4.1.2试验材料 奇瑞A15-1306020系列镀铜节温器，将试样进行必要的前处理，是保证化学镀镍层光亮度、色泽及镀层结合力的关键。工艺路线如下：机械除锈丙酮超声波清洗（10min）水洗碱洗热水洗冷水洗酸洗冷水洗钝化冷水洗镀镍水洗吹干。4.1.3试验试剂名称浓度浓度单位硫酸镍27g/ L次磷酸氢钠30g/ L柠檬酸25ml/ L硼酸5g/ LPH值4.8用氨水或硫酸调整温度854.1.4试验条件把溶液的PH值调到4.5，加热到55，时间为30分钟，镀件在镀液里反应缓慢，当溶液的PH值为4.8时，加热到85，时间为60分钟，镀件在镀液里反应剧烈，当溶液的PH值为5.5，加热到65，时间为90分钟，镀件在镀液里反应又变得缓慢。所以得出当溶液的PH值为4.8时，加热到85，时间为60分钟，镀件在镀液里反应最剧烈，镀件镀得最好。4.1.5镀层表面形貌分析HXZ-100显微硬度计对镀层表面形貌和和腐蚀后镀层表面进行观察。4.1.6镀层耐蚀性及结合力的测试按QC/T29061-1992（2005）汽车发动机用蜡式节温器的技术条件，对节温器进行耐蚀性测试。将节温器放在10%NaCl溶液中，加热到90，保温2h，再在常温下放置48小时；另2个常温放置在10%HCl、10%NaOH溶液中48h。4.2试验方法4.2.1镀液配制（1）用300毫升水溶解30克的硫酸镍（溶解时可加热到30-50 oC），并注入镀槽中；（2）量取柠檬酸5毫升，缓慢加入镀槽中，加液时要一边搅拌；（3）称取5克硼酸溶解成溶液，缓慢加入镀槽内；4.2.2镀件预处理液配制（1）按10g/L的NaOH浓度的比例配制碱性清洗液100mL（2）按15%的HCL浓度的比例配制酸性清洗液100mL（3）按10%的HCL浓度的比例配制酸性活化液100mL4.2.3镀件预处理（1）把10%NaOH溶液升温到85,将镀件放入其中除油、除锈40min，取出后在流水中冲洗镀件残留碱液（2）将镀件放入浓度为15%的HCL清洗液中除锈3min（3）将镀件放入浓度为10%的HCL活化液中活化1-2min（4）把镀件放在流水中清洗干净，最后用蒸馏水清洗4.2.4镀件处理过程（1）用烧杯量去适量配制好的镀夜，将经过清洗处理的节温器完全浸泡在溶液中，并放在恒温水浴锅上加热。（2）加热至85，保温90min，施镀过程中不断添加镀液。4.2.5镀件后处理与检测（1）取出镀件，用冷水冲洗残留镀液然后晾干（2）目测镀件外观颜色和用天平称镀件的质量（3）用显微硬度计测量镀件表面硬度并观察镀件组织，读取数据4.3试验处理后结果与讨论4.3.1微观开貌由图1可以看出,化学镀镍的方法将节温器镀镍后，其表面形成了均匀细致光亮的镀镍层，为非晶态，增加光泽和美观。该化学镀层表面是由大小比较均匀的胞状微凸体颗粒组成，局部区域虽然有颗粒过大和聚集现象，但总体而言，颗粒之间排列非常致密、连续，整个沉积层表面没有出现孔洞、空隙、裂纹等缺陷。25m 图1纯镀镍层表面形貌由图2，3可知，用10%盐溶液和10%酸溶液腐蚀后，镀件表面有明显的点蚀出现，且在酸溶液中比在盐溶液中腐蚀更严重，但对基底没有产生腐蚀。25m25m图2 镀件在10%NaCl 48h后形貌图2镀件在10%NaCl 48h后形貌 图3 镀件在10%HCl48h后的形貌采用化学镀镍的方法，可以在汽车节温器表面得到一层均匀、致密的镍镀层。镀层组织为晶态镍和非晶态组织的混合体。一系列的性能测试表明，化学镀镍可以给节温器提供一定程度的保护。4.3.2镀层耐蚀性的测试利用盐溶法和FA2004N分析天平。采用失重法对节温器直接化学镀镍的样品进行腐蚀性的测试，从而比较其耐腐能力。预先用分析天平称量待测样品的质量，然后将待测样品放入10%NaCl、10%HCl、10%NaOH溶液中，实验结束后取出样品，用丙酮清除样品表面的腐蚀产物，吹干后称量腐蚀后样品的质量，计算各样品的失重。经过测试可以看出：节温器经化学镀镍后，镀层在酸碱盐溶液中都具有较好的耐蚀性，特别是在碱溶液中完全稳定，对节温器基体有良好的保护作用。4.3.3镀层结合力的测试 施加29.4N的载荷于硬质合金刀具上，在镀件表面刻画一1mm1mm大小的方格，经检验不见方格脱落（见图4），表明镀层的结合力好。25m图4载荷为29.4N镀层表面形貌4.3.4镀层的硬度及结构在镀件表面选取5个点进行硬度测试，取其平均值。结果为531.1HV。从图5可以看出，镀层为理想的非晶态镍磷合金结构,是一种亚稳定结构，衍射峰是一孤峰。有资料表明，正是这种非晶态组织的出现能够明显改善镀层的耐蚀性 8 。200400800Counts/s60010305070902/NiP衍射角度衍射计数强度图5镀层的X射线衍射图谱5节温器镀镍和镀铜的对比配制10%的NaCl液，用两个烧杯分别选取相同量的NaCl液，将镀镍和镀铜的节温器分别放入其中，室温下浸泡48h。通过实验发现，镀镍的节温器表面没有什么变化，表面的镍没有被溶液腐蚀；而镀铜节温器的溶液中依稀可以看见有黄色的微粒，那就是节温器表面镀的铜。因此，通过实验我们可以知道，镀镍比镀铜的防腐蚀性能要好，更能有效的保护节温器不收侵蚀。此外，镍不但比铜便宜，而且我国的镀镍技术已日益成熟。6结论1、 化学镀镍液具有很的分散能力和深镀能力，其镀层非常均匀，完全达到“仿型效果”。2、 化学镀镍层具有较好的耐腐蚀性能，能在各种腐蚀介质中更好地保护基体。3、 化学镀镍层在29.4 N力作用下，不见有脱落，表明附着力好。综上所述，化学镀镍工艺完全可以解决车用节温器在应用中的的问题，具有可推广的价值。但是由于实验条件和本人的知识水平有限等各方面原因，这只是一个简单和小规模的实验，有待以后进一步的提高。致谢本论文的顺利完成，我要特别感谢我的指导老师廖一峰老师的热情关怀和悉心指导。在我做论文的过程中，廖一峰老师抽出了自己很多宝贵的时间和花费了大量的心血和汗水。无论是前期论文的选题、构思和资料的收集方面，还是后期在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了廖一峰老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的科学态度和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此我要向廖一峰老师表示真诚地感谢和深深的谢意。感谢和我一起做论文实验的祝晓锐同学和曹伟林同学，虽然实验过程中遇到困惑，但是经过我们共同努力，共同研究，互相取长补短，认真钻研和廖一峰老师精心讲解和帮助，还是解决了这些困难。在论文的撰写和资料搜集期间，他们