碳鋼化學(xué)鍍鎳除氫和熱擴(kuò)散工藝研究

汪玉祥，周蘇閩，李含馳，周 巍

(淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

在化學(xué)鍍體系中，被鍍金屬離子得到電子，氫離子也同樣會得到電子，生成原子態(tài)的氫，滲透到金屬鍍層內(nèi)部，使鍍層疏松，鍍件擱置一段時(shí)間后，原子態(tài)的氫會結(jié)合生成氫氣而使體積膨脹，從而導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生針孔、鼓泡甚至脫落等缺陷，如果滲透到基體還會導(dǎo)致整個(gè)鍍件發(fā)生氫脆，特別是高強(qiáng)度鋼，一旦滲氫很容易脆斷。同時(shí)在鍍前處理(清洗、酸洗、活化等)過程中由反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣均會造成基體吸氫，有些氫氣滲入到金屬晶格中去，造成晶格點(diǎn)陣歪扭，使零件內(nèi)應(yīng)力增加，鍍層和基體金屬變脆，降低了結(jié)合力甚至造成鍍層脆裂、脫落。因此，鍍后要在一定的溫度下熱處理數(shù)小時(shí)，驅(qū)除掉滲透到鍍層下面或者基體金屬中的氫。

化學(xué)鍍層與鋼材界面間的結(jié)合力是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能。實(shí)踐證明:化學(xué)鍍層可以增加鋼材表面硬度、耐磨性、耐蝕性、增厚及修復(fù)工件。但如果結(jié)合強(qiáng)度不夠，則上述作用都將難以實(shí)現(xiàn)。

對鍍鎳金屬進(jìn)行熱處理，可使鍍層與基體金屬的分界面上出現(xiàn)擴(kuò)散層，使鍍層與基體金屬的結(jié)合力得到極大的加強(qiáng)。擴(kuò)散層的特點(diǎn)是鍍層與基體金屬之間的成分逐漸發(fā)生了緩慢的變化，可降低鍍層與基體金屬因熱膨脹系數(shù)不同而引起的內(nèi)應(yīng)力。鍍鎳層與鋼材具有互溶性，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，并給予一定的能量，則可使原子通過界面擴(kuò)散。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備:電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG－9246A型 )，高溫箱式電爐(SX2－4－1.0)等。

分析測試設(shè)備:能譜儀(EMAX)。

1.2 試件

鋼片30×15×2mm A3鋼，M14螺栓A3鋼，鍍鎳層厚度都為30μm。

1.3 鍍液成分及工藝條件

硫酸鎳20 g/L，次亞磷酸鈉25 g/L，無水乙酸鈉25 g/L，酒石酸甲鈉4 g/L，乙酸4 mL/L，pH值為4.5 ～4.7，溫度(85 ±1)℃，鍍速 11.70 μm/h。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 除氫方法

鍍鎳鋼片經(jīng)電吹風(fēng)吹干后，進(jìn)入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱并同時(shí)打開頂部的排氣孔，便于干燥箱內(nèi)空氣流通并把潮濕的氣體排出箱外，除氫溫度和除氫時(shí)間視不同鍍層有所不同，時(shí)間一般為2～3h，暫定為 2h。

1.4.2 熱擴(kuò)散方法

鍍鎳鋼片經(jīng)除氫處理后，為防止二次吸氫，直接進(jìn)入馬弗爐進(jìn)行2小時(shí)加熱擴(kuò)散處理。

1.5 結(jié)合強(qiáng)度檢測方法

1.5.1 鋼片鍍層結(jié)合力檢測

按GB/T5270－1980用一把刃口磨成30°銳角的硬質(zhì)鋼刀，在鋼尺的配合下，用力在鍍層表面上劃二條間隔為2 mm的平行線，劃刀必須穿透鍍層。如果平行線之間的鍍層出現(xiàn)任何的剝離現(xiàn)象，則認(rèn)為鍍層的結(jié)合力不好。

1.5.2 螺栓鍍層結(jié)合力檢測

在M14螺栓上鍍上鎳鍍層，用M14板牙對鍍鎳螺紋鉸削，鍍層出現(xiàn)任何的剝離現(xiàn)象，則認(rèn)為鍍層的結(jié)合力不好。

2 結(jié)果與討論

2.1 除氫、熱擴(kuò)散溫度初定

鍍鎳鋼片分別經(jīng)過 100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650℃加熱并保溫2 小時(shí)，加熱溫度對結(jié)合力、鍍層表面狀況影響見表1。

表1 加熱溫度對結(jié)合力、鍍層表面的影響

由表1可見，熱處理溫度低于450℃時(shí)，鍍層在劃痕試驗(yàn)時(shí)有輕微脫落，結(jié)合力不夠高，450℃后鍍層無脫落，說明基體與鍍層之間的結(jié)合比較可靠，所以加熱擴(kuò)散溫度應(yīng)在450℃以上。

由表1可見，表面狀況在300℃以上，鍍層普遍出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，溫度越高越多，并發(fā)生破裂。這是因?yàn)楫?dāng)溫度、壓力較高時(shí)，溶解在鋼中的氫將與鋼中的滲碳體(Fe3C)發(fā)生脫碳反應(yīng)生成甲烷:

隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，生成的甲烷在鋼中擴(kuò)散困難，只能積聚在晶界原存的微觀空隙內(nèi)，化學(xué)鍍鎳層與鋼材界面處同樣有甲烷積聚，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使鍍層出現(xiàn)細(xì)小的裂紋或氣泡鼓起。所以熱擴(kuò)散加熱前應(yīng)先除氫，除氫溫度不宜太高，否則除氫未果，鍍層已被甲烷氣泡脹鼓，由表1可知除氫溫度應(yīng)在300℃以下。

2.2 除氫溫度的確定

除氫效果較好時(shí)，氫已從鋼材中逐出，再進(jìn)行高溫處理時(shí)，則不會發(fā)生起泡脹破現(xiàn)象。本文從低到高用不同溫度對鍍件除氫兩小時(shí)，然后進(jìn)行450℃高溫處理兩小時(shí)，不發(fā)生起泡脹破者為除氫適宜溫度，見表2。

表2 除氫溫度對鍍層表面的影響

由表2可知，220℃以下除氫時(shí)，除氫不盡，在高溫處理時(shí)，鍍層都存在裂紋及氣泡，220℃以上時(shí)，由于溫度偏高，在除氫時(shí)，已有甲烷產(chǎn)生并積留。高溫處理，更使裂紋變大，氣泡增多，所以定200～220℃為除氫適宜溫度，由于還存在微小裂紋，故將除氫時(shí)間延長為3小時(shí)，以提高除氫質(zhì)量。

2.3 加熱擴(kuò)散溫度的確定

在加熱條件下，鍍層中鎳向基材擴(kuò)散的同時(shí)，基材中的鐵、碳也在向鍍層擴(kuò)散，當(dāng)鐵、碳擴(kuò)散到鍍層表面時(shí)，通過能譜檢測可以測到鐵、碳含量的變化。圖1、圖2分別為原鍍層、除氫鍍層譜圖，圖3至圖5為除氫后經(jīng)450、500、550℃加熱處理2小時(shí)鍍層的圖譜。

圖1 鍍層XRD圖譜

圖2 220℃除氫鍍層XRD圖譜

由圖1至圖5得表3。

圖3 220℃除氫、450℃加熱鍍層XRD圖譜

圖4 220℃除氫、500℃加熱鍍層圖譜

圖5 220℃除氫、550℃加熱鍍層圖譜

表3 加熱溫度對鍍層成份及鍍層表面的影響

由表3中的成分對比情況表明，碳、鐵、鎳、磷隨溫度升高而減少，氧卻不斷增加，結(jié)合表面狀況可以看出，隨溫度升高表面氧化現(xiàn)象加深，500℃時(shí)鐵因氧化減少至零，到550℃時(shí)鐵增加到0.62%，這說明基材鐵原子已擴(kuò)散到表面，所以擴(kuò)散溫度應(yīng)處于500℃到550℃之間。

由表3中的表面狀況可見，鍍層在450℃加熱擴(kuò)散后表面顏色發(fā)藍(lán)，溫度越高顏色越深，這是因?yàn)樵隈R弗爐中高溫條件下，很難避免氧化層的生成(發(fā)藍(lán)工藝)，鍍層表面生成一種穩(wěn)定的氧化物NiO。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中在爐中加入大塊木碳，將鍍件埋入其中，有效防止了鍍層氧化。

2.4 熱處理效果評價(jià)

用上述200～220℃除氫3小時(shí)，500～550℃熱擴(kuò)散2小時(shí)，對鍍鎳螺栓進(jìn)行熱處理，再用板牙鉸削，結(jié)果見表4。

表4 螺栓鉸削后鍍層表面

由表4可見，螺栓鍍鎳后的原鍍層和只除氫鍍層都出現(xiàn)脫落，而除氫和加熱擴(kuò)散后的鍍層，經(jīng)過鉸削無脫落，說明熱擴(kuò)散后鍍層與鋼材的結(jié)合力滿足機(jī)加工要求。

3 結(jié)論

(1)A3鋼表面鍍鎳層厚度為30μm時(shí)，除氫溫度為200～220℃，保溫時(shí)間3小時(shí);加熱擴(kuò)散溫度為500～550℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)，除氫效果好，鍍層與鋼材形成熱擴(kuò)散層。

(2)經(jīng)用板牙對鍍鎳螺紋鉸削證明，除氫和加熱擴(kuò)散后的鍍層與鋼材結(jié)合力符合刀具切削要求。

(3)加熱擴(kuò)散溫度較高，應(yīng)在鍍件旁邊放上大塊木炭以防氧化。

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