鄧云，呂鏢,，汪笑鶴，胡振峰，梁秀兵

（1.裝甲兵工程學(xué)院機械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心，北京 100072；2.中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200）

【工藝開發(fā)】

柔性摩擦輔助電鍍致密鉻鍍層的工藝研究

鄧云1，呂鏢1,*，汪笑鶴2，胡振峰1，梁秀兵1

（1.裝甲兵工程學(xué)院機械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心，北京 100072；2.中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200）

采用柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)制備了鉻鍍層，以解決飛機起落架緩沖器活塞桿硬鉻鍍層氣密性差的問題。鍍液組成為：CrO3220 ～ 300 g/L，H2SO4 2.2 ～ 3.0 g/L，Cr3+2.5 ～ 7.5 g/L，添加劑HF-04 6 ～ 8 mL/L。通過觀察不同工藝條件下所得鉻鍍層的表面形貌，研究了工件轉(zhuǎn)速、溫度和電流密度對柔性摩擦輔助電鍍鉻層性能的影響。最優(yōu)溫度、工件轉(zhuǎn)速和電流密度分別為65 °C、20 r/min和40 A/dm2。在最優(yōu)條件下所得硬鉻鍍層幾乎沒有裂紋，表面平整、致密，顯微硬度約為850 HV，氣密性合格。

鉻；電鍍；柔性摩擦；表面形貌；裂紋；氣密性

First-author’s address:National Engineering Research Center for Mechanical Products Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China

飛機起落架緩沖器對密封性的要求非常嚴(yán)格。然而，飛機起落架表面一般鍍硬鉻，受電鍍工藝本身的影響，硬鉻鍍層多有網(wǎng)狀裂紋，因而在氣密性試驗中通常存在滲、漏、氣泡(油)的現(xiàn)象，俗稱鍍鉻“冒汗”[1-5]。國內(nèi)外很早就針對這一問題展開了研究，并采用多種方法改善這種現(xiàn)狀，比如涂底漆[1]、滲蠟[6]、封孔劑或樹脂封閉[4,7]、液體拋光、金剛石擠壓[5,7]等，當(dāng)然也包括褪鉻重鍍。這些方法都屬于補救措施，治標(biāo)不治本，一段時間后“冒汗”現(xiàn)象又重新出現(xiàn)。電鍍時輔以硬質(zhì)粒子摩擦作用所得鉻層組織致密，能提高鍍層氣密性[1,8-9]，但該法在更換和清洗硬質(zhì)粒子等方面多有不便[10]。

為從根本上解決飛機起落架緩沖器的氣密性問題，提高摩擦介質(zhì)使用的靈活性和良好接觸性，以及降低對工件外形尺寸的要求，本文提出了一種柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)，即在電鍍鉻過程中，利用柔性介質(zhì)的原位摩擦作用，降低或消除陰極析氫的不利影響，提高鉻鍍層的組織致密性，進而解決硬鉻鍍層的“冒汗”問題。

1 實驗

1. 1 裝置與原理

柔性摩擦輔助電鍍鉻的裝置示意圖見圖1，它由電源、陽極、待鍍工件、刷板以及電鍍鉻鍍槽組成。可控直流電源，陽極使用Pb-Sb合金棒，待鍍工件為某飛機起落架活塞桿，材質(zhì)為40CrMnSiMoVA，直徑80 mm，長40 mm。刷板為木制結(jié)構(gòu)，其上栽植柔性摩擦介質(zhì)，柔性摩擦介質(zhì)選用耐腐蝕、耐磨損且不導(dǎo)電的PP(聚丙烯)，規(guī)格寬度為20 mm，柔性介質(zhì)厚度為15 mm，長度可自由裁剪，一般兩端各比待鍍工件長約10 mm。

圖1 柔性摩擦輔助電鍍鉻的裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of flexible friction-assisted chromium electroplating apparatus

在柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中，柔性介質(zhì)與旋轉(zhuǎn)工件之間發(fā)生相對摩擦，可起到增強鍍液潤濕能力、改善液相傳質(zhì)、驅(qū)趕陰極附近的水化氫離子、剝離陰極表面吸附的氫原子和氫氣泡等作用，從而提高了陰極析氫過電位，不僅降低了析氫量，而且極大減少了吸附氫原子向鍍層的滲入，使得致密鉻鍍層的制備成為可能。

1. 2 工藝規(guī)范

采用傳統(tǒng)電鍍硬鉻液，具體配方為：CrO3220 ～ 300 g/L，H2SO42.2 ～ 3.0 g/L，Cr3+2.5 ～ 7.5 g/L，鍍鉻添加劑HF-04(南京安瑞泰有限公司)6 ～ 8 mL/L。工藝流程為：拋光→安裝→下槽→預(yù)熱→調(diào)整轉(zhuǎn)速→陽極反撥→大電流沖擊→柔性摩擦輔助電鍍鉻→出槽→吹干。

1. 3 性能測試

采用荷蘭Philips-FEI公司的Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鉻鍍層的表面和截面形貌，確定柔性摩擦輔助電鍍鉻層的組織致密性。采用千分尺或SEM測量單位時間內(nèi)的鍍層厚度，確定其沉積速率。顯微硬度測量采用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計，載荷100 g，加載時間15 s，隨機測量6個數(shù)據(jù)，取平均值。氣密性測量是先將柔性摩擦輔助電鍍鉻的起落架活塞桿和作動筒組件輸入試驗壓力，逐步加壓到規(guī)定的試驗壓力14 MPa，然后把被試組件放入重鉻酸鉀水溶液槽中靜置30 min，觀察鍍鉻活塞桿表面是否存在氣泡，如有氣泡，說明氣密性不合格。

2 結(jié)果與討論

2. 1 工件轉(zhuǎn)速對鉻鍍層形貌的影響

圖2為在溫度55 °C、電流密度50 A/dm2的條件下電鍍30 min時，工件轉(zhuǎn)速對柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響，其中轉(zhuǎn)速為0 r/min代表傳統(tǒng)電鍍硬鉻。

圖2 轉(zhuǎn)速對柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 2 Effect of rotating speed on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

由圖2可知，采用含添加劑HF-04的鍍鉻液制備的傳統(tǒng)鉻鍍層表面較平整，裂紋粗大，存在大量氫氣孔。柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，裂紋較窄，裂紋數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而增多，大胞狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的胞簇數(shù)量減少，大胞之間變得更緊密，很難觀察到氫氣孔。胞狀結(jié)構(gòu)形成的原因與旋轉(zhuǎn)摩擦作用有關(guān)。無添加劑的傳統(tǒng)鉻鍍層也是胞狀結(jié)構(gòu)，同時含有大量裂紋[9]，這表明鍍鉻液中的添加劑可以起到細(xì)化鍍層組織的作用，但無法消除陰極析氫的影響，而旋轉(zhuǎn)摩擦行為使吸附于陰極表面的添加劑剝離，從而粗化了鍍層形貌。隨著轉(zhuǎn)速的提高，旋轉(zhuǎn)摩擦行為盡管弱化了添加劑的作用，但加強了對晶體生長的抑制作用，并且轉(zhuǎn)速越高，摩擦作用越顯著，晶粒越細(xì)，從而使柔性摩擦輔助電鍍鉻層的致密性提高，由晶粒細(xì)化引起的拉應(yīng)力也增大，進而使相應(yīng)鉻鍍層的網(wǎng)狀裂紋逐漸增加。因此選擇轉(zhuǎn)速為20 r/min，此時柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋最少且最細(xì)。

圖3為柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面形貌。由圖3可見，與傳統(tǒng)電鍍鉻層相比，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面無裂紋、孔洞等缺陷，與基體結(jié)合緊密(兩者間的界面見白線處)。柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中的旋轉(zhuǎn)摩擦行為可以驅(qū)趕陰極附近的水化氫離子、剝離陰極表面吸附的氫原子和氫氣泡，從而提高了陰極析氫過電位，減少了氫析出和氫向鍍層內(nèi)部的滲入，進而降低了由于大量滲氫造成晶格畸變引起的鍍層拉應(yīng)力。另外，摩擦行為還能夠清除陰極表面吸附的雜質(zhì)，活化基體表面，從而改善了鍍層的界面結(jié)合。因此，采用柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)能夠減少鉻鍍層的裂紋數(shù)量，同時提高鉻鍍層的組織致密性和結(jié)合力。

圖3 柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面形貌Figure 3 Cross-section morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

2. 2 溫度對鉻鍍層形貌的影響

在電流密度50 A/dm2、工件轉(zhuǎn)速20 r/min的條件下電鍍30 min，溫度分別為55 °C和65 °C時電鍍鉻層的表面形貌見圖4。由圖4可知，兩種溫度下的柔性摩擦輔助電鍍鉻層均無裂紋、氣孔等缺陷存在。溫度為55 °C時，鉻鍍層的胞狀尺寸較大，表面較粗糙；溫度為65 °C時，鉻鍍層表面的胞狀尺寸減小，表面較平整、致密，并且可見一些刷痕。這表明溫度較高時，柔性介質(zhì)摩擦對鉻鍍層生長的抑制作用較強，整平效果較好。另外，從圖4的高倍圖還可以看出，55 °C和65 °C下所得鍍層表面胞狀間的交叉處都存在一些細(xì)小的球形結(jié)瘤，說明這些部位的能量較低，有利于形核。

圖4 溫度對柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 4 Effect of temperature on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

在柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中，柔性介質(zhì)摩擦通過屏蔽部分尖端部位離子的放電或驅(qū)趕在尖端部位放電后產(chǎn)生的高溫吸附鉻原子，抑制了尖端部位晶體的快速生長，“刷痕”的存在恰恰可以作為柔性介質(zhì)摩擦擾動高溫吸附鉻原子的重要佐證。在柔性摩擦剪切力的作用下，這些高溫吸附鉻原子的擴散過程被擾亂，同時被驅(qū)趕的放電離子也被迫在此處放電，相對而言加快了低凹部位晶體的生長，因而柔性介質(zhì)摩擦可以起到較好的整平作用。溫度升高時，鉻離子的表面擴散加快，柔性介質(zhì)摩擦抑制晶體生長的作用也逐漸加強，同時陰極析氫的影響也降低，因此鍍層表面越來越平整、致密。然而，鍍液溫度過高(如70 °C)時，鉻鹽會發(fā)生水解，鉻霧蒸發(fā)也很嚴(yán)重，生成的氫氧化鉻膠體等堿性夾雜會更多。因此鍍液溫度控制在65 °C附近為宜。

2. 3 電流密度對鉻鍍層形貌和沉積速率的影響

在工件轉(zhuǎn)速20 r/min、溫度65 °C和不同電流密度下電鍍30 min，所得鍍鉻層的表面形貌見圖5。由圖5可知，隨電流密度從30 A/dm2增加到60 A/dm2，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋先減少后增加，結(jié)瘤趨勢也逐漸加強。當(dāng)電流密度為40 A/dm2時，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋最少甚至沒有，表面也最平整、致密。

圖5 電流密度對柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 5 Effect of current density on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

低電流密度下，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的裂紋最多，此時金屬沉積速率相對較慢，陰極析氫較多，電流效率較低，引起鍍層的拉應(yīng)力過大，因而產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂紋多而寬。隨著電流密度升高，陰極析氫過電位增加，陰極析氫降低，同時電化學(xué)極化增強，晶體形核率提高。隨著電流密度的進一步升高，金屬沉積速率繼續(xù)增大(見圖6)，陰極析氫作用減弱，相當(dāng)于柔性介質(zhì)的摩擦作用時間變短而摩擦抑制作用減弱[11]，導(dǎo)致鍍層表面有很多雜質(zhì)吸附或局部快速沉積引起結(jié)瘤，但由析氫引起的鍍層拉應(yīng)力相對較低，因而與低電流密度下的鉻鍍層相比，高電流密度下柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面的裂紋較少，也較窄。因此，電流密度選擇為40 A/dm2。

2. 4 顯微硬度和氣密性檢測

采用優(yōu)化的柔性摩擦輔助電鍍鉻工藝參數(shù)，即工件轉(zhuǎn)速20 r/min、溫度65 °C、電流密度40 A/dm2，沉積時間6 h，得到了結(jié)構(gòu)完整的電鍍鉻層(見圖7a)，其顯微硬度約為850 HV(傳統(tǒng)硬鉻層的顯微硬度約為780 HV)。將其磨削加工、裝配、打壓后進行氣密性測試(見圖7b)，發(fā)現(xiàn)柔性摩擦輔助電鍍鉻的起落架活塞桿表面無任何氣泡，氣密性合格。

圖6 電流密度對柔性摩擦輔助電鍍鉻沉積速率的影響Figure 6 Effect of current density on flexible friction-assisted electroplating rate

圖7 柔性摩擦輔助電鍍鉻層的氣密性測試Figure 7 Tightness test of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)電鍍鉻層相比，柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，裂紋少而窄，無氣孔和垂直貫穿的裂紋。柔性摩擦輔助電鍍致密鉻鍍層的最優(yōu)工藝條件為：工件轉(zhuǎn)速20 r/min，溫度65 °C，電流密度40 A/dm2。在最優(yōu)條件下所得硬鉻鍍層基本沒有裂紋，表面平整、致密，顯微硬度約為850 HV，氣密性合格。

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[ 編輯：周新莉 ]

Study on process of flexible friction-assisted electroplating of compact chromium coatings

DENG Yun, LYU Biao*,

WANG Xiao-he, HU Zhen-feng, LIANG Xiu-bing

Chromium coatings were prepared by flexible friction-assisted chromium electroplating in order to solve the problem of poor air tightness of hard chromium coating on aircraft landing buffer piston rod. The bath composition are as follows: CrO3220-300 g/L, H2SO42.2-3.0 g/L, Cr3+2.5-7.5 g/L, additive HF-04 6-8 mL/L. Effect of temperature, rotation speed of workpiece and current density on property of flexible friction-assisted chromium electroplated coatings were studied by observing the surface morphology of coatings obtained under different conditions. The optimal temperature, rotation speed of workpiece and current density is 65 °C, 20 r/min and 40 A/dm2respectively. The hard chromium coating obtained under the optimum condition has little micro-crack, a smooth and compact surface, a microhardness of 850 HV and qualified air tightness.

chromium; electroplating; flexible friction; surface morphology; crack; tightness

TQ153.11

A

1004 - 227X (2016) 19 - 1021 - 04

2016-07-03

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金（51505484）。

鄧云（1974-），男，四川閬中人，在讀碩士研究生，主要從事表面工程與再制造工程研究。

呂鏢，助理研究員，(E-mail) lb594287163@126.com。