牙盤表面工程設計【薈萃內(nèi)容】

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1、 自行車牙盤電鍍鎳-鉻層工藝設計 目錄 1、零件 2 2、服役條件 3 3、性能要求 3 4、材料選擇 3 5、工藝選擇 4 6、技術要求 5 7、工藝流程 5 8、工藝分析 6 9、工藝配方及參數(shù) 9 10、鍍層檢測 11 11、工藝卡片 12 12、車間平面圖 13 1、零件:自行車牙盤 圖一 零件實體圖 圖二 零件草圖 2、服役條件 2.1服役環(huán)境：牙盤通常在較大載荷、較高磨損條件下工作，由于需要潤滑，會在一定的油污條件下。 2.2用途：自行車中，和曲柄相連的部分，運動員通過蹬踏帶

2、動曲柄，進而帶動牙盤的轉(zhuǎn)動，最終通過鏈條和飛輪，驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動，提供動力，完成自行車的整個傳動鏈。 3、性能要求 3.1耐腐蝕：在牙盤運作時，與鏈條間需要潤滑，使用機械潤滑油，使牙盤腐蝕加劇，要求牙盤耐油污腐蝕，且大氣環(huán)境中不易生銹的特點。 3.2耐磨性：在自行車整體傳動過程中，由于牙盤與鏈條產(chǎn)生較為劇烈的摩擦，要求牙盤具有較高的耐磨性。 3.3高強度硬度：在傳動過程中存在與其他傳動部分的機械傳動，牙盤應具備一定的強度硬度而不至于變形。 3.4輕質(zhì)：如今自行車追求整車輕量化，而作為主要部件牙盤也應盡可能輕量化。 3.5價格適中：牙盤屬于自行車可更換零件，應控制價格，不宜過高，降低

3、使用成本。 4、材料選擇 就目前市場上來說，制造自行車牙盤通常采用以下兩種材料： 1) 鋁合金：追求輕量化的自行車普遍采用鋁合金材料制成的牙盤，其材料是一般所謂超硬鋁、航空鋁，金屬牌號為7075，是一種廣泛應用在航空航天領域的鋁合金材料。 2) 鋼材：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是比較普通并廣泛使用的一種材料，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是相對于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼而言的，普通的軸，螺釘?shù)攘慵话愣加善渲瞥?。自行車牙盤和飛輪一般就使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或更好的合金鋼。? 一般來說，鋁的密度大約是鋼的三分之一，所以追求輕量的自行車都普遍采用鋁合金材料代替較重的鋼材。但鋁合金的價格比鋼材要高很多，且就材料硬度

4、來看卻遠遠不及鋼材料，而硬度決定了材料的耐磨性，也就是抗磨損的性能，這也是直接影響到自行車壽命的重要性能。 一般超硬鋁（經(jīng)熱處理后）的硬度會達到布氏硬度（HBS）150以上，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)淬火后的硬度會達到洛氏硬度（HRC）50~60左右。兩種硬度是通過不同方法測量得到的數(shù)值，一般較軟的材料使用布氏硬度，較硬的材料使用洛氏硬度，二者之間相差大約10倍。兩種材料經(jīng)過硬度換算后布氏硬度150只在洛氏硬度20以下（布氏硬度228對應的布氏硬度為20.3），由于硬度太低，沒有準確數(shù)值與洛氏硬度對應。從比較中就可發(fā)現(xiàn)作為鋁合金材料中硬度最高的超硬鋁其硬度遠遠低于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，而優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼只是一

5、般的鋼材料，合金鋼所能達到的硬度還會更高。超硬鋁所達到的硬度只是普通鑄鐵的水平。 所以，價格昂貴的超硬鋁就耐磨性來講，遠遠不如鋼材料。這就導致了，追求輕量化的自行車其鋁合金牙盤會較容易磨損，并經(jīng)常更換。為符合本設計性能要求，選擇自行車制造中經(jīng)常使用的鉻鉬鋼。 5、工藝選擇 目前表面處理的方法有許多，主要有化學鍍、電鍍、熱噴涂等，分別具有以下特點： 1、化學鍍： 1) 表面硬度高，耐磨性能好： 其表面硬度可在Hv0.1 =550-1100kg/mm2 （相當于HRC=55-72）的范圍內(nèi)任意控制選擇。處理后的機械部件，耐磨性能好，使用壽命長，一般可提高3-4倍，有的可達8倍以上。

6、 2) 硬化層的厚度極其均勻，處理部件不受形狀限制，不變形。特別適用于形狀復雜、深盲孔及精度要求高的細小及大型部件的表面強化處理。 3) 具有優(yōu)良的抗腐蝕性能： 它在許多酸、堿、鹽、氨和海水中具有很好的耐蝕性，其耐蝕性比不銹鋼要優(yōu)越得多 4) 處理后的部件，表面光潔度高，表面光亮，不需重新機械加工和拋光，即可直接裝機使用。 5) 鍍層與基體的結(jié)合力高，不易剝落，其結(jié)合力比電鍍硬鉻和離子鍍要高。 6) 可處理的基體材料廣泛： 可處理材料有各種模具合金鋼、不銹鋼、銅、鋁、鋅、鈦、塑料、尼龍、玻璃、橡膠、粉末、木頭等。 2、電鍍 1) 金屬鍍層結(jié)晶細致，化學純度高（指單金屬），結(jié)合

7、力好。 2) 鍍層美觀，裝飾性好。 3) 鍍層對基體材料保護性能（耐蝕、耐磨）較好。 4) 適用于批量化生產(chǎn)。 3、熱噴涂 1) 設備輕便，可現(xiàn)場施工。 2) 工藝靈活、操作程序少?？煽旖菪迯停瑴p少加工時間。 3) 適應性強，一般不受工件尺寸大小及場地所限。 4) 涂層厚度可以控制。 5) 除噴焊外，對基材加熱溫度較低，工件變形小，金相組織及性能變化也較小。 6) 適用各種基體材料的零部件、幾乎可在所有的固體材料表面上制備各種防護性涂層和功能性涂層。 根據(jù)以上處理方式特點及牙盤的性能要求，我們選擇電鍍作為牙盤的表面處理方式。 電鍍層分為很多種，參考各鍍層性能及牙盤的性能

8、要求，選在電鍍Ni-Cr層。 Ni層：質(zhì)地堅硬，增加強度。 Cr層：硬度高，耐磨，耐腐蝕。 6、技術要求 鍍鎳層厚度：6μm 鍍鉻層厚度：8μm 7、工藝流程 除油→熱水洗→冷水洗→除銹（預浸、浸蝕）→水洗→活化→水洗→電鍍鎳→水洗→電鍍鉻→水洗→烘干→檢測 8、工藝分析 8.1電鍍原理 電鍍(Electroplating)就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導電性、反光性及增進美觀等作用。 電鍍時，鍍層金屬或其他不溶性材料做陽極，待鍍

9、的工件做陰極，鍍層金屬的陽離子在待鍍工件表面被還原形成鍍層。 8.1.1鍍鎳原理 電鍍鎳液主要由硫酸鎳和氯化鎳組成，溶液中存在大量的二價鎳離子在外電流作用下，在陰極上放電而獲得鎳鍍層，陽極的鎳不斷溶解來補充消耗的二價鎳離子，Ni2++2e-→Ni 8.1.2鍍鉻原理 陰極反應: 2H++2e—→H2 由于氫離子放電析出氫氣，陰極區(qū)內(nèi)的PH升高，重鉻酸根向鉻酸根轉(zhuǎn)化.使陰極區(qū)的六價鉻以鉻酸形式存在，然后鉻酸根在陰極放電析出金屬鉻： CrO42—+4H2O+6e—→Cr+8OH— 陽極反應：2H2O—4e-→O2+4H+ Cr2O3+4H2O—6e—→Cr2O72-+8H+

10、 8.2除油作用 主要除去工件表面的各種油脂,這些油污包括植物油、動物油和礦物油。只有將這些油污徹清除，才能保證鍍覆層與基體結(jié)合牢固，保證轉(zhuǎn)化膜可以形成。 8.3除銹作用 除去基體表面銹蝕或氧化層，保證氧化膜形成。 8.4活化作用 通過輕微的腐蝕作用使工件表面活化，露出金屬的結(jié)晶組織，以保證鍍層與基體的結(jié)合強度高。 9、工藝配方及參數(shù) 表9.1 除油配方 成分及工藝參數(shù) 配方 氫氧化鈉（g/L） 50 碳酸鈉（g/L） 25 磷酸三鈉（g/L） 60 硅酸鈉（g/L） 8 溫度（℃） 80-90 時間（min） 6 注：各藥品作用: 1)

11、氫氧化鈉：它是一種強堿，皂化作用較強，但它的潤濕作用和乳化作用較差，所以它不是一種好的去污劑。氫氧化鈉本身水洗性較差。 2) 碳酸鈉：它具有良好的緩沖作用，然而其水解后堿性不高，如0.5%的水溶液pH為11.30。碳酸鈉本身的去垢作用也較差，水洗性也不好。?? 3) 磷酸三鈉：它具有良好的緩沖作用，0.5%的水溶液的PH為11.8。磷酸三鈉具有一定的表面活性作用，它的水洗性極好。?? 4) 硅酸鈉：工業(yè)上用的硅酸鈉常在變更Na2O:?Si02的比值基礎上進行分類。在堿性除油中常用的幾種硅酸鹽有原硅酸鈉(Na4SiO4?)，偏硅酸鈉(Na2Si03)和固體或液體的水玻璃。當這類硅酸鈉的相

12、對堿度下降時，它們的緩蝕性能也增強。硅酸鈉本身具有較好的表面活性作用，當它與其他表面活性劑組合使用時，它是堿類中最佳的潤濕劑、乳化劑和分散劑。偏硅酸鈉還廣泛地應用在有色金屬去油中作緩蝕劑。 表9.2 除銹配方 成分及工藝條件 預浸 浸蝕 硫酸d=1.84（g/L） 230 鹽酸d=1.19（g/L） 270 450 硝酸d=1.41（g/L） 50 溫度（℃） 50-60 30-50 時間（min） 1 0.1 注：各藥品作用： 1) 硫酸：硫酸為三氧化硫的水合物。室溫下，硫酸液去除金屬氧化物的能力較差。提高溫度可大大提高其除銹

13、能力。硫酸不易揮發(fā)，故可在較高溫度下有效剝離金屬金屬基體的氧化皮。但溫度過高，易過度腐蝕鋼鐵，引起氫脆。 2) 鹽酸：鹽酸是氯化氫的水溶液。在常溫下，鹽酸對金屬氧化物的侵蝕能力較強，溶解鋼鐵基體較慢，引起腐蝕和氫脆的危險較少。但濃鹽酸易揮發(fā)，容易腐蝕設備，污染環(huán)境。 3) 硝酸：氧化性強，極易揮發(fā)。侵蝕工件后，表面潔凈，均勻。鋼鐵工件在濃硝酸中會生成氧化亞鐵膜，具有良好的耐蝕性。 表9.3 活化配方 成分及工藝條件 配方 硫酸（g/L） 40 溫度（℃） 室溫 時間（min） 0.5-1 注：各藥品作用： 硫酸：通過輕微的腐蝕作用使工件表面活化，露出金屬的

14、結(jié)晶組織，以保證鍍層與基體的結(jié)合強度高。 表9.4 電鍍鎳配方 成分及工藝條件 配方 硫酸鎳（g/L） 250 氯化鎳（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 十二烷基硫酸鈉（g/L） 1 pH 4.0-4.6 溫度（℃） 40-50 電流密度（A/dm2） 3 陰極移動或空氣攪拌 需要 注：各藥品作用： 1) 硫酸鎳：鎳液主要成分，鎳離子來源。硫酸鎳含量低，鍍液分散能力好，鍍層結(jié)晶細致，易拋光，但陰極電流效率和極限電流密度低，沉積速度慢。硫酸鎳含量高，允許使

15、用的電流密度大，沉積速度快，但鍍液分散能力較差。 2) 氯化鎳：只有硫酸鎳的鍍液，通電后鎳陽極的表面極易鈍化，影響鎳的正常溶解，鍍液中鎳離子迅速減少，導致鍍液性能惡化。加入氯離子，能顯著改善陽極的溶解性，還能提高鍍液的導電性，改善鍍液分散能力。但氯離子含量不能過高，否則引起陽極過腐蝕或不規(guī)則溶解，產(chǎn)生大量陽極泥，懸浮于鍍液中，使鍍層粗糙或產(chǎn)生毛刺。 3) 硼酸：鍍鎳時，由于氫離子在陰極放電，會使鍍液pH上升，陰極表面附近氫氧根離子會與金屬離子生成氫氧化物夾雜于鍍層中，使鍍層外觀與性能惡化。加入硼酸后，硼酸在水溶液中解離出氫離子，對鍍液pH值起緩沖作用，保持pH的相對穩(wěn)定。 4) 糖精、1

16、,4-丁炔二醇：添加劑的主要成份是應力消除劑，應力消除劑的加入，改善了鍍液的陰極極化，降低了鍍層的內(nèi)應力，隨著應力消除劑濃度的變化，可以使鍍層內(nèi)應力由張應力改變?yōu)閴簯?。與沒有去應力劑的鎳鍍層相比，鍍液中加入去應力劑將會獲得均勻細致并具有半光亮的鍍層。 5) 十二烷基硫酸鈉：在電鍍過程中，陰極上析出氫氣是不可避免的，氫氣的析出不僅降低了陰極電流效率，而且由于氫氣泡在電極表面上的滯留，還將使鍍層出現(xiàn)針孔。鍍鎳層的孔隙率是比較高的，為了減少或防止針孔的產(chǎn)生，應當向鍍液中加入少量的潤濕劑，如十二烷基硫酸鈉。它是一種陰離子型的表面活性物質(zhì)，能吸附在陰極表面上，使電極與溶液間的界面張力降低，氫氣泡在電

17、極上的潤濕接觸角減小，從而使氣泡容易離開電極表面，防止或減輕了鍍層針孔的產(chǎn)生。 表9.5 電鍍鉻配方 成分及工藝條件 配方 氯化鉻（g/L） 110 甲酸鉀（g/L） 80 氯化銨（g/L） 53 氯化鉀（g/L） 75 溴化銨（g/L） 15 醋酸鈉（g/L） 25 硼酸（g/L） 49 十二烷基苯磺酸鈉（g/L） 0.05-2 pH 2.5-3.3 溫度（℃） 20-25 電流密度（A/dm2） 5.5 陽極 石墨 攪拌 需要 注：各藥品作用： 1) 氯化鉻：主鹽，提供鉻離子 2) 甲酸鉀：絡合劑，與主鹽形成絡合物

18、。 3) 氯化鉀、氯化銨：導電鹽，增加溶液導電性。 4) 硼酸：緩沖劑，調(diào)節(jié)溶液pH值。 5) 醋酸鈉：改善配位環(huán)境，降低水解作用，抑制灰綠色沉淀。 6) 溴化銨：抑制三價鉻離子被氧化為六價鉻離子。 7) 十二烷基苯磺酸鈉：潤濕劑，改善鍍層性能。 10、鍍層檢測 10.1鍍層厚度 由于本電鍍工藝采用多層電鍍，故使用電解法進行厚度測量。電解法是在精確限定膜層表面積的情況下，以恒定電流將被試樣品作為陽極至于專用電解液中進行電解。以電壓的突然變化，確定電解終點。 使用儀器：DJH-E型電解式測厚儀 10.2鍍層硬度 本次工藝的硬度測量選用維氏顯微硬度。維氏顯微硬度測量使用兩

19、對面夾角α為136°的金剛石四棱錐體壓頭。壓頭在試驗力作用下壓入試樣鍍層表面或剖面，保持一定時間后卸除試驗力，在樣品上獲得正方體錐形壓痕，計算得到顯微硬度值。 使用儀器：HV-1000CCD 自動測量顯微維氏硬度計 10.3鍍層附著力 本次工藝附著力測量選擇沖擊試驗法。將試樣放在專門沖擊試驗機上，用20mm鋼球，在一定高度向試樣沖擊，經(jīng)一定沖擊次數(shù)后，鍍層應不分層，不剝離。 使用儀器：沖擊試驗機 10.4鍍層耐蝕性 采用醋酸鹽霧實驗法。試驗用醋酸鹽霧采用化學純冰醋酸配置，pH值3.0-3.1，噴霧收集液pH為3.2±0.1。 11、工藝卡片 12、車間平面圖 14 谷風書苑#