表面工程课程设计98405.docx

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表面工程课程设计98405

JIANGSUUNIVERSITY

现代表面工程课程设计

学院名称：

专业班级：

姓名：

学号：

指导老师：

2015年1月

一、零件1

1.1零件名称1

1.2零件尺寸1

二、服役条件1

2.1服役环境1

2.2用途1

2.3工作原理1

三、性能要求2

3.1耐腐蚀2

3.2耐磨2

3.3轻质2

3.4强度大2

3.5价格适中，使用周期长2

四、工艺选择2

4.1材料选择2

4.2毛坯加工工艺选择3

4.3工件表面处理工艺选择4

五．工艺分析6

5.1电镀原理6

5.2镀铬时的电极反应6

5.3镀铬的工艺流程7

5.4镀铬的工序7

5.5注意事项10

六、镀层性能测试11

6.1电镀层外观检测11

6.2结合力试验11

6.3气孔率的测定11

6.4电镀层厚度的测量12

6.5膜层硬度测试12

6.6防锈测试12

6.7耐磨测试12

6.8镀层内应力的测试12

七、工艺卡片12

八、工艺车间平面图14

双用扳手表面镀铬设计

一、零件

1.1零件名称：

双用扳手

图1零件实物图

1.2零件尺寸

图2零件尺寸图

二、服役条件

2.1服役环境：

普通大气环境或油污环境

2.2用途：

扳手的主要用途是用来拧紧或旋松螺钉、螺母

2.3工作原理：

利用杠杆原理拧转螺栓、螺钉、螺母和其他螺纹紧持螺栓或螺母的开口或套孔固件的手工工具。

扳手通常在柄部的一端或两端制有夹柄部施加外力柄部施加外力，就能拧转螺栓或螺母持螺栓或螺母的开口或套孔。

使用时沿螺纹旋转方向在柄部施加外力，就能拧转螺栓或螺母。

三、性能要求

扳手是一件生活中常见的工具，其用途十分广泛，工厂中零部件的装配，汽车的维修，生活中小物件的加固，都需要用到扳手，我们所介绍的扳手是运用在工厂车间的扳手，工厂的条件决定了它必须具有如下特点：

3.1耐腐蚀

我们平常的加工车间油污较重，对扳手的腐蚀加剧，加速扳手的生锈，所以必须要具有耐油不易生锈的特点。

3.2耐磨

扳手的用途决定了其必须具备常温耐磨的特点。

3.3轻质

扳手主要是由人工操作，轻质的特点可以让工人工作起来更省力，工作效率更高。

3.4强度大

扳手有时会受到较大的力，必须具备较大的强度。

3.5价格适中，使用周期长

工具的价格太高，使用周期太短会给工厂带来诸多不便，所以要从客户角度出发，研究出材质廉价，使用寿命长的工件。

四、工艺选择

4.1材料选择

铬钒钢：

化学符号CR-V，是钢材中质量较好的　

碳钢：

质量一般，市面流通的较多

目前市面上主要流通的是用45钢材料制作的，也有少部分用50钢制作，稍微高端点的采用40CrV,50CrV。

铬钒钢在硬度和耐磨、耐腐蚀性能都比碳钢好，同样制作工艺上讲要比碳钢更复杂，价格也很高。

为了我们的工具有更好的使用性能和性价比，我们可以采用比45钢价格略高，但是性能更好的40Cr钢。

铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，同时也提高钢的淬透性，使工件在后续热处理中获得更多的马氏体，提高工件的硬度。

综合以上，所以我们采用40Cr钢。

4.2毛坯加工工艺选择

4.2.1、毛坯加工工艺的选择

A、常见的毛坯加工工艺

常见的毛坯加工工艺有铸造和锻造。

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间。

铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压（锻造与冲压）的两大组成部分之一。

通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

铸造的优缺点：

优点：

1）生产成本低。

铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。

2）铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制。

3）可生产形状复杂的毛坯，特别适用于生产具有复杂的内腔的零件，节省切削加工工时，生产效率高。

缺点：

1）需用的材料和设备多。

2）铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染。

3）铸件质量不稳定，尺寸精度不高。

锻造的优缺点：

锻造改善金属的内部组织，提高金属的力学性能；生产率高；适用范围广；可以大大地节省金属材料和减少切削加工工时；但是，不能锻造形状复杂的锻件。

B、毛坯加工工艺的选定

我们现在所制作的扳手结构简单，尺寸较小，锻造工艺完全可以处理，所以我们采用锻造工艺来制作毛坯。

考虑到工件的尺寸较小结构简单我们采用整体锻造。

4.2.2毛坯的成件工艺

圆棒剪切下料→加热→辊锻机辊锻（制坯）→磨擦压力机锻造成形→切边→后序机加工→热处理→精磨→成件→表面处理

4.3工件表面处理工艺选择

在工件成型后，其表面多少还存在瑕疵，而且工件此时的表面性能也不能达到工件的性能要求，为了改善工件表面的结构，提高工件的表面性能，要对工件进行表面处理。

目前表面处理的方法有许多，主要有电镀，化学镀，热喷涂。

这三类在工业中的应用相当广泛。

4.3.1化学镀

化学镀也称无电解镀或者自催化镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。

化学镀有以下优点：

1）表面硬度高，耐磨性能好：

其表面硬度可在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

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

4.3.2电镀

电镀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。

电镀又分为许多种，我们在此只重点说电镀铬，经电镀铬处理后，模具、工件有如下优点：

1）表面平整、光洁、易于脱模，为保证产品之光洁、平整。

2）不会生锈，一点锈斑都不会有。

3）镀的过程中原零件变形小，表层镀铬后可增强硬度（HR65以上），耐高温达500℃、耐腐蚀、防酸、耐磨损。

4）如果零件尺寸不到位，可以通过加几c铬来达到尺寸。

5）根据产品之特点，达到视觉、立体的效果，确保产品的稳定的表面质量。

4.3.3热喷涂

热喷涂是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。

热喷涂的优点：

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。

热喷涂的缺点：

1）由于涂层与基体主要是靠机械结合（喷焊工艺除外），所以其与基体表面的结合强度较低，涂层自身强度一般不可能达到基体金属本身的强度。

2）涂层存在一定的气孔（喷焊工艺除外），这对于请求耐化学介质腐蚀的环境是不利的。

3）某些喷涂方法（特殊是等离子喷涂和喷焊工艺）会产生多种有害物质。

综合以上，根据我们的生产条件及工件性能要求，我们选择电镀这种表面处理方法，电镀主要有三种：

镀锌，镀钛及镀铬。

镀锌虽然廉价，工艺简单，但是其镀后的表面不耐磨，硬度也低，而且结合强度较低，膜层易脱落；镀钛价格太昂贵，而且工艺复杂，设备要求也高。

所以我们选择电镀铬这种相对经济而且镀后性能也很好的表面处理方法。

镀铬分为两种，一种是镀防护装饰铬，一种是镀硬铬。

镀硬铬价格高，膜层厚度太薄，镀后还需再加工，工艺繁琐复杂，一般常在高温条件下使用的机械采用的较多。

相比之下，前者既可以有很好的耐蚀性也很美观，因此我们选择镀防护装饰铬。

五．工艺分析

5.1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。

5.2镀铬时的电极反应

阴极反应：

镀铬时阴极析出氢气：

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：

在镀铬过程中阳极表面析出大量氧气:

2H2O-4e—→O2+4H+

此外部分三价铬被氧化成六价铬:

Cr2O3+4H2O-6e—→Cr2O72—+8H+

5.3镀铬的工艺流程

镀铬的工艺流程为：

抛光→除蜡→水洗→电解除油→水洗→酸洗→水洗→镀半光亮镍→水洗→光亮镍→水洗→镀铬→水洗→干燥→检验

5.4镀铬的工序

5.4.1抛光

抛光是在抛光机上进行的。

抛光轮采用较软材料（如棉布、麻布、丝绸等圆片）制成。

目的:

使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面。

镀铬用的抛光膏：

氧化铬73％，硬脂酸23％，油酸4％。

5.4.2除蜡

清除抛光时附着在表面的蜡油，为后续的除油做准备，用专用除蜡水进行除蜡。

5.4.3电解除油

表1电解除油液工艺规范

溶液组成与工艺条件

配方

氢氧化钠（g/L）

磷酸钠（g/L）

碳酸钠（g/L）

温度（℃）

电流密度（A/dm²）

时间（min）

电化学除油又称电解除油，是在碱性溶液中，以零件为阴极，采用镍板为第二电极，在电解液作用下将零件表面油污除去的过程。

电化学除油液与碱性化学除油液相似，但其主要依靠电解作用强化除油效果，通常电化学除油比化学除油更有效，速度更快，除油更彻底。

除油液中各组分的作用：

①氢氧化钠是除油溶液的主要成分，直接参与除油过程的化学反应。

②碳酸钠是除油溶液中的主要成分，碳酸钠溶于水后，即发生水解反应，生成的氢氧化钠与油脂发生皂化反应除去油污，碳酸钠在除油溶液中起到补充所消耗的氢氧化钠的作用，并对溶液的PH值起到缓冲作用（PH≤8.5时，皂化反应不能进行，PH≥10.2时，皂化物水解）。

③磷酸三钠的作用，一是水解，生产的氢氧化钠参与除油的皂化反应；二是磷酸三钠润湿性好，对油脂有一定的乳化作用，容易清洗干净。

5.4.4酸洗

目的:

除去金属零件表面上的氧化皮和锈蚀物。

酸洗液成分为20％稀硫酸，浸蚀1min。

5.4.5镀半光镍

镀装饰铬时需要在镀铬前先镀镍，以使镀层具有光泽附着性能更好。

表2半光亮镀镍工艺规范

溶液组成与工艺条件

配方

硫酸镍（g/L）

300

氯化镍（g/L）

硼酸（g/L）

DN-1（ml/L）

冰醋酸（ml/L）

1.5

十二烷基硫酸钠（g/L）

0.1

4.0

温度（℃）

电流密度（A/dm²）

3.5

搅拌

空气或机械

过滤

连续

先镀半光镍再镀亮镍。

镀半光镍后镀光镍，利用半光镍与光镍之间的电位差，可以将腐蚀的方式由纵向腐蚀转化成横向腐蚀。

在相同的总镍层厚度条件下，可以极大地提高镀层的耐腐蚀性。

5.4.6镀光亮镍。

半光镍与光亮镍区别是添加剂的添加量。

表3光亮镀镍工艺规范

溶液组成与工艺条件

配方

硫酸镍（g/L）

300

氯化镍（g/L）

硼酸（g/L）

糖精（g/L）

1.5

BN-816（ml/L）

十二烷基硫酸钠（g/L）

0.1

4.0

温度（℃）

电流密度（A/dm²）

4.0

搅拌

空气或机械

过滤

连续

5.4.7镀铬

将工件接在阴极，阳极采用铅棒，在电镀槽中进行电镀

表4镀铬工艺规范

溶液组成与工艺条件

配方

铬酐（g/L）

230

硫酸（g/L）

2.3

铬离子（g/L）

温度（℃）

电流密度（A/dm²）

镀液中各成分的作用：

①铬酐的水溶液是铬酸，是铬镀层的惟一来源。

铬酐的浓度对镀液的电导率起决定作用。

可知在每一个温度下都有一个相应于最高电导率的铬酐浓度；镀液温度升高，电导率最大值随铬酐浓度增加向稍高的方向移动。

因此，单就电导率而言，宜采用铬酐浓度较高的镀铬液。

酐浓度过高或过低都将使获得光亮镀层的温度和电流密度的范围变窄。

较浓的镀液主要用于装饰电镀，镀液的性能虽然与铬酐含量有关，最主要的取决于铬酐和硫酸的比值。

②催化剂为硫酸。

一般铬酸根与硫酸根离子的比例为100:

1，当催化剂含量过低时，得不到镀层或得到的镀层很少，主要是棕色氧化物。

若催化剂过量时，会造成覆盖能力差、电流效率下降，并可能导致局部或全部没有镀层。

③三价铬，镀铬液中Cr6+离子在阴极还原产生Cr3+，与此同时在阳极上重新被氧化，三价铬浓度很快达成平衡，平衡浓度取决于阴、阳极面积比。

Cr3+离子是阴极形成胶体膜的主要成分，只有当镀液中含有一定量的Cr3+时，铬的沉积才能正常进行。

因此，新配制的镀液必须采取适当的措施保证含有一定量的Cr3+。

为了保证Cr3+的浓度常用的措施有：

采用大面积阴极进行电解处理；添加还原剂将Cr6+还原为Cr3+，较为常用的是酒精（98%），用量为0.5ml/L；添加一些老槽液等。

5.5注意事项

①镀铬时，应先用是正常电镀时电流密度的1.5～2倍镀3～5分钟，然后再正常电流密度电镀，要尽量缩短各工序之间的过渡引起的停留时间。

②镀铬后应进行除氢处理，以减少孔隙，防止产生氢脆。

③一般镀层都需要进行钝化处理，镀铬层能在空气中形成致密的氧化膜，故不需要进行钝化处理。

④镀铬过程中，由于使用不溶性阳极，阴极电流效率又很低，致使大量氢气和氧气析出，当气体逸出液面时，带有大量的铬酸，形成铬雾造成严重的污染。

可以在镀液中加入泡沫抑制剂抑制铬雾的形成。

⑤工件在镀前应进行预热处理。

六、镀层性能测试

6.1电镀层外观检测

金属零件电镀层的外观检验是最基本，最常用的检验方法。

外观不合格的镀件就无需进行其它项目的测试。

检验时用目力观察，按照外观可将镀件分为合格的、有缺陷的和废品三类。

外观不良包括有孔针、麻点、起瘤、起皮、起泡、脱落、阴阳面、斑点、烧焦、暗影、树枝状和海绵状沉积层以及应当镀覆而没有镀覆的部位等缺陷。

6.2结合力试验

镀层结合力是指镀层与基体金属的结合强度，即单位面积的镀层从基体金属上剥离所需要的力。

这是表面处理中得到的镀层的最重要指标。

镀层结合力不好，多数原因是镀前处理不良所致。

另外，镀液成分与工艺规范不当或基体金属与镀层金属的热膨胀系数悬殊，均对镀层结合力有明显的影响。

评定镀层与基体金属结合力通常采用定性方法。

可以用划痕实验,即百格实验，具体做法是用刀片在事件表面划出百格，再用胶纸3m胶纸粘贴，然后用橡皮擦在胶纸上面来回摩擦数十次，使其完全贴密后，撕开胶纸，胶纸与试件表面成45°角迅速斜拉。

标准：

试件经百格测试，镀层不掉不脱，不起泡为结合力合格。

6.3气孔率的测定

表5测定气孔率使用的溶液

溶液组成

配方

铁氰化钾（g/L）

氯化钠（g/L）

氯化铵（g/L）

注意：

此溶液应保存在暗处，如出现明显分层或浑浊时，则不能使用。

气孔的测定应在镀后30～40min内进行。

测定方法：

用酒精将测定的地方仔细洗净油污，将浸有上述溶液的滤纸贴上，经5～10min，如滤纸上出现蓝色的小点，说明铬层上有气孔。

标准：

将带有气孔痕迹的滤纸放在清洁的玻璃上，在10mm2的铬层上有3～5个气孔即为合格。

6.4电镀层厚度的测量

镀铬层厚度并无国家标准,一般防护—装饰性铬的厚度为20~30μm，我们采用荧光膜厚仪x-ray检测。

6.5膜层硬度测试

硬度是镀层重要机械性能之一。

硬度测试用硬度计测试（HV、HRC等）或H级硬度的铅笔以45°角1mm/s的速度500N的力向前推进，擦拭干净后不出现划痕为合格。

试件经铅笔划过镀铬层不可能有划痕，硬度在400-1200HV范围内。

6.6防锈测试

采用中性盐雾试验（NSS试验），试验方法按照GB/T10125进行。

用盐雾测试机（室温35°，氯化钠溶液5％的浓度，ph值为6.5~7.2，喷雾的压力1.3~1.5cm2）进行试验，试件8小时不起红绣为合格。

6.7耐磨测试

表面的耐磨有助于延长扳手的使用寿命。

节省工厂的投入。

试验方法：

用数层布包住砝码（500g/cm2）在试件表面上用力来回擦拭50次。

标准：

镀铬层不变色、不脱层和露地面为合格

6.8镀层内应力的测试

镀层内应力是指在没有外在载荷的情况下，镀层内部所具有的一种平衡应力。

这种应力是在电镀过程中受到一些沉积因素的影响，引起金属晶格缺陷所致。

用来测量镀层宏观应力的方法有x射线衍射法。

七、工艺卡片

厚度为20~30μm，硬度达到400HV

抛光→除蜡→水洗→电解除油→水洗→酸洗→水洗→镀半光亮镍→水洗→光亮镍→水洗→镀铬→水洗→干燥→检验

零件图

技术要求

备注

无

双用扳手

40Cr钢

设备

除油槽

酸洗槽

直流电源，电镀槽

清洁玻板

时间

5~10min

1min

30min

3.5~4.5h

10min

产品

材料

江苏大学表面技术工艺卡片

工艺路线

温度/℃

常温

工艺

电解除油

酸洗

半光亮镀镍

光亮镀镍

镀铬

测定气孔率

序号

①

②

③

④

⑤

⑥

八、工艺车间平面图

图3车间平面图

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