唐恩軍，張華軍，黃選民，李潔，喻善遠(yuǎn)

（1.成都航利(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限公司，四川 成都 611930；2.空裝成都局某軍事代表室，四川 成都 610500）

FGH97鎳基粉末冶金高溫合金具有強(qiáng)度高、抗疲勞、無宏觀偏析等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件的制造。但在使用過程中，粉末冶金高溫合金零件仍然存在磨損問題，隨著零件的持續(xù)使用，磨損越來越嚴(yán)重。為保證產(chǎn)品裝配尺寸，部分零件的磨損部位需要通過電鍍鉻來修復(fù)。由于FGH97粉末冶金高溫合金自身成分和冶金方法的特殊性，該類零件的電鍍鉻層往往結(jié)合力很差[2]。

本文研究了噴砂、活化、預(yù)鍍等電鍍前處理工藝以及電鍍工藝參數(shù)對(duì)FGH97粉末冶金高溫合金零件表面鍍鉻層結(jié)合力的影響，獲得了較佳的鍍鉻工藝，所得鉻鍍層結(jié)合力滿足該類零件的使用要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍鉻工藝流程

基體是50 mm × 100 mm × 1 mm的FGH97試片，原鍍鉻工藝流程為：有機(jī)溶劑除油→噴砂→補(bǔ)充除油→電鍍鉻→清洗。

1.2 鍍層性能測(cè)試方法

1.2.1 結(jié)合力

(1) 銼刀試驗(yàn)：用銼刀從基體沿45°角銼向鍍層或用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪對(duì)試樣邊緣進(jìn)行磨削，磨削方向與銼刀方向相同，在完全露出基體與鍍層的斷面時(shí)鍍層無起皮、脫落現(xiàn)象視為結(jié)合力合格。

(2) 拉伸試驗(yàn)：參考GB/T 31586.1-2015《防腐涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù) 涂層附著力/內(nèi)聚力(破壞強(qiáng)度)的評(píng)定和驗(yàn)收準(zhǔn)則 第1部分：拉開法試驗(yàn)》，在美特斯C45.105拉伸試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)鍍層與基體金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2.2 其他性能

采用北京同德創(chuàng)業(yè)TTC-TR300粗糙度儀檢測(cè)鍍層的表面粗糙度。采用奧林巴斯GX71倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡觀察鍍層的金相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴砂工藝參數(shù)對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響

2.1.1 噴砂壓力

采用80目白剛玉砂，保持噴砂角度為60° ～ 90°(下同)，在不同壓力下對(duì)FGH97粉末冶金高溫合金噴砂，然后在相同條件下電鍍鉻，最后用拉伸法檢測(cè)鍍層的結(jié)合力。從圖1可以看出，在其他條件相同的情況下，噴砂的最佳壓力為0.5 MPa。當(dāng)噴砂壓力小于0.5 MPa時(shí)，鍍鉻層的結(jié)合力隨噴砂壓力增大而增大。噴砂壓力高于0.5 MPa后，隨噴砂壓力增大，鍍鉻層的結(jié)合力基本保持不變。噴砂時(shí)砂粒主要通過切削在基體表面形成凹坑來提高基體的表面粗糙度。隨著噴砂壓力的增大，基體表面凹坑的數(shù)量和深度增大，表面粗糙度隨之增大，一方面加大了基體與鍍層的貼合面積，另一方面在微觀結(jié)構(gòu)上增加了基體與鍍層之間的機(jī)械咬合，從而提高了鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)噴砂壓力較高時(shí)，砂粒切削基體形成凹坑與凸起的能力達(dá)到平衡，零件表面粗糙度不再隨噴砂壓力增大而增大。

圖1 噴砂壓力對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響Figure 1 Effect of blasting pressure on adhesion of chromium coating

2.1.2 砂粒尺寸

在0.5 MPa的壓力下，分別采用不同粒度的白剛玉砂對(duì)FGH97粉末冶金高溫合金進(jìn)行噴砂，然后在相同條件下電鍍鉻，以研究噴砂壓力對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響，結(jié)果見圖2。隨砂粒目數(shù)增大(即砂粒直徑減小)，鍍鉻層的結(jié)合力減小。這主要是因?yàn)殡S砂粒直徑減小，噴砂時(shí)基體表面形成的凹坑深度變小，噴砂后零件表面粗糙度減小，從而導(dǎo)致零件基體與鍍層之間的貼合面積減小了，基體與鍍層之間的機(jī)械咬合也減弱了。因此后續(xù)選用80目白剛玉砂在0.5 MPa的壓力下對(duì)基體噴砂。

圖2 砂粒尺寸對(duì)鍍鉻層結(jié)合力影響Figure 2 Effect of abrasive size on adhesion of chromium coating

2.2 活化對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響

FGH97粉末冶金高溫合金表面鍍鉻層結(jié)合力差主要與其元素組成復(fù)雜有關(guān)，其中的Cr、Ni、Co、Al、Ti等元素在空氣中極易氧化而形成致密的氧化膜，這種膜具有極強(qiáng)的自修復(fù)能力，使得FGH97粉末冶金高溫合金的電鍍十分困難。因此，針對(duì)FGH97粉末冶金高溫合金的化學(xué)成分特點(diǎn)設(shè)計(jì)了以下4種活化配方：

(1) 配方A：鹽酸(密度1.19 g/cm3)50 ～ 100 g/L，3501添加劑40 ～ 50 g/L。

(2) 配方B：硝酸(密度1.42 g/cm3)100 ～ 200 mL/L，氫氟酸(密度1.19 g/cm3，下同)50 ～ 150 mL/L，3522添加劑2 ～ 5 g/L。

(3) 配方C：濃硫酸(密度1.84 g/cm3，下同)15% ～ 25%(體積分?jǐn)?shù))，氫氟酸3% ～ 10%(體積分?jǐn)?shù))，3500添加劑7 ～ 15 g/L。

(4) 配方D：濃硫酸30 ～ 300 g/L，3502添加劑20 ～ 25 g/L。

先用80目白剛玉砂在0.5 MPa下對(duì)基體進(jìn)行噴砂處理，再在室溫下采用不同配方活化基體30 ～ 60 s，接著在相同條件下電鍍鉻，最后用銼刀法檢查鍍鉻層結(jié)合力。從圖3可知，采用配方A、C或D活化基體均能提高鍍鉻層的結(jié)合力，其中以配方C的效果最為顯著。采用配方B活化時(shí)，經(jīng)銼刀試驗(yàn)后鍍層大面積脫落，結(jié)合力比未活化試樣表面鍍鉻層還差。這主要是因?yàn)榕浞紹中含大量硝酸和氫氟酸，它們對(duì)FGH97粉末冶金高溫合金的腐蝕作用較強(qiáng)，在活化過程中基體金屬溶解過快，生成不溶性物附著在基體表面而形成掛灰，影響鍍鉻層結(jié)合力。

圖3 基體未活化和采用不同溶液活化時(shí)所得鍍鉻層的銼刀試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 File test results of chromium coatings electroplated on substrate unactivated and activated with different solutions

2.3 預(yù)鍍鎳對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響

以FGH97粉末冶金高溫合金為基體，先用80目白剛玉砂在0.5 MPa壓力下噴砂，預(yù)鍍鎳后電鍍鉻，最后用銼刀法檢測(cè)鍍鉻層結(jié)合力。從圖4可知，在鍍鉻前對(duì)基材預(yù)鍍鎳可獲得結(jié)合力良好的鍍層，甚至好于采用硫酸-氫氟酸活化再鍍鉻所得的鍍層。但預(yù)鍍鎳溶液的鹽酸含量較高，F(xiàn)GH97粉末冶金高溫合金在鹽酸環(huán)境中對(duì)縫隙腐蝕較為敏感，在預(yù)鍍鎳過程中容易發(fā)生縫隙腐蝕，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的FGH97粉末冶金高溫合金零件不宜進(jìn)行預(yù)鍍鎳。

圖4 采用預(yù)鍍鎳時(shí)所得鍍鉻層的銼刀試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 File test result of chromium coating electroplated on the substrate pre-plated with nickel

2.4 電鍍鉻時(shí)給電方式對(duì)鍍鉻層結(jié)合力的影響

先用80目白剛玉砂在0.5 MPa壓力下對(duì)基體噴砂，再用配方C活化，接著分別采用1 min內(nèi)緩升和5 min階梯式給電的方式電鍍鉻，最后采用拉伸法檢測(cè)鍍層結(jié)合力。其中階梯式給電的具體操作如下：

(1) 以規(guī)定電流的10%帶電入槽預(yù)熱3 ～ 5 min；

(2) 以規(guī)定電流的20%電鍍1 min；

(3) 以規(guī)定電流的30%電鍍1 min；

(4) 以規(guī)定電流的40%電鍍1 min；

(5) 以規(guī)定電流的50%電鍍1 min；

(6) 在1 min內(nèi)將電流逐步升至規(guī)定電流。

從表1可以看出，采用5 min階梯式給電可以進(jìn)一步提高鍍層結(jié)合力。這主要是因?yàn)殄冦t液屬于強(qiáng)氧化性溶液，采用1 min內(nèi)緩升給電方式時(shí)，零件在槽液中處于無沉積狀態(tài)的陰極活化時(shí)間太短，且零件入槽所帶電流太低，表面活化不充分，進(jìn)而影響鍍層結(jié)合力。5 min階梯式給電方式加大了零件帶電入槽電流，同時(shí)延長(zhǎng)了零件在槽液中陰極活化的時(shí)間，表面得以充分活化，起到進(jìn)一步改善鍍層結(jié)合力的作用。

表1 不同給電方式下所得鍍鉻層的結(jié)合力Table 1 Adhesion of chromium coatings electroplated under different power supply modes

在金相顯微鏡下可觀察到較佳工藝條件下所得的鍍鉻層均勻分布，與基體緊密結(jié)合，如圖5所示。

圖5 采用改進(jìn)工藝后鍍鉻層的金相照片F(xiàn)igure 5 Metallograph of chromium coating electroplated by the improved process

3 結(jié)論

通過優(yōu)化噴砂工藝、電鍍前活化或預(yù)鍍鎳以及改進(jìn)電鍍給電方式，可以解決FGH97粉末冶金高溫合金電鍍鉻結(jié)合力差的問題。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件，較佳的鍍鉻工藝為：0.5 MPa下以80目白剛玉砂噴砂 + 預(yù)鍍鎳 +5 min階梯式給電方式電鍍。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，較佳的鍍鉻工藝為：0.5 MPa下以80目白剛玉砂噴砂 +硫酸-氫氟酸活化 + 5 min階梯式給電方式電鍍。