章 偉 ，夏 媛 ，鄒天嘉 ，李 豐 ，周玉成

（1空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室 江西 南昌 330001）

（2江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 江西 南昌 330001）

0 引言

高溫合金鋼GH2132（0Cr15Ni26MoVTi2B）是一種時(shí)效硬化鐵基高溫合金，以Fe-25Ni-15Cr為基體，具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，適合制造能在長(zhǎng)期高溫（≤650 ℃）承力工作的部件上[1]。隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，高溫合金鋼GH2132在航空航天領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛。同時(shí)對(duì)高溫合金鋼GH2132表面處理的加工要求越來越嚴(yán)苛。國內(nèi)對(duì)GH2132材料的零件電鍍硬鉻一般是依據(jù)不銹鋼電鍍硬鉻工藝，但GH2132材料中鉻、鎳含量比一般不銹鋼高，造就了其表面易鈍化的特性會(huì)致使零件電鍍鉻高頻發(fā)生起皮、脫鉻等鍍層不合格現(xiàn)象。這種低效率的生產(chǎn)工藝已不能滿足實(shí)際大批量的生產(chǎn)需求。因此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，本文主要研究對(duì)GH2132材料零件電鍍硬鉻工藝的改進(jìn)及監(jiān)管重點(diǎn)，如選擇陽極電解除油、改進(jìn)浸蝕方式、非必要加入預(yù)鍍鎳中間鍍層、調(diào)整電鍍硬鉻工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)專用工裝等。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備和工藝流程

按圖1制作GH2132棒狀材料試樣，圖中試樣的光桿區(qū)域表面粗糙度均要求在Ra0.8 μm以下。表面處理要求為：光桿區(qū)域電鍍硬鉻。

實(shí)驗(yàn)工藝流程為：鍍前驗(yàn)收→拋光→裝掛→電解除油→浸蝕→超聲波清洗→預(yù)鍍鎳（必要時(shí)）→電鍍硬鉻→干燥→除氫→拆卸→檢驗(yàn)。試樣拋光能進(jìn)一步降低試樣表面的粗糙度，去除基體金屬的氧化層[2]。而電解除油是保持表面無油污、油脂、銹蝕及氧化物，前處理能獲得潔凈的施鍍表面，這是決定鍍層質(zhì)量的重要部分[3]。由于GH2132高溫合金鋼材料表面易鈍化，浸蝕工序是整個(gè)工藝流程的重要工序之一，也是產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管的重點(diǎn)。文中將對(duì)比4種浸蝕法的電鍍效果，利用化學(xué)溶解原理能達(dá)到去除零件表面氧化皮、鈍態(tài)薄膜等目的。預(yù)鍍鎳工序也是保證試樣電鍍硬鉻前表面無鈍化態(tài)。兼顧鉻鍍層質(zhì)量與實(shí)際生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜性，文中也探究了在電鍍鉻前加入預(yù)鍍鎳中間層的必要性。

1.2 電解除油組成及工藝參數(shù)

電解除油液配方：NaOH：30～50 g/L、Na2CO3·10H2O：20 ～ 30 g/L、Na3PO4·12H2O：20 ～ 30 g/L、Na2O·SiO2：3～5 g/L；工作溫度：60～80 ℃；電流密度：3～10 A/dm2。

電解除油有陽極除油與陰極除油，電鍍的前處理過程普遍采用陰極－陽極聯(lián)合，部分研究[4]表明先陰極除油、再短時(shí)間陽極除油的操作方法既可利用陰極除油速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可消除“氫脆”。在陰極除油時(shí)滲入金屬中的氫氣，可以在陽極除油的很短時(shí)間內(nèi)幾乎全部除去，零件表面也不至于氧化或腐蝕。但由于陰極除油有發(fā)生電沉積的可能，故基于GH2132高溫合金鋼材料表面易鈍化的特性，本實(shí)驗(yàn)只采用陽極電解除油1～5 min，析出的氧氣既能促使加速除油及去除污物，又能有效地利用電化學(xué)溶解剝離基體金屬表面氧化膜[4-5]。

1.3 浸蝕液組成及工藝參數(shù)

浸蝕1：槽液成分含量：H2SO4(1.84)：100～150 g/L；工作溫度：室溫；時(shí)間：2 min。

浸蝕2：槽液成分含量：H2SO4(1.84)：100～150 g/L、HCl：100～150 g/L、若?。?～5 g/L；工作溫度：室溫；時(shí)間：5 min。

浸蝕3：槽液成分含量：HNO3(69%)：75～262.5 g/L、HF(40%)；45～90 g/L；工作溫度：27～54 ℃；以實(shí)驗(yàn)室31 ℃下0.012 mm/h/surface的腐蝕速率計(jì)算，按去除量（2 μm）需要腐蝕 10 min。

浸蝕4：槽液成分含量：HCl：60～80 g/L、HNO3：250～300 g/L、HF：100～20 g/L；工作溫度：室溫；時(shí)間：20 ～ 30 s[6]。

1.4 預(yù)鍍鎳組成及工藝參數(shù)

nucl2·6H2O：200 ～ 250 g/L、HC1（p=1.19）：150～185 mL/L、電流密度：5～10 A/dm2；工作溫度：室溫；時(shí)間：先不通電1～4 min，再通電3～5 min。

1.5 電鍍硬鉻組成及工藝參數(shù)

電鍍硬鉻配方：fro3：200～250 g/L，Cr2O3：3～8 g/L，H2SO4(1.84)：2～2.5 g/L。工作溫度：55～60 ℃。陽極材料為含銻6%～8%的鉛銻合金。

通用電鍍硬鉻過程需要進(jìn)行預(yù)熱過程和陽極腐蝕，但為保持零件表面持續(xù)無鈍化膜的狀態(tài)，將電鍍硬鉻工藝參數(shù)進(jìn)行了以下調(diào)整，簡(jiǎn)便操作更能適應(yīng)生產(chǎn)需求，見圖2。

1.6 方法

按HB5041《硬鉻、乳白鉻鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》，檢驗(yàn)通過4種改進(jìn)方式后電鍍硬鉻層鍍后鍍層質(zhì)量（鍍層外觀、結(jié)合力測(cè)試）。鍍層外觀應(yīng)細(xì)致均勻，不允許鍍層粗糙、粒子、燒焦、裂紋、起泡、脫落。通過彎曲法檢測(cè)鍍層結(jié)合力，結(jié)合力測(cè)試是將100 mm×25 mm×1 mm的GH2132試樣沿一直徑等于板材厚度的軸反復(fù)彎曲180°，直至基體斷裂。此時(shí)鍍層不與基體分離為合格。

模擬批量生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)：將改進(jìn)方法分別運(yùn)用于批量試樣（≥20根）上，檢驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)電鍍的合格率，分析其改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法的生產(chǎn)可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸蝕實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

圖3展示了經(jīng)過4種浸蝕方法前后試樣的外觀狀態(tài)，再結(jié)合浸蝕方式前后重量損失量，得出表1中4種浸蝕效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)浸蝕一與浸蝕二是能用于溶解試樣表面上的鈍化薄膜，使表面活化，不允許浸蝕后在空氣中停留太久。而浸蝕三與浸蝕四工藝能達(dá)到一般浸蝕難以達(dá)到的腐蝕目的，能去除試樣上的厚層氧化皮。觀測(cè)4種浸蝕過程的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)、工藝前后外觀的改變，并對(duì)試樣的減重進(jìn)行對(duì)比，判斷4種浸蝕法腐蝕程度：浸蝕四＞浸蝕三＞浸蝕二＞浸蝕一。為適應(yīng)復(fù)雜的生產(chǎn)情況，浸蝕三與浸蝕四是比較具有適用性的。

表1 各浸蝕實(shí)驗(yàn)效果

2.2 預(yù)鍍鎳中間鍍層加入的必要性

通常不銹鋼電鍍工藝中需加入預(yù)鍍鎳中間打底層，這是為防止在不銹鋼表面生產(chǎn)接觸置換層而設(shè)立的[7]。本實(shí)驗(yàn)在前處理（陽極電鍍解除油+浸蝕三）優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研究了在電鍍鉻工序前加入預(yù)鍍鎳與否的鉻鍍層實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2與圖4。

表2 對(duì)比預(yù)鍍鎳工序加入與否的鉻鍍層質(zhì)量

從表2與圖4中可知，預(yù)鍍鎳的加入與否對(duì)鍍鉻層的外觀和結(jié)合力影響不大。雖然中間打底預(yù)鍍鎳層可在一定程度上能杜絕由于試樣表面鈍化而造成的結(jié)合力不良的情況，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜性以及預(yù)鍍鎳層在較大電流密度下長(zhǎng)時(shí)間沉積存在鍍層厚度不均勻的隱患，故在保證試樣表面無鈍化態(tài)的基礎(chǔ)上，預(yù)鍍鎳工序的加入是非必需的。實(shí)驗(yàn)將浸蝕與電鍍鉻工序之間的時(shí)間間隔控制在2 min之內(nèi)，不加入預(yù)鍍鎳中間鍍層仍可獲得較優(yōu)的鉻鍍層，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的電鍍生產(chǎn)加工過程，用以保證鍍層結(jié)合力合格。

2.3 對(duì)比4種浸蝕實(shí)驗(yàn)后電鍍硬鉻層質(zhì)量

4種浸蝕方式處理后電鍍硬鉻效果對(duì)比圖具體見圖5，從圖5看出經(jīng)過浸蝕一后電鍍硬鉻試樣（a），光桿鍍鉻區(qū)域根部鍍層有局部脫落的現(xiàn)象。浸蝕二、三處理的電鍍硬鉻試樣（b）（c）光桿鍍鉻區(qū)域鍍層完好，且鍍層細(xì)膩。而浸蝕四電鍍硬鉻試樣光桿鍍鉻區(qū)域鍍層完好，但鍍層粗糙。這可能與浸蝕四槽液具有一定的銑切深度有關(guān)，能腐蝕試樣使基體材料表面外露。

經(jīng)過4種浸蝕方式得到的鍍鉻試樣均進(jìn)行了結(jié)合力試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果：采用浸蝕一方式的電鍍硬鉻試片結(jié)合力測(cè)試不合格，其他均合格通過測(cè)試。由此可知，浸蝕槽液成分和浸蝕時(shí)間也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。浸蝕一方式不適合作為GH2132高溫合金鋼電鍍硬鉻的前處理工序。

2.4 專用電鍍硬鉻工裝夾具的設(shè)計(jì)

依據(jù)航空器通條零件光桿部分電鍍硬鉻的表面處理要求，增加可操作性，減少生產(chǎn)輔料的浪費(fèi)。為批量電鍍生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)提供便利，本文設(shè)計(jì)專用的電鍍工裝夾具見圖6。

根據(jù)圖6所示，工裝中遮蔽套使用低碳鋼薄壁板制作，將其套入零件六角螺帽的端部，精密配合將零件的六角螺帽處掩蔽，在電鍍硬鉻過程中遮蔽套能有效地吸收六角螺帽處的電力線，使六角螺帽處不鍍硬鉻。依靠支桿上配套的定位螺紋孔，將零件逐個(gè)旋緊裝夾在支桿上。一方面，支桿與零件旋緊接觸起導(dǎo)電作用；另一方面，定位螺紋孔能保護(hù)不需鍍硬鉻的螺紋區(qū)域。通過使用這種工裝，達(dá)到光桿部分局部電鍍硬鉻的要求，并且能有效提高生產(chǎn)效率，增加零件一次性交付率，提升產(chǎn)品批產(chǎn)質(zhì)量。

2.5 批量電鍍硬鉻生產(chǎn)能力

為驗(yàn)證本文工藝改進(jìn)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于批量電鍍硬鉻零件的能力，運(yùn)用上文設(shè)計(jì)的專用工裝夾具，將60件試樣分別進(jìn)行前處理（侵蝕二、侵蝕三、侵蝕四）+電鍍硬鉻的工藝實(shí)驗(yàn)。將鉻鍍層質(zhì)量達(dá)到HB5041《硬鉻、乳白鉻鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》外觀和結(jié)合力合格標(biāo)準(zhǔn)，視為合格，統(tǒng)計(jì)合格數(shù)量，具體見表3所列。

表3 各批量實(shí)驗(yàn)合格率

可以得出，序號(hào)1批量實(shí)驗(yàn)雖可有較大的合格率，但不能滿足嚴(yán)格“零返工”和快速生產(chǎn)流轉(zhuǎn)的需求，故選擇序號(hào)2、序號(hào)3的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案更為適用。

而在槽液維護(hù)方面，浸蝕四槽液表現(xiàn)出較強(qiáng)腐蝕性、易揮發(fā)性，容易使基材發(fā)生過腐蝕，周邊電器元件、槽體及內(nèi)部裝置也會(huì)快速的腐蝕損毀。浸蝕三溶液性能穩(wěn)定、去除氧化物效果明顯，并且可根據(jù)具體的單面腐蝕速率來量化浸蝕量，能為后期的尺寸電鍍硬鉻提供工藝參數(shù)上的把握。綜上所述，陽極電解除油、選擇改進(jìn)的浸蝕三方式，通過調(diào)整的電鍍硬鉻工藝，設(shè)計(jì)及運(yùn)用專用的電鍍工裝夾具能批量獲得合格的鉻鍍層，能高效地應(yīng)用于實(shí)際批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過選擇陽極電解除油、改進(jìn)浸蝕方式、非必要加入預(yù)鍍鎳中間鍍層、調(diào)整電鍍硬鉻工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)專用工裝及對(duì)應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)管措施，使GH2132光桿零件電鍍硬鉻質(zhì)量得到改進(jìn)，創(chuàng)新高溫合金鋼GH2132的電鍍鉻工藝方式，為今后高溫合金鋼GH2132電鍍其他鍍種（電鍍鋅、電鍍銀等等）提供參考依據(jù)。