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        核電堆內(nèi)構(gòu)件緊固件鍍鉻工藝研究

        2021-12-01 01:15:26劉曉強孟凡江丁宗華徐雪蓮林紹萱
        電鍍與涂飾 2021年21期
        關(guān)鍵詞:工藝

        劉曉強,孟凡江,丁宗華,徐雪蓮,林紹萱

        (上海核工程研究設(shè)計院有限公司,上海 200233)

        電鍍鉻分為裝飾性鍍鉻和功能性鍍鉻。裝飾性鍍鉻層很薄,而功能性鍍鉻又名硬鉻,主要是為了提高零部件的耐磨性和耐蝕性,降低零部件的咬合,以及修復(fù)破損部件[1-3]。功能性鍍鉻層厚度一般為5~50 μm,硬度在400~1200 HV范圍內(nèi)。因此,功能性鍍鉻能夠提高零部件的抗磨損能力,延長其使用壽命。

        在“國和一號”等三代核電站的主設(shè)備設(shè)計中,一些零部件(如堆內(nèi)構(gòu)件的緊固件和吊裝塊、驅(qū)動機構(gòu)零部件等)需電鍍硬鉻,并且鍍層必須具有優(yōu)異的性能。以堆內(nèi)構(gòu)件緊固件為例,要求鍍鉻層厚度為5~15 μm,平均硬度在750 HV以上,并且純度高于99.9%。在我國早期核電項目建造期間,一些關(guān)鍵部件的鍍鉻層在硬度、厚度、均勻性等方面達不到要求,且存在工藝不穩(wěn)定的情況,往往依賴國外技術(shù)。隨著我國核電行業(yè)的大力發(fā)展,為了提高核電的國產(chǎn)化水平和國產(chǎn)化率,核電零部件電鍍工藝的研究與開發(fā)顯得尤為重要。

        電鍍工藝是一個較為復(fù)雜的電化學(xué)過程,其影響因素很多,包括基材類型、形狀和表面質(zhì)量,電鍍液組成和溫度,電流密度等。對于核電鎳基合金和不銹鋼部件的電鍍,特別是安全性要求高的主設(shè)備零部件,更需要采用精確的電鍍工藝,才可保證得到優(yōu)異的鍍層性能[4-7]。因此,有必要對電鍍工藝進行一定的優(yōu)化和開發(fā)。本文以核電堆內(nèi)構(gòu)件緊固件零件為例,研究了鍍液的鉻酸酐質(zhì)量濃度、溫度和電流密度對電鍍鉻層性能的影響,為核電零部件鍍鉻層性能的控制提供指導(dǎo)。

        1 實驗

        1.1 堆內(nèi)構(gòu)件用螺栓電鍍鉻工藝

        基體為堆內(nèi)構(gòu)件常用的M12螺栓或25 mm × 102 mm × 1.25 mm試片,均為SA-193 Gr.B8M Cl.2不銹鋼。

        鍍鉻試片用于硬度、結(jié)合力和形貌分析。電鍍鉻工藝條件為:CrO3質(zhì)量濃度230~260 g/L,溫度50~65 °C,電流密度25~35 A/dm2。通過調(diào)整電鍍時間將鍍層厚度控制在40~50 μm。

        1.2 鍍層性能測試

        按照ASTM E384-17Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials測量鍍鉻層的顯微硬度,采用維氏壓頭,載荷100 g,加載時間15 s。

        按照ASTM B571-18Standard Practice for Qualitative Adhesion Testing of Metallic Coatings檢測鍍層結(jié)合力。采用彎曲法檢測試片表面鍍鉻層的結(jié)合力,并在奧林巴斯CKX53金相顯微鏡下觀察鍍層剝離情況。M12螺栓表面鍍層的結(jié)合力采用沖擊法檢測,將一直徑10 mm的鋼球放在零件鍍層上,用重約500 g的鐵錘猛擊鋼球1次,在工件表面形成一個直徑約3 mm的圓形凹坑,觀察鍍層是否起皮。

        采用Thermo Fisher ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀(XPS)分析鍍層成分。采用精度為1 μm的數(shù)字千分尺測量鍍鉻層厚度。采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的JB-1C表面粗糙度測試儀測量電鍍前后樣品的表面粗糙度(Ra)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鍍鉻工藝參數(shù)對鉻鍍層顯微硬度的影響

        從圖1a可知,當(dāng)CrO3質(zhì)量濃度為260 g/L、溫度為60 °C時,隨電流密度升高,鉻鍍層的顯微硬度呈上升趨勢,但變化幅度不大,最多僅相差30 HV,說明電流密度對鉻鍍層硬度的影響不大。下文取電流密度為30 A/dm2進行研究。

        從圖1b可知,當(dāng)CrO3質(zhì)量濃度為260 g/L、電流密度為30 A/dm2時,隨鍍液溫度升高,鉻鍍層的顯微硬度先升高后降低,55 °C時最高,為810 HV,而升至65 °C時,鍍層顯微硬度又降至700 HV以下。這說明溫度改變對鍍層硬度的影響較明顯,溫度過高或過低都不利于提高鍍層硬度。通常隨鍍鉻層硬度增大,一方面鍍層脆性增大,結(jié)合力下降;另一方面,鍍層出現(xiàn)裂紋的可能性會越大。因此鍍鉻層的硬度應(yīng)控制在合理的范圍,較適宜的溫度為55~60 °C,下文取60 °C進行研究。

        從圖1c可以看出,在鍍液溫度為60 °C和電流密度為30 A/dm2的條件下,鍍液的CrO3質(zhì)量濃度為230 g/L時,所得鉻鍍層的顯微硬度高達865 HV,增大CrO3質(zhì)量濃度至260 g/L時,鍍層的顯微硬度降至724 HV,繼續(xù)增大CrO3質(zhì)量濃度至300 g/L時,鍍層的顯微硬度又增大至770 HV。

        圖1 電流密度(a)、鍍液溫度(b)和CrO3質(zhì)量濃度(c)對鉻鍍層顯微硬度的影響Figure 1 Effects of current density (a), bath temperature (b), and CrO3 mass concentration (c) on microhardness of chromium coating

        綜上,鍍液溫度和鉻酸酐質(zhì)量濃度對鍍鉻層性能的影響較大,在電鍍鉻時要控制好這兩個參數(shù),以保證不同批次鍍鉻層的性能和質(zhì)量穩(wěn)定。較佳的工藝參數(shù)為:CrO3質(zhì)量濃度230 g/L,溫度55~60 °C,電流密度25~35 A/dm2。

        2.2 鍍層結(jié)合力

        采用彎曲法對上述不同工藝條件下獲得的鍍層進行結(jié)合力測試,并在金相顯微鏡下觀察鍍層剝離情況,發(fā)現(xiàn)所有樣品的鍍層均無剝離、起皮等不良現(xiàn)象。圖2示出了3種典型工藝條件下的鉻鍍層經(jīng)彎曲試驗后的表面狀態(tài)。另外,采用沖擊法對M12螺栓螺紋處圓弧面上相互呈120°角的3個位置進行試驗后 也均未發(fā)現(xiàn)鍍層起皮現(xiàn)象,說明鉻鍍層具有較好的結(jié)合力。

        圖2 鉻鍍層的結(jié)合力測試結(jié)果Figure 2 Adhesion test results of chromium coating

        2.3 鍍層成分分析

        按照設(shè)計要求,鍍鉻層中Cr的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)至少為99.9%,Co的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.05%。從圖3可以看出,在全譜范圍中只檢測到金屬Cr,即使在Co2p的高分辨譜圖中也未觀察到Co的譜峰,這說明鍍層純度較高,滿足要求。

        圖3 較優(yōu)工藝條件下所得鉻鍍層的XPS譜圖Figure 3 XPS patterns for chromium coating electroplated under the optimal conditions

        2.4 螺栓表面鉻鍍層性能分析

        在較優(yōu)工藝條件下對M12螺栓鍍鉻,所得的鍍層光滑連續(xù),無分層、起泡、凹坑、燒焦等缺陷(見圖4)。零件鍍鉻前后的表面粗糙度分別為0.4 μm和0.6~0.8 μm,鍍后表面粗糙度是鍍前的1.5~2.0倍。一般鍍鉻前基體表面粗糙度越低,越有利于獲得致密和高硬度的鍍層[8]。

        圖4 螺紋鍍鉻金相照片F(xiàn)igure 4 Metallograph of chromium-plated thread

        按照設(shè)計要求,螺栓的螺紋頂部和中部鍍鉻層厚度應(yīng)控制在5~15 μm,螺紋底部有可見鍍層即可,但也不宜超過5 μm,否則會使螺紋頂部鍍層厚度大于15 μm。如圖5所示,在鍍鉻過程中,由于螺紋頂部和中部的接觸面積較大,其表面鍍層厚度較容易滿足設(shè)計要求,但螺紋底部只能獲得2~3 μm的厚度(見圖5)。這主要與電鍍過程的電流密度分布不均有關(guān)。因此,在保證各部位鍍層厚度滿足要求的前提下,可通過合理布置陽極、采用脈沖電流等方式來適當(dāng)提高螺紋底部鍍層厚度,并確保零件鍍后可通過通止規(guī)檢查測試。

        圖5 螺紋鍍鉻層厚度示意圖Figure 5 Schematic diagram of thickness of chromium coating on thread

        3 結(jié)論

        鍍液溫度及鉻酸酐質(zhì)量濃度對核電堆內(nèi)構(gòu)件螺栓電鍍鉻的影響較大,電流密度的影響較小,較佳工藝參數(shù)為:CrO3質(zhì)量濃度230 g/L,溫度55~60 °C,電流密度25~35 A/dm2。在該條件下對M12螺栓鍍鉻可獲得硬度、結(jié)合力、成分和厚度都合格的鍍層。

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