牙盘表面工程设计.docx

1、牙盘表面工程设计自行车牙盘电镀镍-铬层工艺设计1、零件 22、服役条件 33、性能要求 34、材料选择 35、工艺选择 46、技术要求 57、工艺流程 58、工艺分析 69、工艺配方及参数 910、镀层检测 1111、工艺卡片 1212、车间平面图 131、零件:自行车牙盘图一 零件实体图图二 零件草图2、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3.1耐腐蚀：在牙盘运作时，

2、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 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、

3、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。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

4、会达到洛氏硬度（HRC）5060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

5、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

6、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。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

7、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、技术要求镀镍层厚度：6m镀铬层厚度：8m7、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8.1电镀原理 电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属

8、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-Ni8.1.2镀铬原理阴极反应: 2H+2eH2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

9、放电析出金属铬： CrO42+4H2O+6eCr+8OH阳极反应：2H2O4e-O2+4H+ Cr2O3+4H2O6eCr2O72-+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。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

10、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

11、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，

12、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

13、-1.01,4-丁炔二醇（g/L）0.4-0.5十二烷基硫酸钠（g/L）1pH4.0-4.6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

14、阳极过腐蚀或不规则溶解，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

15、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）49十二烷基苯磺酸钠（g/L）0.0

16、5-2pH2.5-3.3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，

17、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，喷雾收集液pH为3.20.1。11、工艺卡片12、车间平面图