1 引 言在高速或中速、重载且对轴的旋转精度要求较高,径向误差较小情况下,对硬度较高的碳 钢或合金钢轴来说,要求与其相配的轴瓦抗胶合和抗磨损的能力较强,应具有好的减摩性和耐磨性 。针对这种场合,传统的轴瓦材料一般采用在钢质轴瓦的内侧浇铸一层锡基或铅基轴承合金,也即巴氏合金,如ZChSnSb116、ZChPbSn10 15。前者以锡为基体,加入适量的铜和锑;后者以铅为基体,加入适量的锡、锑和铜。这样,锡或 铅的软基体上便能生成分散均匀的合金硬质点。轴承运转后,锡或铅的软基体因磨损而凹陷,承受 冲击和振动;硬质点因耐磨而突出,承受载荷,它们的空隙可用来储油以减少磨损。这两种合金都 具有较好的跑合性、耐磨性和抗胶合性,但合金强度不高,价格较贵,工艺复杂、设备投入较大。 而在轴瓦基体上镀上一层0.015～0.04mm的轴承合金,不但设备投入较少,而且后续机 械加工较少,甚至不用再精镗。所以电镀轴承合金大量被采用。传统铅锡轴瓦镀层能起到减摩的作 用,但由于强度低只能用于载荷较低的场合<1>。目前,已对PbSnCu合金镀层做了大量的 研究<3-9>。在铅锡合金中加入铜,可以起到强化基体的作用,镀层的硬度可以从8～10H V提高到13～15HV<3>,从而提高了轴瓦的耐磨性。但是,在没有锑加入的情况下,它不 能形成Cu2Sb硬质点,不能更进一步地提高轴瓦耐磨性能。由此作者研制了PbSnSb三元 合金镀层,该镀层在铅的软基体上形成了SbSn硬质点,达到了轴承合金软基体、硬质点的要求。2 试样制备与试验方法2.1 试样制备钢背铜基体轴瓦工艺为:LT83清洗剂脱脂→冷水洗→1%硫酸中酸洗→冷水洗→去离子水洗→放入阳极→镀铅锡锑合金→取出工件→冷水洗。铝合金基体轴瓦工艺为:LT 83清洗剂脱脂→冷水洗→50%硝酸中酸洗→冷水洗→一次浸锌→冷水洗→50%硝酸中退镀锌→ 冷水洗→二次浸锌→冷水洗→镀镍→冷水洗→去离子水洗→放入阳极→镀铅锡锑合金→取出工件→ 冷水洗。·72·2005年1月Materials for Mechanical Eng ineeringJan.2005镀液配方:氟硼酸铅Pb(BF4)2(游离),浓度为10 0～180g/L;氟硼酸亚锡Sn(BF4)2(游离),浓度为20～60g/L;酒石酸锑 钾C4H4KO7Sb·1/2H2O,浓度为15～20g/L;氟硼酸HBF4(游离),浓 度为70～120g/L;硼酸H3BO3,浓度为15～20g/L;氢氟酸HF(游离),浓 度为6～10g/L;对苯二酚C6H4(OH)2,浓度为1～3g/L;白明胶,浓度为2～ 4g/L。施镀条件:溶液温度为18～35℃,阴极电流密度为1～2A/dm2,阳极用一定比例的铅锡合金棒,施镀时间60～90min。2.2 试验方法用岛津EPMA1600型电子探针显微分析仪进行镀层成分分析与表面形貌观察;用仪器所带的能谱仪分析镀层成 分;利用二次电子像观察表面形貌。用理学3015升级型X射线衍射仪分析镀层的相结构。用螺 旋测微器分别测量轴承尺寸。3 结果与讨论3.1 主盐离子浓度对镀层成分的影响采用本工艺 ,在不同主盐离子浓度条件下,得到了成分含量不同的镀层,能谱分析的结果为,镀层含铅62% ～92%,含锡4%～21%,含锑4%～17%。不同基体上的涂层基本一样。3.1.1 铅 离子浓度对镀层成分的影响由图1可知,随着铅离子浓度的增加,镀层中铅的含量越来越多,锡和 锑的含量越来越少。图1 铅离子浓度对镀层成分的影响Fig.1 EffectofPb2+ concentrationoncompositionofcoating3.1.2 锡离 子浓度对镀层成分的影响由图2可知,随着锡离子浓度的增加,镀层中铅的含量越来越少,而锑的 含量在开始时缓慢增加,跨过一个最高点以后才逐渐下降。这说明溶液中锡离子的浓度对镀层中锑 的含量影响较大,锡离子与锑离子的协同因素较强。3.1.3 锑离子浓度对镀层成分的影响由 图3可知,随着锑离子浓度的增加,镀层中锑图2 二价锡离子浓度对镀层成分的影响Fig.2 EffectofSn2+concentrationoncompositionofco ating图3 锑离子浓度对镀层成分的影响Fig.3 EffectofSb2+conc entrationoncompositionofcoating的含量也越来越多,铅和锡 的含量越来越少。但是,当锑离子浓度达到约18g/L以后,镀层中锑的含量急剧上升,铅的含 量直线下降。所以,要想得到一定比例的合金,酒石酸锑钾必须控制在15～20g/L。3.2 镀液其它成分对镀层的影响足量的氟硼酸能保持阳极的正常溶解,提高溶液的电导率,使镀层较 为细致,不利于枝晶的生成,同时可以防止二价锡的水解,稳定镀液成分。所以氟硼酸的含量不能 过低,应大于70g/L。硼酸的多少对镀层成分没有明显的作用,主要是用来稳定氟硼酸,防止 挥发水解生成氟化氢,从而生成氟化铅沉淀。但是过多的将会结晶析出。因此最好是在溶液中吊一 个硼酸袋。不加胶或者胶含量较少,镀液分层,镀层结晶较粗,生成较大枝晶,均镀能力极差。胶 含量太多,镀液变得粘稠,镀层发脆。所以,必须保证2～4g/L的胶含量。胶易分解,分解产 物会污染镀液,使镀层发黑,须定期用活性炭处理,过滤后从新加入。做为抗氧化剂,对苯二酚能 有效地防止二价锡的氧化。因为氟硼酸酸性较强,镀液pH值在2以下,镀层容易氧化,而对苯二 酚的加入能显著减少镀层的含氧量,并有细化晶粒的作用。氢氟酸的作用是防止酒石酸锑钾水解沉 淀。3.3 镀层表面形貌图4、图5为电子探针显微分析仪二次电子成·82·像观察到的表面 形貌。其中,图4镀层较为均匀,晶粒尺寸在2～3μm,图5镀层晶粒尺寸小于2μm。3.4 镀层结构由图6可见,镀层组织由Pb和SbSn化合物组成,经粉末衍射卡片检索知,SbS n化合物为六方晶系,密度为13.830g/cm3,参考硬度为110HB,在镀层中作硬质 点。镀层基体相为铅(或以铅为基的固溶体),密度为11.341g/cm3,参考硬度为30HB,在镀层中作软基体。3.5 镀层厚度用螺旋测微器分别测量轴承镀前与镀后尺寸,在不同的电流密度和电镀时间下可得到厚度在002～0.08mm镀层。4 实际应用由试验工艺可得到含铅62%～92%,含锡4%～21%,含锑4%～17%结晶细致的Pb Sn Sb三元合金镀层,镀层成分组织可根据轴瓦的使用条件要求确定。厚度可在0.02～0.08m m范围内,结合力图4 镀层含量Pb77Sn13Sb10表面形貌Fig.4 Surfac emorphologyofPb77Sn13Sb10coating图5 镀层含量Pb92 Sn4Sb4表面形貌Fig.5 SurfacemorphologyofPb92Sn4S b4coating图6 Pb77Sn13Sb10镀层的XRD谱Fig.6 XRDpat ternofPb77Sn13Sb10coating良好,达到了JB/T9763-199 9“内燃机精密电镀减摩层轴瓦”相关检验标准。目前,该工艺已应用于云南内燃机厂的4100 KB柴油机曲轴连杆轴瓦,首批零件行程已达2～3万km。5 结 论金,可节约大量贵重的锡 和锑,在满足产品要求的同时降低了产品成本。电镀铅锡锑巴氏合金@周卫铭$昆明理工大学材料与冶金学院!云南昆明650093
@郭忠诚$昆明理工大学材料与冶金学院!云南昆明650093
@龙晋明$昆明理工大学材料与冶金学院!云南昆明650093
@徐瑞东$昆明理工大学材料与冶金学院!云南昆明650093电镀;;铅锡锑;;轴瓦介绍了在 铜基体和铝合金基体上电镀铅锡锑三元合金的工艺条件、镀液组成及其电镀参数。得到了含锡4%～21%,含锑4%～17%结晶细致的PbSn Sb三元合金镀层,可代替传统价格昂贵的整体浇铸式轴承合金,节约了耐磨轴瓦的材料成本和加工成本。<1> 李英铎.轴瓦镀铅锡实践
.电镀与精饰,1994,(5):26-28.
<2> 吴文俊.滑动轴承减摩层的电镀新工艺.内燃机配件,2002,(5):19-24.
<3> 姜晓华,陈伯贤.轴瓦镀层电镀技术的研究与应用.机电工程技术,2002,31(3):27-28.
<4> 薛伯生.轴瓦电镀Pb Sn Cu三元合金工艺的优化.电镀与环保,2000,20(1):8-10.
<5> 秦胜毅.AlSn6Cu轴瓦三元电镀工艺的研制.内燃机配件,1998,(1):32-35.
<6> 朱清国,潘金林,翟晓星.铝锌轴瓦镀铅锡二元合金工艺的研究与应用.内燃机配件,1997,(3):8-11.
<7> 岳欣.谈汽车轴瓦电镀工艺的发展.汽车工厂设计,1993,(2):36-40.
<8> 石重.铝锌合金轴瓦电镀铅锡二元合金工艺的研究.内燃机配件,1992,(2):31-40.
<9> 张金方.船用高锡铝轴瓦电镀Pb Sn合金.沪东技术情报,1990,(1):40-42.·92·降谋砻嫘蚊病Ｆ渲?图 4镀层较为均匀,晶粒尺寸在2～3μm,图5镀层晶粒尺寸小于2μm。3.4 镀层结构由图 6可见,镀层组织由Pb和SbSn化合物组成,经粉末衍射卡片检索知,SbSn化合物为六方 晶系,密度为13.830g/cm3,参考硬度为110HB,在镀层中作硬质点。镀层基体相 为铅(或以铅为基的固溶体),密度为11.341g/cm3,参考硬度为30HB,在镀层中 作软基体。3.5 镀层厚度用螺旋测微器分别测量轴承镀前与镀后尺寸,在不同的电流密度和电镀时间下可得到厚度在002～0.08mm镀层。4
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