凸轮轴的磷化及工艺

发布时间：2012-06-27 浏览次数：587

作者：张绪成　张新永　吴新文
（莱芜凸轮轴总厂）

　　摘　要：介绍凸轮轴的磷化工艺。经该工艺处理后的轮轴工作表面具有较好的吸附润滑油能力，可有效地隔离凸轮、摇臂摩擦副二金属表面，抑制金属间粘连、提高初期磨合性能及使用寿命。
　　关键词：凸轮轴；锰盐磷化；工艺
　　我厂1994年底开始试制生产CG125，GY6摩托车发动机凸轮轴，当时经主机厂试验有10%左右的凸轮挑尖部位出现严重磨损，后经分析认为，此问题的产生主要是摇臂与凸轮工作表面加工粗糙度高，工作时接触面易产生相对较高的应力，油膜不易形成，使金属与金属直接接触产生局部发热，随着凸轮轴转速的增高温度升高，从而导致金属表面粘连、拉毛，出现早期擦伤和磨损。
　　为解决凸轮工作表面的油膜保持性差及早期磨损问题，我们借鉴国外轿车发动机凸轮轴表面磷化的经验，与丹东天龙化学工业公司合作，对凸轮轴进行了锰盐磷化处理。磷化后在工作表面形成0.01mm左右的磷化膜，膜重约15～20g/m²，其主要成分是磷酸锰铁(Mn，Fe) 5，H₃(PO₄)₄.4H₂O，底层为氧化亚铁和磷酸亚铁。此磷化膜是1种高弥散度的微孔结构，具有较好的吸附润滑油的能力。磷化后的凸轮轴经主机厂试用证明，它能有效地隔离凸轮、摇臂摩擦副二金属表面，抑制金属间粘连，改善凸轮、摇臂摩擦副二金属表面，抑制金属间粘连，改善凸轮、摇臂初期磨合性能，提高抗擦伤能力，根除了凸轮轴的早期磨损 ，达到了预期的目的。
　　凸轮轴的磷化工艺
　　凸轮轴磷化工艺流程如下：
　　脱脂→水洗(溢流)→中和水洗(溢流)→磷化→磷化后处理。
　　1　脱脂
　　由于生成磷化膜的化学反应完全决定于磷化液与金属表面的良好接触，所以要得到质量良好的磷化膜，金属表面在磷化前必需进行脱脂处理，把浊脂、脏物等杂质彻底清洗干净，以保证磷化液能与金属表面有良好有接触，充分润湿金属表面。
　　1)脱脂处理液的配制(按1000L计)。先将水加到处理槽的8成，加热约至40℃时，慢慢地加入20～50kg脱脂剂MD-130，边搅拌边溶解；然后加入余量的水至1000L并进行搅拌； 将脱脂处理液加热到规定的温度，再确认游离碱度。
　　2)处理条件。游离碱度9～10Pt，温度50～65℃，时间20～30min。
　　3)补充和调整。由于连续处理过程中浓度不断变化，所以要定期测定浓度，经常保持在所规定的浓度范围内，以确保脱脂效果。一般补加脱脂剂MD-130，120kg可提高游离碱度约1点。
　　脱脂液经长期使用，脱脂液变污浊脱脂能力减弱，脱脂性能老化，即使补加脱脂剂，也不会达到满意的效果，应废弃糟液更换新液。
　　4)检验方法。取10mL脱脂处理液用吸管吸到200mL的三角烧瓶里，加50mL蒸馏水，2～3滴指示剂酚酞。用0.1N硫酸滴定液滴定，颜色从粉红色到无色为终点，所消耗滴定液的毫升数即为游离碱的点数。
　　5)脱脂效果的评价方式——水膜试验法。金属零件经脱脂、清洗、水洗、浸酸、充分水洗，30s滴除多余水分后，如果金属表面能保持1层均匀连续的水膜，就表示油脂已清洗干净。反之，如果金属表面的水膜不连续，呈斑块状，就表明还有残余油脂，需重新进行脱脂处理。
　　2　水洗
　　采用喷液法进行水洗。清洗槽应有溢流装置，以保持清洗水不断流动更新，使水所含杂质不超过允许范围。应保持清洗水的碱度低于1.5点(50mL试液，用0.1N标准碱溶液滴定，标准碱溶液消耗量应不大于1.5mL)。
　　3　中和水洗
　　1)采用浸液法进行酸洗。酸洗剂配方(各组分含量以重量百分计)为：磷酸70，非离子型混润剂(用乙二醇一丁基醚)5，水25(在稀释前)。
　　　酸洗操作条件：浓度60～120g/L，温度55～6500℃，时间30s。
　　2)水洗。水洗要求同2。
　　4　磷化
　　1)采用浸液式方法进行磷化处理。使用药剂为磷化液DF-3107A初添液(配槽使用)，中和剂NH-4508，磷化液DF-3107B补充液，双氧水H₂O₂。磷化槽为不锈钢或碳钢制(内衬防腐衬里)。检验用药品及仪器：指示剂酚酞、甲基橙或溴酚兰；滴定液0.1NNaOH，0.1NKMnO₄，50%HSO₄；50mL滴定管；10mL移液管；200mL三角烧杯。
　　2)磷化工作液的配制方法(按1000L计)。先将清水加到处理槽内的8成，然后加清水至1000L，并加铁粉和碎铁片20kg；加热至90℃，40min后取出铁粉，再加适量的中和剂NH-4508进行调整酸度，确认至工作标准；加温到所规定的温度，并确认总酸度和游离酸度。
　　3)工作条件。游离酸度(FA)：5～8Pt；总酸度(TA)：50～55Pt；Fe：0.1～0.3Pt；温度 95～98℃；时间5～15min。
　　4)补充和调整。①总酸度：由于连续处理过程中浓度不断变化，所以要定期测定浓度，经常保持在所规定的浓度范围内。一般为了提高总酸要补加DF-3107B液，但是由于偶发性的遗漏和溢出使处理损失时，加水后测定总酸度，添加DF-3107A调整总酸度。②游离酸度：游离酸度小于规定标准以下，这时要添加DF-3107B液来调整。游离酸度大于规定标准以上，添加中和剂NH-4508来调整(一般添加130g中和剂NH-4508可降低游离酸度约1Pt)。③铁离子Fe²⁺高于规定标准，要添加双氧水除去多余部分的Fe²⁺，(每吨磷化处理工作液加入35%的双氧水0.6kg，可除去0.05Pt的铁)。
　　5)检验。①游离酸度：用吸液管移取10mL磷化处理工作液至三角烧瓶中，加50mL蒸馏水，加2～3滴甲基橙或溴酚蓝指示剂，用0.1NNaOH滴定至转变为橙黄色或蓝紫色即为终点。②总酸度：用吸管移取10mL磷化处理工作液至三角烧瓶中，加50ml蒸馏水，加5～6滴酚酞指示剂，用0.1NNaOH滴定，颜色由无色变为粉红色即为终点。③Fe²⁺浓度：取10ml磷化处理液置于200mL三角烧瓶中，加50mL蒸馏水，10～22滴50%硫酸，用0.1NKMnO₄滴定至粉红色保持10s不变为终点，每消耗1mL0.1NKMnO₄滴定液，指示含有0.1Pt铁。
　　5　磷化后处理
　　1)水洗。凸轮轴磷化后必须充分洗除残存于磷化膜的化学药品及其它杂质，以免引起凸轮轴的锈蚀。水温应在21～49℃，水温过高有可能使残存的化学药品粘附在磷化膜上，使磷化膜粗糙，外观发白，抗蚀性能降低。具体方法为：①采用喷液法进行水洗，除去杂质；②清洗槽应有溢流装置；③清洗水的使用条件，保持清洗水酸度低于1.5点。
　　2)干燥。干燥是磷化后处理的1个重要环节，干燥过程会影响磷化膜的抗蚀性能，磷化膜结晶部分脱水后，比刚干燥时的抗蚀性能好些。具体方法为：用暖风吹干零件表面水分(温度100～130℃)。
　　3)涂防锈油。
　　磷化膜质量评价方法：
　　1. 磷化膜外观用肉眼检查。整个金属表面应该为磷化膜覆盖，磷化膜的厚度应足以完全保护金属表面，检查时可将金属浸于水中，磷化膜未覆盖的地方就会露出金属光泽。表面不应存在大结晶聚集点、污点、锈蚀点等。磷化膜是浅色或深灰色。以指甲用力划磷化膜后，应在表面出现白色的划痕，但不应对磷化膜造成肉眼可见的损伤。
　　2. 磷化膜成分的测定。用适当溶剂把磷化膜从金属表面溶解下来，再用原子吸光谱或化学分析法测定各种离子的含量。
　　3. 膜厚测定。一般用磁性测厚仪测定，也可按ISO1463-1982用金相显微镜测定局部磷化膜断面的厚度。
　　4. 磷化膜的磨损特性。可以用四球试验测定。