淺談化學(xué)鍍Ni-P工藝在軸類零件中的應(yīng)用

■ 河南平高電氣股份有限公司 畢玉明 周瑛

1 化學(xué)鍍Ni工藝特點(diǎn)

化學(xué)鍍Ni-P合金工藝是近幾年發(fā)展較快的新工藝，是一種非晶態(tài)鍍層，是金屬表面防護(hù)、裝飾、強(qiáng)化為一體的新技術(shù)。同其它鍍覆工藝方法比較，化學(xué)鍍Ni-P合金工藝具有以下特點(diǎn)：

⑴鍍層硬度高，耐磨性好，鍍層中含有特定的磷含量，形成非晶態(tài)組織。

⑵優(yōu)良耐腐蝕性能，化學(xué)鍍Ni-P合金是一種非晶態(tài)鍍層，沒有晶粒間隙和位錯等晶格缺陷，鍍層致密、孔隙小。

⑶結(jié)合力良好，對鋼鐵、銅、鋁等材料有良好的結(jié)合能力。

⑷均鍍能力和深鍍能力好，不受零件幾何形狀的限制，凡是溶液能浸到的地方，都能得到厚度一致的均勻鍍層。

化學(xué)鍍Ni-P工藝隨著鍍液中P含量不同，分為高磷(10%~12%)、中磷(4%~10%)和低磷(1%~4%)，從不同PH值的鍍液中可獲得不同含磷量的鍍層，在弱酸性溶液中（PH=4~5）可獲得中磷和高磷合金，從弱堿性溶液（PH=8~10）中可獲得低磷和中磷合金，高磷鍍層的耐蝕性大于低磷鍍層，含磷為8%以上的合金是一種非晶態(tài)鍍層，選用不同溶液，其耐蝕性及硬度會發(fā)生變化。

2 現(xiàn)場調(diào)查

我公司用于戶外產(chǎn)品的軸、傳動軸等類零件，其表面防護(hù)層長期以來存在質(zhì)量問題，有的是涂層耐磨性較差，產(chǎn)品運(yùn)行后，導(dǎo)致零件上涂層脫落，有的是涂層的防腐達(dá)不到要求，表面過早產(chǎn)生銹蝕，總之零件的防腐問題一直沒有解決，用戶反映很強(qiáng)烈。經(jīng)了解該類零件表面采用防護(hù)工藝很雜，有達(dá)克羅涂層、電鍍鋅層、鍍鉻層、發(fā)藍(lán)、磷化膜層等等，這些防護(hù)層都存在一定的局限性，采用防護(hù)性能好的涂層，其耐磨性達(dá)不到要求，采用耐磨性能優(yōu)異的涂層其防腐能力又滿足不了零件的防腐要求，為此，設(shè)計對部分零件改用1Cr18Ni9Ti材料，但不銹鋼表面易劃傷，材料強(qiáng)度低，滿足不了產(chǎn)品性能的要求。 經(jīng)分析了解得知，由于軸類零件在產(chǎn)品運(yùn)行過程中，表面防護(hù)層必須有一定耐磨性能，又因?yàn)橛糜趹敉猸h(huán)境中，防護(hù)層應(yīng)能經(jīng)受住大氣侵蝕，因此該類零件表面防護(hù)層必須滿足兩個條件：1)鍍層具有較高硬度、耐磨性好； 2)優(yōu)良的耐腐蝕性，經(jīng)受住大氣惡劣環(huán)境的侵蝕。

由于化學(xué)鍍Ni工藝具有以上的特點(diǎn)，公司軸類零件很需要采用該新技術(shù)。為了驗(yàn)證其工藝可行性，按照上面兩個條件，做相應(yīng)的耐磨性和腐蝕試驗(yàn)。

3 耐磨性的試驗(yàn)情況

2005年4月，工藝部組織人員加工幾件軸類零件，在鄭州采用化學(xué)鍍Ni-P工藝（中磷）鍍了幾件，厚度：16～18μm，裝在新產(chǎn)品上做壽命試驗(yàn)，經(jīng)過整個循環(huán)試驗(yàn)完工后拆下檢查，零件表面鍍層未見異常。隨后制做化學(xué)鍍Ni-P高磷、中磷試片分別檢測鍍層的硬度，同時對部分試片進(jìn)行了熱處理，溫度為400℃，時間為1h，時效處理，檢測其硬度，發(fā)現(xiàn)高溫處理后，鍍層硬度有明顯的提高，接近鍍鉻層的硬度。

4 防腐性能的試驗(yàn)

化學(xué)鍍Ni-P工藝的耐腐蝕能力如何，能否經(jīng)受住大氣侵蝕是我們最為關(guān)心的問題，于是選用高磷和中磷化學(xué)鍍鎳磷工藝分別制做了試片，進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)。為了掌握化學(xué)鍍層進(jìn)行熱處理后的防腐性能，同期進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱處理后，鍍層非晶態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)，鍍層的硬度雖然提高了，耐蝕性有所下降。見表2。

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從以上兩次試驗(yàn)情況來看，適當(dāng)增加鍍層的厚度，化學(xué)鍍Ni-P鍍層硬度及耐腐蝕性能夠滿足產(chǎn)品軸類零件的使用要求。

由于公司軸類零件的規(guī)范較多，既有密封嚴(yán)格的配合尺寸，又有加工粗糙的外露表面，零件上還有鍵槽及螺紋部分，可見表面粗糙度差異很大，零件的防腐性能究竟如何？為進(jìn)一步了解零件實(shí)際腐蝕情況，經(jīng)慎重考慮，對鍍好零件再次進(jìn)行浸泡鹽水試驗(yàn)及中性鹽霧防腐試驗(yàn)，結(jié)果表明，鍍層防腐性能不理想，經(jīng)查看（實(shí)物）端面、螺紋部分及光潔度較低處銹蝕嚴(yán)重，而光潔度為3.2的面沒有銹蝕，經(jīng)分析主要是零件的一部分表面光潔度過低。

因?yàn)榱慵哪臀g性與其厚度、表面光潔度及鍍層孔隙率有很大的關(guān)系，零件表面越光滑、鍍層越厚、孔隙率越低，其防腐性會越好（從下面的圖1情況可看出影響）。根據(jù)防腐試驗(yàn)情況及保證零件耐蝕問題，需要對該類零件提出更高的要求，零件表面的光潔度要求3.2（至少6.3）以上，厚度要求30μm以上，這樣一來會影響軸類零件的配合尺寸，設(shè)計人員要重新計算、修改零件的尺寸，相應(yīng)材料成本也上升很多。

5 化學(xué)鍍Ni層的防護(hù)性能分析

5.1鍍層厚度與防護(hù)性的關(guān)系 磷含量對鍍層結(jié)構(gòu)影響很大，化學(xué)鍍Ni層是隨鍍層中磷含量增加而從晶態(tài)連續(xù)地向非晶態(tài)變化的，鍍層才得以致密、孔隙小，因而高磷鍍層的耐蝕性大于低磷鍍層，從以上試驗(yàn)可看出。同時要保護(hù)基體金屬不被侵蝕，要達(dá)到足夠的厚度，鍍層厚度直接影響零件的耐蝕性、孔隙率等性能，有研究表明，鍍層厚度達(dá)到25以上時，孔隙明顯降低，從而提高鍍層的耐蝕性。如圖1表示出這種影響。

5.2 鍍層孔隙率與防護(hù)性的關(guān)系 化學(xué)鍍Ni層的孔隙率在很大程度上決定了鍍層與基底構(gòu)成的結(jié)合體的耐蝕性?；瘜W(xué)鍍Ni層的孔隙率是受鍍層的厚度、鍍液的組成、鍍件表面的粗糙度、鍍液的清潔度、熱處理?xiàng)l件等幾個因素影響的，隨著鍍層厚度的增加而減少的。鍍液組成不同，孔隙率也有所不同，酸性鍍液沉積出的鍍層就比堿性鍍液沉積出的鍍層孔隙率低，鍍件表面的光潔度越高，鍍層越厚，其孔隙率越低。研究證明，在粗糙度R為2.5~10時的鋼基體上鍍厚度為9~11μm的鍍層，其孔隙率為6~7個/ dm，而在粗糙度 R=0.2~1.25μm的鋼基體鍍同樣厚度的鍍層，孔隙率降至1~2個/dm。表3說明高磷鍍層的孔隙率與厚度的關(guān)系，可以看出，要提高零件的耐腐蝕能力，降低鍍層孔隙率，增加鍍層厚度是主要方面之一。

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5.3 零件表面狀態(tài)與防護(hù)性的關(guān)系 為了提高鍍層防護(hù)能力，必須保證鍍層的結(jié)合力及連續(xù)性，鍍層均勻一致。因此零件前處理顯得很重要，首先零件的表面的油污要徹底除凈，要經(jīng)過化學(xué)除油及電解除油各工序，另外要掌握好零件酸洗的時間，不能過腐蝕。零件表面越粗糙，其耐腐蝕性就越差，不平和毛刺對化學(xué)鍍鎳層起到誘發(fā)針孔生成或引起其他不均勻性的作用，粗糙刻痕中往往有雜質(zhì)存在，使鍍層不均勻，易產(chǎn)生局部腐蝕。經(jīng)表面拋光的試片在中性鹽霧720小時才出現(xiàn)銹斑，說明試片基體表面越光潔，其鍍層的孔隙率越低，鍍層的耐蝕性會越好（見圖3）。鑄件或燒結(jié)的基體具有粗糙表面，化學(xué)鍍Ni較困難，廢品率較高，一般在化學(xué)鍍Ni前先電鍍鎳，可使鍍層表面均勻一致，但這樣的零件不能用于戶外使用。

6 化學(xué)鍍Ni工藝的控制

化學(xué)鍍Ni工藝同其他表面處理工藝一樣，包括前處理、工藝流程的操作、鍍后處理各部分工藝程序組成，正確地控制工藝全過程才能獲得質(zhì)量合格的鍍層。然而，與電鍍工藝比較，化學(xué)鍍Ni工藝全過程應(yīng)格外仔細(xì)，其取決于在零件表面均勻一致的、迅速成的初始狀態(tài)；一般說來，化學(xué)鍍Ni液比較電鍍液更加敏感與嬌弱，其中各項(xiàng)化學(xué)成份的平衡、工藝參數(shù)的可操作范圍比較狹窄，對于污染的耐受能力較差，主要問題是鍍液不穩(wěn)定，具體以下幾項(xiàng)：

⑴溫度 鍍液的溫度是影響化學(xué)鍍鎳沉積速度最重要的因素，太高會因沉積太快而失控，導(dǎo)致亞磷酸鹽迅速增加，觸發(fā)鍍液的分解報廢，溫度過低又影響鍍層的沉積速度，因此溫度要求很嚴(yán)格，盡可能減少溫度的波動，上下不能超過2℃。

⑵對異金屬微粒非常敏感，周圍環(huán)境要求過高，鍍液必須連續(xù)循環(huán)過濾，保持鍍液清潔干凈，減少鍍層的孔隙，用后加蓋保護(hù)，否則會引發(fā)鍍液失效。

⑶均勻性。鍍液工作溫度相對恒定，保證整槽溶液溫度一致，防止局部過熱，導(dǎo)致鍍層不均勻，影響耐蝕性。

⑷PH值的變化，經(jīng)常調(diào)整其穩(wěn)定性，可保證溶液的沉積速度一致，通過化驗(yàn)檢測，加以調(diào)整PH值。

⑸ 由于鎳的自催化作用，溶液消耗較快，需要經(jīng)常化驗(yàn)測試，不斷補(bǔ)加溶液，維持鍍液的穩(wěn)定。

7 結(jié)論

由以上分析可知，用于戶外零件的化學(xué)鍍Ni層，要達(dá)到一定防腐要求，還需要鍍層的厚度及表面光潔度來保證，根據(jù)化學(xué)鍍Ni溶液的致密性、孔隙率及試驗(yàn)情況。要求：1）零件表面的光潔度最好能達(dá)到3.2以上；2）要求采用化學(xué)鍍高磷工藝，鍍層厚度還需要增加到30μm以上；3）加強(qiáng)化學(xué)鍍廠家的工藝過程的控制，提高鍍層的質(zhì)量；4）對于焊接軸類零件，盡量保證焊接質(zhì)量，避免氣孔出現(xiàn)，影響鍍層的質(zhì)量；5）對于鑄鋼類零件及經(jīng)拋丸的零件，由于是多孔結(jié)構(gòu)，基體內(nèi)部容易滯留殘液和氫氣，引起化學(xué)及電化學(xué)腐蝕，鍍層質(zhì)量難以保證，盡量不采用化學(xué)鍍Ni工藝。

通過對化學(xué)鍍工藝了解得知，各化學(xué)鍍Ni公司的溶液配制、工藝參數(shù)、工藝規(guī)范不同，零件的耐磨性和耐蝕性都有很大變化，而且化學(xué)鍍Ni工藝穩(wěn)定性差，受很多因素的限制，質(zhì)量難以保證。許多公司承接的產(chǎn)品大部分屬民用產(chǎn)品，側(cè)重于裝飾方面，對工業(yè)產(chǎn)品零件的質(zhì)量要求，認(rèn)識不深，質(zhì)量控制手段不完善，由于我公司的零件形狀各異，最長達(dá)1500m，化學(xué)鍍Ni廠家沒有接手過大零件的處理，相應(yīng)的工藝需要做調(diào)整，配備合適的循環(huán)泵及加熱設(shè)置，來滿足工藝的需要，在生產(chǎn)初期不可避免地出現(xiàn)一些這樣或那樣的質(zhì)量缺陷，而我們了解的只是化學(xué)鍍工藝表面現(xiàn)象，對新工藝的認(rèn)識還處于摸索階段，對于生產(chǎn)中每次出現(xiàn)的問題，還需要和化學(xué)鍍廠家認(rèn)真的分析與討論，不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，轉(zhuǎn)換工作思路，逐步完善化、規(guī)范化，以保證化學(xué)鍍Ni零件的表面質(zhì)量，提高產(chǎn)品的防腐蝕能力。