石磊 *,王光明,許峰源,張琦,張明曉,石勇
(1.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟南 250101; 2.濟南浩金表面技術(shù)有限責任公司,山東 濟南 250101;3.濟南世紀金聲科技有限公司,山東 濟南 250101)
20 鋼套環(huán)是貨運火車車廂上重要的零部件,大量應(yīng)用在車廂制造中。20 鋼套環(huán)電鍍前經(jīng)過熱處理,表面存在大量氧化層和銹蝕痕跡。采用一般方法對20 鋼套環(huán)表面進行電鍍,耗時長,鍍層厚度不均勻,結(jié)合力
不好,表面易起皮。針對這些問題,必須尋找一種鍍液分散能力和覆蓋能力好,所得鍍層與基體結(jié)合力好的滾鍍工藝。
基體20 鋼套環(huán)的長為2.75 cm,下部外徑、內(nèi)徑分別為3.42 cm、1.92 cm,上部外徑、內(nèi)徑分別為3.14 cm、1.92 cm。為解決上述問題,在查找電鍍工藝缺陷的同時,還對20 鋼套環(huán)基體進行檢測,其外觀照片和金相組織見圖1。
圖1 20 鋼套環(huán)的外觀和金相組織Figure 1 Appearance and metallograph of 20 steel ring
從圖1可看出,20 鋼套環(huán)主要由鐵素體和碳化物組成,碳化物呈鏈條狀,邊緣部分存在一定的托氏體。大量碳化物的存在使20 鋼套環(huán)不易上鍍[1]。
本文采用一種覆蓋能力和分散能力良好的滾鍍鋅工藝,并配合三價鉻鈍化工藝,符合環(huán)保電鍍的要求。
滾鍍鋅工藝流程為:滾光─水洗─上件─活化─水洗─滾鍍鋅─水洗─出光─水洗─三價鉻鈍化─熱水洗─熱風甩干─浸蠟。
20 鋼套環(huán)放入滾光桶中,加入一定數(shù)量的直徑約為套環(huán)內(nèi)緣半徑的鋼球,再加入適量體積分數(shù)為50%的鹽酸溶液,加入少量緩蝕劑,滾光處理約15 min,表面呈銀白色,光澤度較好。
將滾筒放入盛有體積分數(shù)為3%~5%的鹽酸溶液的活化槽中,活化2~8 s,水洗后滾鍍鋅。
氯化鋅 65~70 g/L
氯化鉀 210~220 g/L
硼酸 30~40 g/L
BH-51 柔軟劑 20~40 mL/L
BH-51 光亮劑 1~3 mL/L
θ30~40 °C
pH 4.8~5.6
Jk3.0~5.0 A/dm2
裝載量 30~40 kg
滾筒轉(zhuǎn)速 7~8 r/min
t25~35 min
BH-51 柔軟劑和BH-51 光亮劑由廣州二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn)。該配方取自鉀鹽鍍鋅配方的高限,目的是使鍍液具有更好的分散能力和導(dǎo)電性,縮短電鍍時間。
將滾筒浸入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的稀硝酸出光槽中,保持2~5 s,水洗后鈍化。
硝酸鉻 20~60 g/L
檸檬酸鈉 35~65 g/L
鈷鹽 24~44 g/L
θ室溫
pH 1~3
t8 s
硝酸鉻是形成鋅鉻氧化物鈍化膜的主要成分,構(gòu)成了鈍化膜的“骨架”,使膜層呈藍白色。檸檬酸鈉為配位劑,控制成膜速率和鈍化液穩(wěn)定性[2]。鈷鹽的主要作用是調(diào)整鈍化膜的外觀與耐蝕性。鈍化后洗凈,于60~70 °C 下熱風甩干。
石蠟加熱至60~65 °C,將電鍍好的20 鋼套環(huán)放入涂覆桶,在離心力作用下使套環(huán)表面形成一層蠟?zāi)?,目的是提高鍍層的耐蝕性和減少摩擦力,便于裝配。
采用JSM-6380LA 型電子掃描電鏡(日本電子公司)測定鍍鋅層厚度[3],圖2為放大1 000 倍的截面照片。
圖2 鋅鍍層厚度的測定Figure 2 Measurement of Zn coating thickness
從圖2看,套環(huán)外壁的鍍鋅層厚度為15~16 μm,套環(huán)內(nèi)壁的鍍鋅層厚度為5~6 μm,達到GB/T 9799-1997《金屬覆蓋層 鋼鐵件上的鋅電鍍層》的要求,且厚度均勻。
附著力測試采用GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強度試驗方法評述》中的剝離試驗和劃痕試驗。剝離試驗為:采用25 mm 寬、附著力為8 N 的纖維膠帶(3M 公司8934 測試膠帶810#),用2 kg 的輥子貼于試驗的鍍鋅層上,排除所有氣泡,間隔10 s 后,在膠帶上用一個垂直于鍍鋅層表面的穩(wěn)定拉力將膠帶拉去,未發(fā)現(xiàn)鍍層從基體剝落,表明鍍鋅層與基體的結(jié)合力較強。劃痕試驗為:采用30°銳刃的硬質(zhì)鋼劃刀,在試樣表面劃6 條間距均為2 mm 的平行線,在劃平行線時,以足夠的壓力一次刻線即穿過鍍鋅層直至基體,未發(fā)現(xiàn)有鍍鋅層從基體脫落,表明鍍鋅層與基體結(jié)合緊密。
顯微硬度測試按GB/T 9790-1988《金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗》。將鍍件置于溫度為(23 ± 5) °C 的環(huán)境中,在鍍鋅層斷面上施加標準試驗力0.245 N,試驗力保持時間10~15 s,測得套環(huán)外壁鍍層的硬度為163.0 HV、154.4 HBW,內(nèi)壁鍍層的硬度為152.8 HBW。
按GB/T 9799-1997《金屬覆蓋層 鋼鐵件上的鋅電鍍層》的要求和GB/T 5926-1986《輕工產(chǎn)品金屬鍍層和化學(xué)處理層的外觀質(zhì)量測試方法》所述方法檢測鍍層外觀。具體為:將鍍件放在光線充足或等同60 W日光燈的照明條件下,距離工件30 cm 進行觀察,未發(fā)現(xiàn)鍍層有起泡、孔隙、粗糙、裂紋或局部漏鍍現(xiàn)象。
鹽霧試驗按GB/T 10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》中的中性鹽霧試驗進行。結(jié)果顯示,試驗96 h,鍍層未出現(xiàn)腐蝕點。這表明20 鋼套環(huán)表面的鍍鋅層較緊密,厚度均勻,有效發(fā)揮了其防止腐蝕的功能。
鍍鋅層與基體結(jié)合緊密,表面無起泡、孔隙、粗糙、裂紋或局部漏鍍現(xiàn)象,外觀符合國家規(guī)定的相關(guān)標準,硬度、耐腐蝕達到使用要求,使用三價鉻鈍化符合環(huán)保要求。本工藝適用于20 鋼套環(huán)的表面處理,解決了20 鋼套環(huán)不易上鍍的問題。
[1]曾華梁.電鍍技術(shù)問題對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:172-175.
[2]曹立新,石金聲,石磊,等.電鍍?nèi)芤号c鍍層性能測試[M].2 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.
[3]鄭凱,韓玉華,胡曉輝,等.鑄鋼件表面鍍鋅層的質(zhì)量評價[J].電鍍與精飾,2011,33 (11):8-10,21.