潘銳 水東莉

1 遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院(沈陽 110161)2 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院(營口 115009)

目前，煤礦井下回采工作面頂板和煤壁的液壓支架的鋼材主要是27SiMn 鋼，其工作環(huán)境惡劣，使用設(shè)備長期處于潮濕，易腐蝕環(huán)境中，一旦失效并誘發(fā)頂板事故，將影響煤礦安全生產(chǎn)[1]。因此，液壓支架的表面防護設(shè)計是必要的。傳統(tǒng)的電鍍硬鉻方法加工成本高，易產(chǎn)生裂紋、針孔和污染環(huán)境，化學鍍工藝由于很好的彌補了電鍍硬鉻的缺點而成為表面防護新技術(shù)的發(fā)展方向。尤其是在鍍液中加入稀土元素，能夠有效改善鍍層性能[2-3]。本文以27SiMn 為基體，在化學鍍Ni-P 配方基礎(chǔ)上添加稀土氧化鈰，對27SiMn化學鍍Ni-Ce-P 工藝系統(tǒng)的分析和研究，并確定最佳工藝配方。

1 實驗方法

1.1 實驗材料及工藝流程

實驗采用 27SiMn 鋼，經(jīng)淬火+回火處理，HRC35～37。從沈陽煤機廠提供的液壓支柱上直接截取，試樣尺寸：20 mm×15 mm×5 mm。

化學鍍Ni-Ce-P 基本工藝流程如下：

試樣切割(在距試樣邊緣3 mm 的位置打孔)→砂紙打磨(光滑，無劃痕、凹坑)→丙酮清洗并水洗→堿洗除油并水洗→酸洗并水洗→施鍍→水洗→干燥成品。

表1 正交試驗因素水平L16(44)

1.2 正交試驗設(shè)計

以Ni-P 二元化學鍍配方(次磷酸鈉30g/L；檸檬酸8g/L；丁二酸16g/L；醋酸鈉20g/L；硫酸鎳28g/L；穩(wěn)定劑2mg/L；施鍍溫度85℃；PH 在5；時間2h)為基礎(chǔ)，調(diào)整丁二酸、檸檬酸、醋酸鈉含量，并加入硝酸鈰，進行4 因素4 水平正交試驗，并以鍍速為評定指標制備Ni-Ce-P 鍍層。具體方案如表1 所示。

1.3 鍍速測定

測量鍍層的沉積速度(增重法)：

式中，W1 為施鍍后試樣質(zhì)量，W2 為施鍍前試樣的質(zhì)量，S 為試樣表面積，h 為施鍍時間。

1.4 鍍層形貌分析

采用SSX550 型掃描電鏡觀察27SiMn 化學鍍Ni-Ce-P 鍍層表面形貌及截面形貌。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 正交實驗的結(jié)果與討論

正交實驗的結(jié)果如表2 所示。4 號試樣(實驗條件為：A1B4C4D4)和8 號試樣(實驗條件為：A2B4C3D2)的鍍速較快。

表2 正交實驗結(jié)果

對比極差可以得到各因素的影響順序為B ＜ D ＜ C ＜A?？芍獙Τ练e速率最大影響因素是丁二酸含量，在化學鍍過程中必須嚴格控制其濃度。

由于在16 組實驗中沒有包含A1B3C3D2 這個最優(yōu)組合，因此，進行了追加實驗。但實驗結(jié)果表明，該組合中由于丁二酸含量過高，鍍速過快，因而使鍍層中的氣泡來不急逸出，使鍍層形成孔隙和結(jié)瘤，影響了鍍層質(zhì)量。因此，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化實驗：分別將丁二酸含量調(diào)整為12g/L、14g/L 和16g/L、18g/L。并發(fā)現(xiàn)，將丁二酸調(diào)整為16g/L 后，獲得外觀良好的鍍層。且其沉積速度為16.48 mg·cm-2·h-1，優(yōu)于4號和8 號試樣。因此，最終確定化學鍍Ni-Ce-P 的配方如下：

表3 化學鍍Ni-Ce-P 鍍液配方及工藝參數(shù)

2.2 化學鍍鍍層形貌分析

在化學鍍層形成的過程中，最先沉積在工件表面上的鎳原子和磷原子并不是連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，而是呈一個個島狀的分散粒子，隨著化學鍍的進一步進行，這些分散粒子逐漸擴大并不斷向厚度方向延伸，最終使鍍層的表面形貌呈現(xiàn)出典型的胞狀。

圖1 鍍層表面形貌

圖2 鍍層截面形貌

圖1 即27SiMn 化學鍍Ni-Ce-P 鍍層在掃描電鏡下觀察到的表面形貌?？梢婂儗映实湫偷陌麪钚蚊?，鍍層表面平整，除個別胞狀物顆粒較大，大部分胞狀顆粒細小致密。這與鍍液中Ce 元素的存在有一定的關(guān)系，由于鍍液中形成的Ce4+為表面活性元素，易于吸附在基體上，率先成為形核質(zhì)點，使鍍件表面的形核質(zhì)點增多，促使晶體的細化[4-5]，圖2 即27SiMn 化學鍍Ni-Ce-P 鍍層在掃描電鏡下觀察到的截面形貌?？梢婂儗雍穸染鶆?，約為30.3 μm，與基體金屬結(jié)合緊密。

3 結(jié)論

(1)27SiMn 表面Ni-Ce-P 鍍層最佳配方為：硫酸鎳28g/L，次磷酸鈉30g/L，檸檬酸9g/L，丁二酸16g/L，醋酸鈉14g/L，硝酸鈰0.12g/L 穩(wěn)定劑2mg/L。施鍍溫度為85℃，PH 在5。

(2)27SiMn 化學鍍Ni-Ce-P 鍍層表面平整、致密，與基體金屬結(jié)合緊密，厚度均勻約為30.3μm。

[1]張玉國,何富連,臧傳偉,等.綜放支架液壓系統(tǒng)可靠性實測分析[J].礦山壓力與頂板管理, 2000(3):12-14.

[2]黃慶榮,蔣柏泉,等.稀土在化學鍍中應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]．稀土,2007,28(1):102-105.

[3]史海芳,劉艷梅,等.27SiMn 鋼化學鍍Ni-P、Ni-Ce-P 對比研究[J]．電鍍與涂飾.2010,29(6):25-28.

[4]張敬堯,虞宙.稀土對Ni-P 化學鍍層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響[J]．材料保護2013.46(2):10-12

[5]許喬瑜,何偉嬌.稀土在化學鍍Ni-P 鍍層中應(yīng)用的研究進展[J].表面技術(shù).2011,40(2):92-95.