李寒松，王棟梁，朱增偉，王淑振，胡孝昀

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

鍍鉻在工業(yè)中占有十分重要的地位，鍍鉻層具有很高的硬度、較低的摩擦系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性，與酸、堿、鹽及大多數(shù)有機物均不發(fā)生反應(yīng)。電鍍鉻作為一項表面處理工藝技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在航空航天關(guān)鍵機械零部件的表面防護中[1]。飛機起落架用材300M鋼的耐磨性和耐腐蝕性較差，在使用過程中往往需在其表面電鍍一層硬鉻層[2-3]。但在電鍍鉻的過程中易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[4]，出現(xiàn)裂紋、多孔現(xiàn)象，影響了材料的性能。

為獲得良好的鍍鉻層，國內(nèi)外學者開展了大量的研究。巨根利研制了雙層鉻涂層，其表面的顯微硬度和耐磨性均比單亮鉻有了明顯的提升[5]。高遠等在汽車減震器連桿的表面電鍍鉻并進行了耐腐蝕性測試，研究表明鍍前連桿表面的超精加工可顯著提高鍍層的耐腐蝕性[6]。李貴賓等用雙冷軋鋼在一定工藝參數(shù)下制備的鍍鉻層具有良好的耐腐蝕性[7]。Pfeiffer等使用酸性流動電解質(zhì)，在中溫（55℃）和寬電流密度范圍（30～90 A/dm2）條件下，沉積出含不同微裂紋密度的鉻層；同時，研究表明鉻層的拉應(yīng)力與微裂紋的密度成反比[8]。

盡管許多科研機構(gòu)在電鍍鉻的研究過程中取得了不少成就，但傳統(tǒng)鍍鉻工藝仍有不少缺點，如：鍍層中存在貫穿性裂紋，鍍層的耐磨耐腐性能差，鍍層的孔隙率高。本課題組曾對輔助摩擦電鑄工藝技術(shù)進行過研究，結(jié)果表明在電鍍硬鉻的過程中，該技術(shù)能有效防止電鍍液中的氫元素滲入基體及鍍層，且能細化晶粒、改變晶粒的生長狀態(tài)，較好地改善鑄層的表面質(zhì)量[9]。在此基礎(chǔ)上，本文研究了無裂紋硬鉻工藝對300M鋼鍍層表面性能的影響。

1 試驗原理及裝置

無裂紋硬鉻工藝是在脈沖電源的作用下，采用陰極旋轉(zhuǎn)和絕緣粒子摩擦輔助的方法進行電鍍加工。采用內(nèi)外雙層鏤空陽極框，在內(nèi)框的外壁用陽極布密封，在內(nèi)框和芯模之間填充的絕緣粒子完全覆蓋芯模表面，環(huán)狀陽極圍繞內(nèi)框放置，并與陽極框一起置于電鍍槽底。立式調(diào)速電機帶動陰極芯模在鏤空陽極框中旋轉(zhuǎn)，并通過變頻器改變輸入電機的頻率來實現(xiàn)芯模的不同轉(zhuǎn)速。電鍍加工時，不溶性陽極鉛板與脈沖電源的陽極相連，待鍍試件經(jīng)前處理后，與脈沖電源的陰極相連。當接通電源后，即可實現(xiàn)對陰極表面的電鍍。

無裂紋電鍍硬鉻工藝試驗裝置見圖1，包括脈沖電源控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、自動控溫裝置、鍍液循環(huán)系統(tǒng)、導電裝置和電鍍試件夾具。電鍍液采用從陽極框底部沖液的高速沖液方式。供液系統(tǒng)由磁力循環(huán)泵和控制閥組成，其中，磁力循環(huán)泵可抽取加熱區(qū)的電鍍液，從陽極框底部進行沖液，陽極框由緩沖區(qū)和沖液區(qū)構(gòu)成，高速流動的電鍍液從緩沖區(qū)流過，再將電鍍液送至陰陽極之間，使芯模附近的離子得到不斷補充，并處于恒溫的電鍍環(huán)境。

2 電鍍試驗

2.1 試驗過程

電鍍試驗包括前處理、正鍍和后處理三部分。脈沖電鍍硬鉻的工藝流程為：前處理、預熱加入陶瓷粒子、陽極反拔、大電流沖擊、電鍍硬鉻、出槽清洗及除氫。

（1）電鍍前處理：電鍍試驗選用的陰極為直徑25 mm、長 30 mm 的 300M 鋼（40CrNi2Si2MoVA）棒料。對試件表面進行拋光處理，使其表面粗糙度值達到Ra0.4 μm左右。在對鍍件表面清洗的過程中，先用有機溶劑除去表面殘留金屬顆粒和銹跡，再用堿性溶液除去表層油脂，最后用去離子水清洗試件表面。試驗還按HB/Z 318—1998標準對300M鋼進行鍍覆前消除殘余應(yīng)力的處理。

（2）正鍍和后處理：電鍍試驗按表1所示的工藝參數(shù)進行。電鍍完成后，先對工件進行清洗、干燥、除氫處理，再對其進行性能測試。

圖1 無裂紋電鍍硬鉻裝置系統(tǒng)及實物圖

表1 電鍍試驗工藝參數(shù)

2.2 鍍層性能檢測

通過中性鹽霧試驗測試鍍層的耐腐蝕性，具體要求按ASTM B117—2011標準執(zhí)行。試驗中，氯化鈉溶液濃度為95%，試件以懸吊式置于溫度為35±2℃范圍的霧室中，試件待測表面與鹽霧沉積的垂直方向呈150～200°夾角。在試驗箱內(nèi)80 cm2的收集面積上，鹽霧的沉積量平均達1～2 mL/h。噴霧測試期間，對噴霧區(qū)域的鹽霧沉積量和pH值每天記錄一次，且連續(xù)噴霧336 h。如果鍍層表面不出現(xiàn)銹蝕，則該鍍層滿足耐腐蝕要求。鹽霧試驗結(jié)束后，測繪腐蝕后的銹蝕區(qū)域，并用以直代曲的方法對腐蝕區(qū)域進行劃分，最后利用第一類曲面積分計算銹蝕面積。

采用HXS-1000A顯微硬度計測試電鍍層的顯微硬度，載荷設(shè)定為200 g，保持時間為10 s。在電鍍層中間和邊緣均勻選取5個點進行測試，并取其平均值。采用XQUANTA200型掃描電鏡對鍍層微觀形貌進行觀察分析。

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 電流密度對鍍鉻層的影響

當鍍液溫度為55℃、陰極轉(zhuǎn)速為250 r/min、脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。電流密度對鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖2。

圖2 電流密度對鍍鉻層的影響

在傳統(tǒng)電鍍中，陰極產(chǎn)生的氫氣，一部分滲入電鍍層中與基體結(jié)合，另一部分被基體吸收。隨著鍍層厚度的增大，鍍層的含氫量增加，從而引起鍍鉻層的變形和晶格畸變，且結(jié)晶安排方位的改變，使鍍鉻層具有很高的硬度[10]。而提高電流密度可使陰極極化增大，氫的過電位增加，氫離子在陰極表面放電還原成氫氣的速度更遲緩，從而導致電鍍層的吸氫量不斷減少。因此，隨著電流密度的增大，電鍍層顯微硬度呈下降趨勢。

電鍍鉻層的耐腐蝕性與電沉積層的致密度、電結(jié)晶的晶粒尺寸有關(guān)，且過大的陰極極化會使陰極附近待沉積的金屬陽離子減少，必須通過增加溶液的對流加以補充。本試驗采用陰極底部沖液的方式對陰極附近的離子進行補充。當電流密度不斷提高時，隨著沖液的進行，旋轉(zhuǎn)的陰極帶動陶瓷粒子在其表面不斷摩擦，有利于獲得致密度低、晶粒尺寸小的鍍層，所以鍍層銹蝕率也隨著電流密度的增加而不斷降低。

采用陶瓷粒子摩擦輔助電鍍技術(shù)，當電流密度增大時，陶瓷粒子在陰極表面不斷地摩擦，使其表面放電的活化點增多。由于陶瓷粒子的擾動作用，增大了吸附原子的擴散范圍，改變了其進入晶格的路徑，故可獲得晶粒較小且鍍層致密度高的沉積層。當電流密度為50 A/dm2時，鍍層的抗腐蝕能力最佳。鍍層檢測試驗表明，在兼顧鍍層硬度和耐腐蝕性的基礎(chǔ)上，采用電流密度為50 A/dm2時，所獲電鍍層的質(zhì)量較好。

2.3.2 陰極轉(zhuǎn)速對鍍鉻層的影響

將電流密度設(shè)定為50 A/dm2，鍍液溫度55℃、脈沖頻率10 kHz、占空比80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。陰極轉(zhuǎn)速對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖3。

圖3 陰極轉(zhuǎn)速對鍍鉻層的影響

電鍍時，旋轉(zhuǎn)的陰極帶動陶瓷粒子不斷運動，絕緣粒子始終緊貼在旋轉(zhuǎn)陰極的表面，使其不斷摩擦并撞擊陰極表面；陰極附近的氫離子被陶瓷粒子驅(qū)趕而難以接近陰極，導致其很難與陰極表面的電子還原成中性原子而吸附于陰極表面[11]，從而使進入電鍍層中的氫減少；且在電沉積過程中，粒子不斷的擠壓和碰撞可促使沉積層內(nèi)應(yīng)力加快釋放，使結(jié)晶過程中發(fā)生的組織變化不同于傳統(tǒng)工藝[12]，導致電鍍層的顯微硬度隨著陰極轉(zhuǎn)速的提高而下降。

當旋轉(zhuǎn)陰極的轉(zhuǎn)速為120 r/min時，試件端部出現(xiàn)較大面積的銹蝕，環(huán)繞鍍層的中間位置出現(xiàn)少量的斑跡。適當提高轉(zhuǎn)速有助于鍍層晶粒細化，故將陰極轉(zhuǎn)速提高至250 r/min時，試件端部只有極少量的銹跡，鍍層表面未出現(xiàn)任何腐蝕。

2.3.3 鍍液溫度對鍍鉻層的影響

將電流密度設(shè)定為50 A/dm2、陰極轉(zhuǎn)速設(shè)定為250 r/min，在脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。鍍液溫度對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖4。

由圖4可看出，當鍍液溫度從45℃升至55℃時，鍍鉻層顯微硬度由800 HV下降至750 HV。這是因為鉻層硬度的大小與鉻層內(nèi)的吸氫量有一定的關(guān)系。隨著陰極周圍溶液溫度的升高，對氫氣的驅(qū)趕有一定的作用，鍍層吸氫量隨之減小，故硬度降低[7]。

圖4 鍍液溫度對鍍鉻層的影響

當鍍液溫度較低時，電鍍層銹蝕率較大，主要分布在試件的中上部及端部，且端部的局部位置出現(xiàn)少量條紋狀腐蝕。隨著鍍液溫度的升高，電鍍層的腐蝕率有所下降。當鍍液溫度為55℃時，試件經(jīng)鹽霧試驗后，鍍層表面未出現(xiàn)任何腐蝕，端部僅有極少量的銹跡。

2.3.4 脈沖頻率對鍍鉻層的影響

將電流密度設(shè)定為50 A/dm2、陰極轉(zhuǎn)速設(shè)定為250 r/min、鍍液溫度設(shè)定為55℃，在占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。脈沖頻率對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖5。

圖5 脈沖頻率對鍍鉻層的影響

電鍍時，脈沖頻率的提高有助于獲得晶粒度較細的鍍層，沉積層的微觀形貌平坦且晶粒的致密度好。提高脈沖頻率，脈沖電流的導通時間相應(yīng)減少，陶瓷粒子對陰極周圍氫的驅(qū)趕作用減小，使?jié)B入鍍層中的氫含量有所增加，導致鍍層硬度升高。

在一定范圍內(nèi)，鍍層銹蝕率隨著脈沖頻率的提高而降低。從圖5可看出，當脈沖頻率達到10 kHz后，鍍層銹蝕率基本保持不變，且能獲得質(zhì)量較好的沉積層。

2.3.5 占空比對鍍鉻層的影響

設(shè)定電流密度50 A/dm2、陰極轉(zhuǎn)速250 r/min、鍍液溫度55℃、脈沖頻率10 kHz，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。脈沖占空比對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖6。

圖6 占空比對鍍鉻層的影響

從圖6可看出，鍍層顯微硬度隨著脈沖占空比的提高呈上升趨勢。這是因為占空比越高，脈沖電流的導通時間越長，在陰極轉(zhuǎn)速不變的情況下，單位時間內(nèi)陰極的氫氣析出量增加，使?jié)B入電沉積層中的氫原子增加，故鍍層硬度隨之升高。

在脈沖占空比較低時，鍍層銹蝕較嚴重；占空比越高，電鍍層的防腐蝕能力越好。當占空比達到80%時，試件表面基本無銹蝕點。

2.3.6 鍍鉻層的微觀形貌和腐蝕形貌

在傳統(tǒng)電鍍時，陰極產(chǎn)生的大量氫氣進入鍍層，會引起電鍍層的變形和晶格扭曲，使電鍍層表面呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，當這些拉應(yīng)力增長到一定程度時，電鍍層就會開裂，形成網(wǎng)狀微裂紋。

在鍍液溫度為55℃、電流密度為50 A/dm2、陰極轉(zhuǎn)速為250 r/min、脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%的工藝條件下，獲得的電鍍試件表面非常光亮平整，接近于鏡面（圖7a），且電鍍鉻層的微觀形貌均勻平坦，顯微組織均勻、致密、無裂紋（圖7b）。

圖7 無裂紋工藝電鍍試件和鉻層微觀形貌

電鍍參數(shù)與鍍層的耐腐蝕性存在著緊密的聯(lián)系。采用與圖7所示的電鍍工藝相同的參數(shù)條件，對獲得的無裂紋鍍鉻層進行336 h鹽霧腐蝕試驗，試件表面未出現(xiàn)腐蝕，但表面光亮度下降，且試件表面不如腐蝕前平整（圖8a）。在其他工藝參數(shù)下獲得的鍍層經(jīng)336 h鹽霧試驗后，均出現(xiàn)不同程度的腐蝕，試件表面出現(xiàn)絮狀銹斑、條紋狀腐蝕及單個腐蝕點（圖 8b）。

圖8 無裂紋電鍍試件在不同陰極轉(zhuǎn)速時進行的鹽霧試驗

3 結(jié)論

（1）通過對比試驗分析，確定了無裂紋電鍍硬鉻的最佳工藝參數(shù)為：電流密度50 A/dm2，鍍液溫度55℃，陰極轉(zhuǎn)速250 r/min，脈沖頻率10 kHz，占空比80%；同時，試驗采用底部沖液方式。

（2）在一定的工藝參數(shù)下，無裂紋硬鉻工藝可獲得顯微硬度為750 HV左右的硬鉻層。經(jīng)336 h鹽霧試驗后，試件表面光亮，且無任何腐蝕點。

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