劉群*,付明,杜楠
(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471003)
隨著空軍裝備的跨越式發(fā)展,在產(chǎn)品的制造過程中,某些零部件由于功能上的需求,需要在同一零件的不同部位進(jìn)行2 種或以上的表面處理。如某型號發(fā)射裝置上的液壓缸外筒(見圖1),其內(nèi)腔直徑75 mm處要求鍍硬鉻10~15 μm,內(nèi)腔其余部分要求發(fā)藍(lán),所有外表面要求鍍鎘8~12 μm,零件多處連接部位和內(nèi)槽也需要進(jìn)行發(fā)藍(lán)。
由于該零件的表面處理涉及多個(gè)不同鍍種,因此加工起來工步復(fù)雜、難度較大,且容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。加工時(shí)需要解決的主要問題是,如何避免在進(jìn)行下道工序時(shí)上道工序的鍍層被破壞而導(dǎo)致返工。另外,由于零件內(nèi)孔較深,鍍鉻區(qū)長度約290 mm,如何保證深孔鍍硬鉻的質(zhì)量也比較棘手。
圖1 某液壓缸外筒的多鍍種加工示意圖Figure 1 Schematic diagram showing multiple plating process for outer tank of a hydraulic cylinder
因此,此類在同一零件上進(jìn)行多種表面處理的加工,首先要根據(jù)鍍層的性能和保護(hù)的難易程度來確定處理順序,再認(rèn)真設(shè)計(jì)各工序的絕緣保護(hù)工裝和裝掛工裝。
由于此零件需要進(jìn)行鍍鉻、鍍鎘和發(fā)藍(lán)3 種表面處理,為避免在加工下一個(gè)鍍種時(shí)將上一鍍層破壞,需結(jié)合各鍍層的特點(diǎn)和加工難點(diǎn),從整體上考慮加工時(shí)保護(hù)的難易程度,以便合理安排3 個(gè)鍍種的加工順序。
1.1.1 各鍍種的特點(diǎn)及難點(diǎn)
1.1.1.1 鍍鉻
鉻是一種微帶天藍(lán)色的銀白色金屬。鉻層在大氣中能快速鈍化,在其表面形成一層致密的氧化層;能耐許多化學(xué)介質(zhì)腐蝕,在多種環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性,而且硬度高(維氏硬度可達(dá)800~1 100 HV)和耐磨性好。因此,鉻常作為防護(hù)–裝飾性鍍層和功能性鍍層而被廣泛使用。
目前所使用的鍍鉻工藝是以鉻酸為基礎(chǔ)、硫酸作催化劑的槽液,二者的體積比為100∶1,溶液呈酸性。工藝流程為:電解除油─裝掛、保護(hù)─硫酸活化─鍍鉻─除氫。
由于電鍍鉻槽液具有分散能力較差、陰極電流效率很低、陰極電流密度較高等特點(diǎn),故鍍鉻用掛具有較嚴(yán)格的特殊要求。為獲得均勻的鍍鉻層,對于一些形狀復(fù)雜的零件,常常需要使用帶有輔助陽極和保護(hù)陰極的掛具,用以彌補(bǔ)鍍鉻電解液分散能力不好的缺點(diǎn)。鍍鉻電流效率低,電鍍時(shí)有大量氣體析出,這就要求掛具和工件的懸掛位置應(yīng)利于氣體的逸出,防止因氣體滯留造成鍍層不連續(xù)、麻坑或波紋等缺陷。由于電流效率低,鍍鉻時(shí)要使用較高的電流密度,這就要求鍍鉻掛具要有足夠的截面能夠承受大電壓,并且要求工件、掛具與極杠間均必須緊密接觸。
1.1.1.2 鍍鎘
鎘是灰色有光澤的軟質(zhì)金屬,可塑性好,易于鍛造和輾壓。鎘層耐堿,不耐硝酸,在稀硫酸和稀鹽酸中溶解很慢。在海洋和高溫大氣環(huán)境中,鎘鍍層屬陽極性鍍層,其耐蝕性較好,尤其是鈍化后的鎘鍍層,可耐鹽霧試驗(yàn)360 h,故航空工業(yè)中的零件大多使用鍍鎘作為防護(hù)層。
目前采用的是氰化物鍍鎘,鍍液的主要成分是氧化鎘和氰化鈉,溶液呈堿性。工藝流程為:電解除油─裝掛─鹽酸酸洗─鍍鎘─除氫─活化─鈍化。
為了提高鎘鍍層的耐蝕性,一般鍍鎘后要進(jìn)行鈍化處理,使其表面生成一層化學(xué)穩(wěn)定性較高的鉻酸鹽膜。目前使用的是彩色鈍化,一般在除氫后進(jìn)行。由于高溫下鎘層表面會形成一層氧化膜,因此在鈍化前需要先在硫酸中活化?;罨外g化槽液均呈酸性。
1.1.1.3 發(fā)藍(lán)
發(fā)藍(lán)是將鋼在空氣中加熱或直接浸于濃氧化性溶液中,使其表面生成一層極薄的氧化膜。鋼鐵零件的發(fā)藍(lán)可在亞硝酸鈉和硝酸鈉的熔融鹽中進(jìn)行,也可在高溫?zé)峥諝饧?00°C 以上的熱蒸汽中進(jìn)行。發(fā)藍(lán)的溶液成分、處理溫度和處理時(shí)間依零件材料不同而變化。發(fā)藍(lán)膜的成分為磁性氧化鐵,厚度為0.5~1.5 μm,顏色與材料成分和工藝條件有關(guān)。單獨(dú)的發(fā)藍(lán)膜抗腐蝕性較差,但經(jīng)皂化、封閉或浸油后,抗蝕性和抗摩擦性都有所改善。
目前使用的是傳統(tǒng)的堿性高溫發(fā)藍(lán)。槽液的主要成分是氫氧化鈉和亞硝酸鈉,溶液呈堿性。工藝流程為:電解除油─裝掛─鹽酸酸洗─發(fā)藍(lán)─除氫─封閉─浸油。
發(fā)藍(lán)的溫度范圍較寬,在135~155°C 區(qū)間都可得到不錯(cuò)的表面,只是所需時(shí)間不同而已。加工過程中需要注意的是,工件發(fā)藍(lán)前除銹和除油的質(zhì)量,以及發(fā)藍(lán)后的封閉浸油。
1.1.2 各鍍種之間的矛盾點(diǎn)
根據(jù)上述的介紹,結(jié)合3 種鍍層的加工工藝流程,總結(jié)3 種鍍層各自的特點(diǎn)、難點(diǎn),列于表1。
表1 不同鍍種的特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)Figure 1 Features and operation difficulties of different plating processes
由于電鍍的先后順序關(guān)系著各鍍層的加工質(zhì)量,而順序的安排一般主要考慮鍍層性質(zhì)和鍍層加工的難易程度。
考慮到此零件是內(nèi)腔局部鍍鉻,加工時(shí)需要加裝特定的內(nèi)陽極,故加工難度最大。根據(jù)加工的難易程度,應(yīng)最先加工鍍鉻層。由于鍍鉻層不耐鹽酸,而另外兩種鍍層前處理都有鹽酸酸洗工步,故加工其余鍍種時(shí)應(yīng)進(jìn)行保護(hù)或者不進(jìn)行酸洗。整個(gè)外圓要求鍍鎘,鎘層在高溫發(fā)藍(lán)溶液中會被腐蝕,且由于外圓面積大,保護(hù)難度較大,稍有不慎就會破壞表面鍍鎘層;而發(fā)藍(lán)部位是連接孔和內(nèi)腔未鍍鉻處,因?yàn)槭强?,保護(hù)起來比較容易??紤]到保護(hù)的難易程度,將發(fā)藍(lán)放在鍍鉻后進(jìn)行,鍍鎘層放在最后加工??偟墓に図樞蚓褪牵哄冦t─發(fā)藍(lán)─鍍鎘。
該零件內(nèi)腔局部鍍硬鉻需制作專用夾具裝掛。制作時(shí)選用大小合適的不溶性陽極,且要保證陽極與內(nèi)孔同心,以減少鍍層的橢圓度;陽極長短要適當(dāng),保證排氣暢通和鍍液能順利流過,陰陽極之間的絕緣要可靠。不需鍍鉻的部位要進(jìn)行絕緣保護(hù),選取的保護(hù)材料要能耐酸堿、耐高溫,易剝離、易操作。
鍍鎘和除完氫鈍化時(shí)都需要將發(fā)藍(lán)膜和鍍鉻層保護(hù)起來,故制作保護(hù)工裝選用的材料要耐酸堿,容易拆卸,不污染槽液。由于發(fā)藍(lán)膜不耐磨,因此制作工裝的材料要有一定的彈性,但變形量又不能太大。
根據(jù)以上分析結(jié)果,初步確定該零件表面處理的工藝流程為:來件驗(yàn)收─電解除油─裝掛、保護(hù)─硫酸活化─鍍鉻─除氫─研磨─電解除油─發(fā)藍(lán)─封閉─保護(hù)─電解除油─鹽酸酸洗─鍍鎘─除氫─保護(hù)─鈍化─檢驗(yàn)。
該零件內(nèi)腔鍍硬鉻要求厚度為10~15 μm,由于是局部鍍鉻,且是內(nèi)腔深孔鍍鉻,故鍍層厚度的均勻性很難保證,為了保證鍍層的厚度在整個(gè)內(nèi)腔表面能夠均勻一致,在與設(shè)計(jì)溝通后,明確圖紙上規(guī)定的鍍鉻層厚度僅作為參考值,在鍍鉻后增加研磨工步,用機(jī)加工的方法達(dá)到鍍后尺寸,以此來控制零件的圓度和鍍層的均勻性。
發(fā)藍(lán)時(shí)考慮到鍍鉻層耐堿,故未進(jìn)行保護(hù),但由于鹽酸會腐蝕鍍鉻層,因此取消了前處理的鹽酸酸洗;發(fā)藍(lán)后由于后續(xù)還有鍍鎘工步,因此發(fā)藍(lán)后的浸油工步也取消了。
根據(jù)1.2 對內(nèi)陽極和保護(hù)工裝的要求,制作了如圖2 所示的鍍鉻內(nèi)陽極。選取直徑8 mm 的鉛棒,將鉛棒、銅絲和固定掛鉤用絕緣膠帶固定在一起,固定時(shí)應(yīng)確保鉛棒在2 個(gè)掛鉤中間。銅絲鉤起導(dǎo)電作用。固定掛鉤有兩個(gè)作用,一是固定零件,二是確保零件內(nèi)孔和內(nèi)陽極同心。裝掛好的零件如圖3 所示。
圖2 鍍鉻內(nèi)陽極Figure 2 Inner anode for chromium plating
不需要鍍鉻的部位,包括孔口的螺紋處和底部的連接孔,采用進(jìn)口絕緣漆保護(hù)。均勻地將絕緣漆涂抹3 遍,以確保保護(hù)的完整性。此方法操作簡單,去保護(hù)時(shí)僅需置于丙酮溶液中浸泡。保護(hù)好的零件如圖4 所示。
圖3 裝掛好的待鍍零件Figure 3 Hanged parts to be plated
圖4 用絕緣漆保護(hù)的零件Figure 4 Part protected by insulating paint
對于鍍鎘時(shí)的保護(hù)工裝,大的螺紋孔、連接孔選擇了橡膠塞,橡膠耐酸堿,且有彈性,在進(jìn)行保護(hù)時(shí)不會損傷發(fā)藍(lán)膜,且便于裝卸;剩下一個(gè)孔口直徑3 mm的螺紋孔本打算用相同尺寸的氟塑料螺釘進(jìn)行保護(hù),但由于制作需要時(shí)間,而零件的加工節(jié)點(diǎn)緊,便試著用纏有生膠帶的螺釘來替代。裝保護(hù)的過程相對復(fù)雜一些:先將底部和側(cè)面的連接孔用橡膠塞塞緊,再把孔口直徑3 mm 的螺紋孔保護(hù)好,然后在內(nèi)腔注入4/5純水。最后用橡膠塞堵塞孔口,注入清水的目的是當(dāng)微量酸液滲入內(nèi)腔后,酸液可被水稀釋而減少對鉻層和發(fā)藍(lán)膜的腐蝕。
鍍鎘后的除氫一般在烘箱中進(jìn)行,但由于該零件局部還有發(fā)藍(lán)膜,故理論上除氫應(yīng)該在油槽中進(jìn)行。但由于生產(chǎn)條件有限,生產(chǎn)現(xiàn)場沒有油槽,也沒有適合除氫的油,唯一可行的只有烘箱除氫。從機(jī)理上分析,發(fā)藍(lán)膜的成分為氧化鐵,在(190 ± 10)°C 的烘箱中,熱空氣和鋼鐵表面發(fā)生反應(yīng),生成的也是氧化鐵,因此,烘箱除氫在理論上應(yīng)該對發(fā)藍(lán)膜的質(zhì)量無影響。為了驗(yàn)證這一假設(shè),進(jìn)行了如下工藝試驗(yàn)。
加工3 個(gè)與零件同材料的試片,尺寸為50 mm ×100 mm × (1~2)mm。將3 個(gè)試片按正常發(fā)藍(lán)工藝處理后,取其中2 個(gè)放入烘箱,溫度為(190 ± 10)°C,時(shí)間為18 h,此溫度和時(shí)間與鍍鎘后除氫的溫度和時(shí)間一致。到時(shí)間后取出試片,與未除氫試樣進(jìn)行對比,按工藝規(guī)范考察膜層外觀和膜層耐蝕性。
在自然光下目視,對比除氫前后的試樣外觀發(fā)現(xiàn),除氫前后的膜層外觀無差異,對比照片見圖5a(A 為未除氫試樣)。
耐蝕性:在15~20°C 下,將試片浸入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫酸銅溶液中,保持20 s 后,取出檢查膜層。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),除氫前后的膜層均完好,表面無接觸銅存在。對比照片見圖5b。
圖5 除氫前后試片的外觀和耐蝕性Figure 5 Appearance and corrosion resistance of the sample before and after hydrogen exhaustion
按照以上工藝流程,先試加工了一件零件以驗(yàn)證工藝的可行性。加工后的零件主要存在以下幾個(gè)問題:
(1)內(nèi)腔上下端的鍍鉻層厚度差異較大,上端電流集中的部位較厚,下端小電流密度區(qū)的鍍層厚度則剛剛達(dá)到規(guī)定值。
(2)內(nèi)腔保護(hù)部位有鉻層,尤其是螺紋部位,本不應(yīng)該有鉻層,卻鍍上了一部分。
(3)外圓有鉻層,這給后序的發(fā)藍(lán)工步帶來了極大的不便,且直接影響到鍍鎘層的質(zhì)量,外圓有鉻層,發(fā)藍(lán)前又不能進(jìn)行酸洗,故外圓幾乎沒有發(fā)藍(lán)膜,若鉻層不清理干凈,鍍鎘時(shí)就會起皮、起泡,嚴(yán)重影響鎘層質(zhì)量,因此外圓有沒有發(fā)藍(lán)膜是檢驗(yàn)鉻層是否去除干凈的標(biāo)準(zhǔn)之一。
(4)鍍鎘時(shí),保護(hù)的橡膠塞在熱水和冷水的交替作用下,由于熱脹冷縮,自行掉落了一個(gè),導(dǎo)致一個(gè)連接孔的發(fā)藍(lán)膜不完整。
(5)鍍鉻結(jié)束后發(fā)現(xiàn)內(nèi)陽極已被熔斷。
試加工暴露出來的問題,表明上述工藝流程還不夠完善,還有很多地方需要改進(jìn)。
根據(jù)以上試加工呈現(xiàn)出來的問題,一一分析了可能的原因:
(1)由于孔口的螺紋處是保護(hù)起來的,而該部分內(nèi)陽極保護(hù)的長度不夠,導(dǎo)致過多的電流集中在鍍鉻區(qū)的上端,最終使鍍鉻區(qū)上下兩端的厚度差異較大。
(2)內(nèi)腔非鍍鉻區(qū)有鉻層是因?yàn)楸Wo(hù)漆在電鍍過程中存在鼓起,而鼓起的原因是前處理清洗不干凈和結(jié)合力不好。
(3)由于外圓不鍍鉻,故在電鍍時(shí)已將鍍槽里的陽極全部取出,只剩下內(nèi)腔的內(nèi)陽極,由于鍍鉻的分散能力差,因此理論上外圓是不會有鉻層的。造成這現(xiàn)象的可能原因是未受保護(hù)的內(nèi)陽極暴露在槽液中使其外表面閃鍍上了一層薄鉻層。
(4)試加工證明用橡膠塞保護(hù)發(fā)藍(lán)膜是可行的,但尚需改進(jìn)橡膠塞的形狀,以確保塞子在加工過程中不會脫落。
(5)內(nèi)陽極熔斷是因?yàn)閮?nèi)陽極直徑偏小,承受不了所需的電流。
改進(jìn)后的工藝流程為:來件驗(yàn)收─電解除油─裝掛、保護(hù)─硫酸活化─鍍鉻─除氫─研磨─電解除油─酸洗─發(fā)藍(lán)─封閉─保護(hù)─電解除油─酸洗─鍍鎘─除氫─保護(hù)─鈍化─檢驗(yàn)。新工藝在發(fā)藍(lán)前增加了酸洗,目的是活化零件表面,以獲得質(zhì)量較好的發(fā)藍(lán)膜。因?yàn)閮?nèi)腔有鉻層,所以在進(jìn)行酸洗時(shí)不能將整個(gè)零件浸泡在酸液中,而是用浸過酸液的抹布擦洗零件外表面和需要發(fā)藍(lán)的部位。一定要注意這個(gè)工步不能讓酸液接觸到鍍鉻層。鍍鉻前還要加強(qiáng)清洗,保證保護(hù)漆的結(jié)合力。
鍍鉻工裝的改進(jìn):加粗內(nèi)陽極,并將內(nèi)陽極上端不需要鍍鉻的部位用絕緣膠帶保護(hù),長度要略低于鍍鉻區(qū);電鍍時(shí)要降低電流密度,延長電鍍時(shí)間,以防止內(nèi)陽極再次熔斷;增加外圓的絕緣保護(hù),用絕緣袋將外表面緊緊包扎。另外,在螺紋處增加了新的仿形夾具,仿形夾具的制作材料為鋼,起保護(hù)陰極的作用:一來可以吸收螺紋附近的電流,再次保證螺紋處無鍍層,二來可以吸收上端部分的電流,保證內(nèi)腔上下端鍍層厚度一致。安裝夾具時(shí),先在螺紋處非鍍鉻區(qū)加裝仿形夾具,再在內(nèi)腔加裝內(nèi)陽極。
橡膠塞的改進(jìn):將原有的圓柱形橡膠塞加工成圓錐形。增加一定的錐度以便使塞子塞得更緊、更牢。
用改進(jìn)的工藝和工裝加工了2 個(gè)零件,加工過程中再無出現(xiàn)前述問題,表明改進(jìn)后的工藝和工裝適用于該零件,用此工藝加工出的零件質(zhì)量合格,可滿足使用要求。
用上述固化后的工藝對某型號的液壓缸內(nèi)筒進(jìn)行加工,產(chǎn)品合格,加工后的零件如圖6 所示。
類似這種異形零件表面多鍍種的復(fù)雜表面處理,首先要分析各鍍種的難點(diǎn)和特點(diǎn),并合理安排表面處理的先后順序,這是重中之重,直接關(guān)系到零件的加工成敗。在處理過程中,還要根據(jù)各鍍種的特點(diǎn)制作專用的工裝夾具,這些都直接影響零件的加工質(zhì)量,尤其是電鍍鉻,工裝的適用性直接關(guān)系到鉻層質(zhì)量的好壞。將所有這些考慮周全后,不管多復(fù)雜的零件,多復(fù)雜的表面處理,總能找出合適的處理方法,并得到合格的零件。
圖6 采用改進(jìn)工藝加工后的零件Figure 6 Parts treated by improved process