異形零件表面多鍍種工藝技術研究

劉群*，付明，杜楠

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471003）

隨著空軍裝備的跨越式發(fā)展，在產(chǎn)品的制造過程中，某些零部件由于功能上的需求，需要在同一零件的不同部位進行2 種或以上的表面處理。如某型號發(fā)射裝置上的液壓缸外筒(見圖1)，其內(nèi)腔直徑75 mm處要求鍍硬鉻10～15 μm，內(nèi)腔其余部分要求發(fā)藍，所有外表面要求鍍鎘8～12 μm，零件多處連接部位和內(nèi)槽也需要進行發(fā)藍。

由于該零件的表面處理涉及多個不同鍍種，因此加工起來工步復雜、難度較大，且容易產(chǎn)生質量問題。加工時需要解決的主要問題是，如何避免在進行下道工序時上道工序的鍍層被破壞而導致返工。另外，由于零件內(nèi)孔較深，鍍鉻區(qū)長度約290 mm，如何保證深孔鍍硬鉻的質量也比較棘手。

圖1 某液壓缸外筒的多鍍種加工示意圖Figure 1 Schematic diagram showing multiple plating process for outer tank of a hydraulic cylinder

因此，此類在同一零件上進行多種表面處理的加工，首先要根據(jù)鍍層的性能和保護的難易程度來確定處理順序，再認真設計各工序的絕緣保護工裝和裝掛工裝。

1 難點分析

1.1 各鍍種之間的沖突

由于此零件需要進行鍍鉻、鍍鎘和發(fā)藍3 種表面處理，為避免在加工下一個鍍種時將上一鍍層破壞，需結合各鍍層的特點和加工難點，從整體上考慮加工時保護的難易程度，以便合理安排3 個鍍種的加工順序。

1.1.1 各鍍種的特點及難點

1.1.1.1 鍍鉻

鉻是一種微帶天藍色的銀白色金屬。鉻層在大氣中能快速鈍化，在其表面形成一層致密的氧化層；能耐許多化學介質腐蝕，在多種環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性，而且硬度高(維氏硬度可達800～1 100 HV)和耐磨性好。因此，鉻常作為防護–裝飾性鍍層和功能性鍍層而被廣泛使用。

目前所使用的鍍鉻工藝是以鉻酸為基礎、硫酸作催化劑的槽液，二者的體積比為100∶1，溶液呈酸性。工藝流程為：電解除油─裝掛、保護─硫酸活化─鍍鉻─除氫。

由于電鍍鉻槽液具有分散能力較差、陰極電流效率很低、陰極電流密度較高等特點，故鍍鉻用掛具有較嚴格的特殊要求。為獲得均勻的鍍鉻層，對于一些形狀復雜的零件，常常需要使用帶有輔助陽極和保護陰極的掛具，用以彌補鍍鉻電解液分散能力不好的缺點。鍍鉻電流效率低，電鍍時有大量氣體析出，這就要求掛具和工件的懸掛位置應利于氣體的逸出，防止因氣體滯留造成鍍層不連續(xù)、麻坑或波紋等缺陷。由于電流效率低，鍍鉻時要使用較高的電流密度，這就要求鍍鉻掛具要有足夠的截面能夠承受大電壓，并且要求工件、掛具與極杠間均必須緊密接觸。

1.1.1.2 鍍鎘

鎘是灰色有光澤的軟質金屬，可塑性好，易于鍛造和輾壓。鎘層耐堿，不耐硝酸，在稀硫酸和稀鹽酸中溶解很慢。在海洋和高溫大氣環(huán)境中，鎘鍍層屬陽極性鍍層，其耐蝕性較好，尤其是鈍化后的鎘鍍層，可耐鹽霧試驗360 h，故航空工業(yè)中的零件大多使用鍍鎘作為防護層。

目前采用的是氰化物鍍鎘，鍍液的主要成分是氧化鎘和氰化鈉，溶液呈堿性。工藝流程為：電解除油─裝掛─鹽酸酸洗─鍍鎘─除氫─活化─鈍化。

為了提高鎘鍍層的耐蝕性，一般鍍鎘后要進行鈍化處理，使其表面生成一層化學穩(wěn)定性較高的鉻酸鹽膜。目前使用的是彩色鈍化，一般在除氫后進行。由于高溫下鎘層表面會形成一層氧化膜，因此在鈍化前需要先在硫酸中活化?；罨外g化槽液均呈酸性。

1.1.1.3 發(fā)藍

發(fā)藍是將鋼在空氣中加熱或直接浸于濃氧化性溶液中，使其表面生成一層極薄的氧化膜。鋼鐵零件的發(fā)藍可在亞硝酸鈉和硝酸鈉的熔融鹽中進行，也可在高溫熱空氣及500°C 以上的熱蒸汽中進行。發(fā)藍的溶液成分、處理溫度和處理時間依零件材料不同而變化。發(fā)藍膜的成分為磁性氧化鐵，厚度為0.5～1.5 μm，顏色與材料成分和工藝條件有關。單獨的發(fā)藍膜抗腐蝕性較差，但經(jīng)皂化、封閉或浸油后，抗蝕性和抗摩擦性都有所改善。

目前使用的是傳統(tǒng)的堿性高溫發(fā)藍。槽液的主要成分是氫氧化鈉和亞硝酸鈉，溶液呈堿性。工藝流程為：電解除油─裝掛─鹽酸酸洗─發(fā)藍─除氫─封閉─浸油。

發(fā)藍的溫度范圍較寬，在135～155°C 區(qū)間都可得到不錯的表面，只是所需時間不同而已。加工過程中需要注意的是，工件發(fā)藍前除銹和除油的質量，以及發(fā)藍后的封閉浸油。

1.1.2 各鍍種之間的矛盾點

根據(jù)上述的介紹，結合3 種鍍層的加工工藝流程，總結3 種鍍層各自的特點、難點，列于表1。

表1 不同鍍種的特點和工藝難點Figure 1 Features and operation difficulties of different plating processes

由于電鍍的先后順序關系著各鍍層的加工質量，而順序的安排一般主要考慮鍍層性質和鍍層加工的難易程度。

考慮到此零件是內(nèi)腔局部鍍鉻，加工時需要加裝特定的內(nèi)陽極，故加工難度最大。根據(jù)加工的難易程度，應最先加工鍍鉻層。由于鍍鉻層不耐鹽酸，而另外兩種鍍層前處理都有鹽酸酸洗工步，故加工其余鍍種時應進行保護或者不進行酸洗。整個外圓要求鍍鎘，鎘層在高溫發(fā)藍溶液中會被腐蝕，且由于外圓面積大，保護難度較大，稍有不慎就會破壞表面鍍鎘層；而發(fā)藍部位是連接孔和內(nèi)腔未鍍鉻處，因為是孔，保護起來比較容易?？紤]到保護的難易程度，將發(fā)藍放在鍍鉻后進行，鍍鎘層放在最后加工。總的工藝順序就是：鍍鉻─發(fā)藍─鍍鎘。

1.2 工裝設計

該零件內(nèi)腔局部鍍硬鉻需制作專用夾具裝掛。制作時選用大小合適的不溶性陽極，且要保證陽極與內(nèi)孔同心，以減少鍍層的橢圓度；陽極長短要適當，保證排氣暢通和鍍液能順利流過，陰陽極之間的絕緣要可靠。不需鍍鉻的部位要進行絕緣保護，選取的保護材料要能耐酸堿、耐高溫，易剝離、易操作。

鍍鎘和除完氫鈍化時都需要將發(fā)藍膜和鍍鉻層保護起來，故制作保護工裝選用的材料要耐酸堿，容易拆卸，不污染槽液。由于發(fā)藍膜不耐磨，因此制作工裝的材料要有一定的彈性，但變形量又不能太大。

2 試驗及討論

2.1 工藝流程的確定

根據(jù)以上分析結果，初步確定該零件表面處理的工藝流程為：來件驗收─電解除油─裝掛、保護─硫酸活化─鍍鉻─除氫─研磨─電解除油─發(fā)藍─封閉─保護─電解除油─鹽酸酸洗─鍍鎘─除氫─保護─鈍化─檢驗。

該零件內(nèi)腔鍍硬鉻要求厚度為10～15 μm，由于是局部鍍鉻，且是內(nèi)腔深孔鍍鉻，故鍍層厚度的均勻性很難保證，為了保證鍍層的厚度在整個內(nèi)腔表面能夠均勻一致，在與設計溝通后，明確圖紙上規(guī)定的鍍鉻層厚度僅作為參考值，在鍍鉻后增加研磨工步，用機加工的方法達到鍍后尺寸，以此來控制零件的圓度和鍍層的均勻性。

發(fā)藍時考慮到鍍鉻層耐堿，故未進行保護，但由于鹽酸會腐蝕鍍鉻層，因此取消了前處理的鹽酸酸洗；發(fā)藍后由于后續(xù)還有鍍鎘工步，因此發(fā)藍后的浸油工步也取消了。

2.2 夾具及保護工裝制作

根據(jù)1.2 對內(nèi)陽極和保護工裝的要求，制作了如圖2 所示的鍍鉻內(nèi)陽極。選取直徑8 mm 的鉛棒，將鉛棒、銅絲和固定掛鉤用絕緣膠帶固定在一起，固定時應確保鉛棒在2 個掛鉤中間。銅絲鉤起導電作用。固定掛鉤有兩個作用，一是固定零件，二是確保零件內(nèi)孔和內(nèi)陽極同心。裝掛好的零件如圖3 所示。

圖2 鍍鉻內(nèi)陽極Figure 2 Inner anode for chromium plating

不需要鍍鉻的部位，包括孔口的螺紋處和底部的連接孔，采用進口絕緣漆保護。均勻地將絕緣漆涂抹3 遍，以確保保護的完整性。此方法操作簡單，去保護時僅需置于丙酮溶液中浸泡。保護好的零件如圖4 所示。

圖3 裝掛好的待鍍零件Figure 3 Hanged parts to be plated

圖4 用絕緣漆保護的零件Figure 4 Part protected by insulating paint

對于鍍鎘時的保護工裝，大的螺紋孔、連接孔選擇了橡膠塞，橡膠耐酸堿，且有彈性，在進行保護時不會損傷發(fā)藍膜，且便于裝卸；剩下一個孔口直徑3 mm的螺紋孔本打算用相同尺寸的氟塑料螺釘進行保護，但由于制作需要時間，而零件的加工節(jié)點緊，便試著用纏有生膠帶的螺釘來替代。裝保護的過程相對復雜一些：先將底部和側面的連接孔用橡膠塞塞緊，再把孔口直徑3 mm 的螺紋孔保護好，然后在內(nèi)腔注入4/5純水。最后用橡膠塞堵塞孔口，注入清水的目的是當微量酸液滲入內(nèi)腔后，酸液可被水稀釋而減少對鉻層和發(fā)藍膜的腐蝕。

2.3 鍍鎘后除氫方法的確定

鍍鎘后的除氫一般在烘箱中進行，但由于該零件局部還有發(fā)藍膜，故理論上除氫應該在油槽中進行。但由于生產(chǎn)條件有限，生產(chǎn)現(xiàn)場沒有油槽，也沒有適合除氫的油，唯一可行的只有烘箱除氫。從機理上分析，發(fā)藍膜的成分為氧化鐵，在(190 ± 10)°C 的烘箱中，熱空氣和鋼鐵表面發(fā)生反應，生成的也是氧化鐵，因此，烘箱除氫在理論上應該對發(fā)藍膜的質量無影響。為了驗證這一假設，進行了如下工藝試驗。

加工3 個與零件同材料的試片，尺寸為50 mm ×100 mm × (1～2)mm。將3 個試片按正常發(fā)藍工藝處理后，取其中2 個放入烘箱，溫度為(190 ± 10)°C，時間為18 h，此溫度和時間與鍍鎘后除氫的溫度和時間一致。到時間后取出試片，與未除氫試樣進行對比，按工藝規(guī)范考察膜層外觀和膜層耐蝕性。

在自然光下目視，對比除氫前后的試樣外觀發(fā)現(xiàn)，除氫前后的膜層外觀無差異，對比照片見圖5a(A 為未除氫試樣)。

耐蝕性：在15～20°C 下，將試片浸入3%(質量分數(shù))的硫酸銅溶液中，保持20 s 后，取出檢查膜層。試驗后發(fā)現(xiàn)，除氫前后的膜層均完好，表面無接觸銅存在。對比照片見圖5b。

圖5 除氫前后試片的外觀和耐蝕性Figure 5 Appearance and corrosion resistance of the sample before and after hydrogen exhaustion

2.4 試加工及存在的問題

按照以上工藝流程，先試加工了一件零件以驗證工藝的可行性。加工后的零件主要存在以下幾個問題：

(1)內(nèi)腔上下端的鍍鉻層厚度差異較大，上端電流集中的部位較厚，下端小電流密度區(qū)的鍍層厚度則剛剛達到規(guī)定值。

(2)內(nèi)腔保護部位有鉻層，尤其是螺紋部位，本不應該有鉻層，卻鍍上了一部分。

(3)外圓有鉻層，這給后序的發(fā)藍工步帶來了極大的不便，且直接影響到鍍鎘層的質量，外圓有鉻層，發(fā)藍前又不能進行酸洗，故外圓幾乎沒有發(fā)藍膜，若鉻層不清理干凈，鍍鎘時就會起皮、起泡，嚴重影響鎘層質量，因此外圓有沒有發(fā)藍膜是檢驗鉻層是否去除干凈的標準之一。

(4)鍍鎘時，保護的橡膠塞在熱水和冷水的交替作用下，由于熱脹冷縮，自行掉落了一個，導致一個連接孔的發(fā)藍膜不完整。

(5)鍍鉻結束后發(fā)現(xiàn)內(nèi)陽極已被熔斷。

試加工暴露出來的問題，表明上述工藝流程還不夠完善，還有很多地方需要改進。

3 工藝方法改進及固化

根據(jù)以上試加工呈現(xiàn)出來的問題，一一分析了可能的原因：

(1)由于孔口的螺紋處是保護起來的，而該部分內(nèi)陽極保護的長度不夠，導致過多的電流集中在鍍鉻區(qū)的上端，最終使鍍鉻區(qū)上下兩端的厚度差異較大。

(2)內(nèi)腔非鍍鉻區(qū)有鉻層是因為保護漆在電鍍過程中存在鼓起，而鼓起的原因是前處理清洗不干凈和結合力不好。

(3)由于外圓不鍍鉻，故在電鍍時已將鍍槽里的陽極全部取出，只剩下內(nèi)腔的內(nèi)陽極，由于鍍鉻的分散能力差，因此理論上外圓是不會有鉻層的。造成這現(xiàn)象的可能原因是未受保護的內(nèi)陽極暴露在槽液中使其外表面閃鍍上了一層薄鉻層。

(4)試加工證明用橡膠塞保護發(fā)藍膜是可行的，但尚需改進橡膠塞的形狀，以確保塞子在加工過程中不會脫落。

(5)內(nèi)陽極熔斷是因為內(nèi)陽極直徑偏小，承受不了所需的電流。

3.1 工藝改進

改進后的工藝流程為：來件驗收─電解除油─裝掛、保護─硫酸活化─鍍鉻─除氫─研磨─電解除油─酸洗─發(fā)藍─封閉─保護─電解除油─酸洗─鍍鎘─除氫─保護─鈍化─檢驗。新工藝在發(fā)藍前增加了酸洗，目的是活化零件表面，以獲得質量較好的發(fā)藍膜。因為內(nèi)腔有鉻層，所以在進行酸洗時不能將整個零件浸泡在酸液中，而是用浸過酸液的抹布擦洗零件外表面和需要發(fā)藍的部位。一定要注意這個工步不能讓酸液接觸到鍍鉻層。鍍鉻前還要加強清洗，保證保護漆的結合力。

鍍鉻工裝的改進：加粗內(nèi)陽極，并將內(nèi)陽極上端不需要鍍鉻的部位用絕緣膠帶保護，長度要略低于鍍鉻區(qū)；電鍍時要降低電流密度，延長電鍍時間，以防止內(nèi)陽極再次熔斷；增加外圓的絕緣保護，用絕緣袋將外表面緊緊包扎。另外，在螺紋處增加了新的仿形夾具，仿形夾具的制作材料為鋼，起保護陰極的作用：一來可以吸收螺紋附近的電流，再次保證螺紋處無鍍層，二來可以吸收上端部分的電流，保證內(nèi)腔上下端鍍層厚度一致。安裝夾具時，先在螺紋處非鍍鉻區(qū)加裝仿形夾具，再在內(nèi)腔加裝內(nèi)陽極。

橡膠塞的改進：將原有的圓柱形橡膠塞加工成圓錐形。增加一定的錐度以便使塞子塞得更緊、更牢。

3.2 工藝固化

用改進的工藝和工裝加工了2 個零件，加工過程中再無出現(xiàn)前述問題，表明改進后的工藝和工裝適用于該零件，用此工藝加工出的零件質量合格，可滿足使用要求。

4 應用

用上述固化后的工藝對某型號的液壓缸內(nèi)筒進行加工，產(chǎn)品合格，加工后的零件如圖6 所示。

5 結語

類似這種異形零件表面多鍍種的復雜表面處理，首先要分析各鍍種的難點和特點，并合理安排表面處理的先后順序，這是重中之重，直接關系到零件的加工成敗。在處理過程中，還要根據(jù)各鍍種的特點制作專用的工裝夾具，這些都直接影響零件的加工質量，尤其是電鍍鉻，工裝的適用性直接關系到鉻層質量的好壞。將所有這些考慮周全后，不管多復雜的零件，多復雜的表面處理，總能找出合適的處理方法，并得到合格的零件。

圖6 采用改進工藝加工后的零件Figure 6 Parts treated by improved process