300M鋼表面無裂紋電鍍硬鉻的顯微硬度和耐腐蝕性研究

李寒松，王棟梁，朱增偉，王淑振，胡孝昀

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

鍍鉻在工業(yè)中占有十分重要的地位，鍍鉻層具有很高的硬度、較低的摩擦系數和良好的化學穩(wěn)定性，與酸、堿、鹽及大多數有機物均不發(fā)生反應。電鍍鉻作為一項表面處理工藝技術，已被廣泛應用在航空航天關鍵機械零部件的表面防護中[1]。飛機起落架用材300M鋼的耐磨性和耐腐蝕性較差，在使用過程中往往需在其表面電鍍一層硬鉻層[2-3]。但在電鍍鉻的過程中易產生較大的拉應力[4]，出現裂紋、多孔現象，影響了材料的性能。

為獲得良好的鍍鉻層，國內外學者開展了大量的研究。巨根利研制了雙層鉻涂層，其表面的顯微硬度和耐磨性均比單亮鉻有了明顯的提升[5]。高遠等在汽車減震器連桿的表面電鍍鉻并進行了耐腐蝕性測試，研究表明鍍前連桿表面的超精加工可顯著提高鍍層的耐腐蝕性[6]。李貴賓等用雙冷軋鋼在一定工藝參數下制備的鍍鉻層具有良好的耐腐蝕性[7]。Pfeiffer等使用酸性流動電解質，在中溫（55℃）和寬電流密度范圍（30～90 A/dm2）條件下，沉積出含不同微裂紋密度的鉻層；同時，研究表明鉻層的拉應力與微裂紋的密度成反比[8]。

盡管許多科研機構在電鍍鉻的研究過程中取得了不少成就，但傳統(tǒng)鍍鉻工藝仍有不少缺點，如：鍍層中存在貫穿性裂紋，鍍層的耐磨耐腐性能差，鍍層的孔隙率高。本課題組曾對輔助摩擦電鑄工藝技術進行過研究，結果表明在電鍍硬鉻的過程中，該技術能有效防止電鍍液中的氫元素滲入基體及鍍層，且能細化晶粒、改變晶粒的生長狀態(tài)，較好地改善鑄層的表面質量[9]。在此基礎上，本文研究了無裂紋硬鉻工藝對300M鋼鍍層表面性能的影響。

1 試驗原理及裝置

無裂紋硬鉻工藝是在脈沖電源的作用下，采用陰極旋轉和絕緣粒子摩擦輔助的方法進行電鍍加工。采用內外雙層鏤空陽極框，在內框的外壁用陽極布密封，在內框和芯模之間填充的絕緣粒子完全覆蓋芯模表面，環(huán)狀陽極圍繞內框放置，并與陽極框一起置于電鍍槽底。立式調速電機帶動陰極芯模在鏤空陽極框中旋轉，并通過變頻器改變輸入電機的頻率來實現芯模的不同轉速。電鍍加工時，不溶性陽極鉛板與脈沖電源的陽極相連，待鍍試件經前處理后，與脈沖電源的陰極相連。當接通電源后，即可實現對陰極表面的電鍍。

無裂紋電鍍硬鉻工藝試驗裝置見圖1，包括脈沖電源控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、自動控溫裝置、鍍液循環(huán)系統(tǒng)、導電裝置和電鍍試件夾具。電鍍液采用從陽極框底部沖液的高速沖液方式。供液系統(tǒng)由磁力循環(huán)泵和控制閥組成，其中，磁力循環(huán)泵可抽取加熱區(qū)的電鍍液，從陽極框底部進行沖液，陽極框由緩沖區(qū)和沖液區(qū)構成，高速流動的電鍍液從緩沖區(qū)流過，再將電鍍液送至陰陽極之間，使芯模附近的離子得到不斷補充，并處于恒溫的電鍍環(huán)境。

2 電鍍試驗

2.1 試驗過程

電鍍試驗包括前處理、正鍍和后處理三部分。脈沖電鍍硬鉻的工藝流程為：前處理、預熱加入陶瓷粒子、陽極反拔、大電流沖擊、電鍍硬鉻、出槽清洗及除氫。

（1）電鍍前處理：電鍍試驗選用的陰極為直徑25 mm、長 30 mm 的 300M 鋼（40CrNi2Si2MoVA）棒料。對試件表面進行拋光處理，使其表面粗糙度值達到Ra0.4 μm左右。在對鍍件表面清洗的過程中，先用有機溶劑除去表面殘留金屬顆粒和銹跡，再用堿性溶液除去表層油脂，最后用去離子水清洗試件表面。試驗還按HB/Z 318—1998標準對300M鋼進行鍍覆前消除殘余應力的處理。

（2）正鍍和后處理：電鍍試驗按表1所示的工藝參數進行。電鍍完成后，先對工件進行清洗、干燥、除氫處理，再對其進行性能測試。

圖1 無裂紋電鍍硬鉻裝置系統(tǒng)及實物圖

表1 電鍍試驗工藝參數

2.2 鍍層性能檢測

通過中性鹽霧試驗測試鍍層的耐腐蝕性，具體要求按ASTM B117—2011標準執(zhí)行。試驗中，氯化鈉溶液濃度為95%，試件以懸吊式置于溫度為35±2℃范圍的霧室中，試件待測表面與鹽霧沉積的垂直方向呈150～200°夾角。在試驗箱內80 cm2的收集面積上，鹽霧的沉積量平均達1～2 mL/h。噴霧測試期間，對噴霧區(qū)域的鹽霧沉積量和pH值每天記錄一次，且連續(xù)噴霧336 h。如果鍍層表面不出現銹蝕，則該鍍層滿足耐腐蝕要求。鹽霧試驗結束后，測繪腐蝕后的銹蝕區(qū)域，并用以直代曲的方法對腐蝕區(qū)域進行劃分，最后利用第一類曲面積分計算銹蝕面積。

采用HXS-1000A顯微硬度計測試電鍍層的顯微硬度，載荷設定為200 g，保持時間為10 s。在電鍍層中間和邊緣均勻選取5個點進行測試，并取其平均值。采用XQUANTA200型掃描電鏡對鍍層微觀形貌進行觀察分析。

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 電流密度對鍍鉻層的影響

當鍍液溫度為55℃、陰極轉速為250 r/min、脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。電流密度對鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖2。

圖2 電流密度對鍍鉻層的影響

在傳統(tǒng)電鍍中，陰極產生的氫氣，一部分滲入電鍍層中與基體結合，另一部分被基體吸收。隨著鍍層厚度的增大，鍍層的含氫量增加，從而引起鍍鉻層的變形和晶格畸變，且結晶安排方位的改變，使鍍鉻層具有很高的硬度[10]。而提高電流密度可使陰極極化增大，氫的過電位增加，氫離子在陰極表面放電還原成氫氣的速度更遲緩，從而導致電鍍層的吸氫量不斷減少。因此，隨著電流密度的增大，電鍍層顯微硬度呈下降趨勢。

電鍍鉻層的耐腐蝕性與電沉積層的致密度、電結晶的晶粒尺寸有關，且過大的陰極極化會使陰極附近待沉積的金屬陽離子減少，必須通過增加溶液的對流加以補充。本試驗采用陰極底部沖液的方式對陰極附近的離子進行補充。當電流密度不斷提高時，隨著沖液的進行，旋轉的陰極帶動陶瓷粒子在其表面不斷摩擦，有利于獲得致密度低、晶粒尺寸小的鍍層，所以鍍層銹蝕率也隨著電流密度的增加而不斷降低。

采用陶瓷粒子摩擦輔助電鍍技術，當電流密度增大時，陶瓷粒子在陰極表面不斷地摩擦，使其表面放電的活化點增多。由于陶瓷粒子的擾動作用，增大了吸附原子的擴散范圍，改變了其進入晶格的路徑，故可獲得晶粒較小且鍍層致密度高的沉積層。當電流密度為50 A/dm2時，鍍層的抗腐蝕能力最佳。鍍層檢測試驗表明，在兼顧鍍層硬度和耐腐蝕性的基礎上，采用電流密度為50 A/dm2時，所獲電鍍層的質量較好。

2.3.2 陰極轉速對鍍鉻層的影響

將電流密度設定為50 A/dm2，鍍液溫度55℃、脈沖頻率10 kHz、占空比80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。陰極轉速對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖3。

圖3 陰極轉速對鍍鉻層的影響

電鍍時，旋轉的陰極帶動陶瓷粒子不斷運動，絕緣粒子始終緊貼在旋轉陰極的表面，使其不斷摩擦并撞擊陰極表面；陰極附近的氫離子被陶瓷粒子驅趕而難以接近陰極，導致其很難與陰極表面的電子還原成中性原子而吸附于陰極表面[11]，從而使進入電鍍層中的氫減少；且在電沉積過程中，粒子不斷的擠壓和碰撞可促使沉積層內應力加快釋放，使結晶過程中發(fā)生的組織變化不同于傳統(tǒng)工藝[12]，導致電鍍層的顯微硬度隨著陰極轉速的提高而下降。

當旋轉陰極的轉速為120 r/min時，試件端部出現較大面積的銹蝕，環(huán)繞鍍層的中間位置出現少量的斑跡。適當提高轉速有助于鍍層晶粒細化，故將陰極轉速提高至250 r/min時，試件端部只有極少量的銹跡，鍍層表面未出現任何腐蝕。

2.3.3 鍍液溫度對鍍鉻層的影響

將電流密度設定為50 A/dm2、陰極轉速設定為250 r/min，在脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。鍍液溫度對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖4。

由圖4可看出，當鍍液溫度從45℃升至55℃時，鍍鉻層顯微硬度由800 HV下降至750 HV。這是因為鉻層硬度的大小與鉻層內的吸氫量有一定的關系。隨著陰極周圍溶液溫度的升高，對氫氣的驅趕有一定的作用，鍍層吸氫量隨之減小，故硬度降低[7]。

圖4 鍍液溫度對鍍鉻層的影響

當鍍液溫度較低時，電鍍層銹蝕率較大，主要分布在試件的中上部及端部，且端部的局部位置出現少量條紋狀腐蝕。隨著鍍液溫度的升高，電鍍層的腐蝕率有所下降。當鍍液溫度為55℃時，試件經鹽霧試驗后，鍍層表面未出現任何腐蝕，端部僅有極少量的銹跡。

2.3.4 脈沖頻率對鍍鉻層的影響

將電流密度設定為50 A/dm2、陰極轉速設定為250 r/min、鍍液溫度設定為55℃，在占空比為80%時，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。脈沖頻率對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖5。

圖5 脈沖頻率對鍍鉻層的影響

電鍍時，脈沖頻率的提高有助于獲得晶粒度較細的鍍層，沉積層的微觀形貌平坦且晶粒的致密度好。提高脈沖頻率，脈沖電流的導通時間相應減少，陶瓷粒子對陰極周圍氫的驅趕作用減小，使?jié)B入鍍層中的氫含量有所增加，導致鍍層硬度升高。

在一定范圍內，鍍層銹蝕率隨著脈沖頻率的提高而降低。從圖5可看出，當脈沖頻率達到10 kHz后，鍍層銹蝕率基本保持不變，且能獲得質量較好的沉積層。

2.3.5 占空比對鍍鉻層的影響

設定電流密度50 A/dm2、陰極轉速250 r/min、鍍液溫度55℃、脈沖頻率10 kHz，對完成電鍍試驗的鍍層進行顯微硬度和耐腐性檢測。脈沖占空比對電鍍層表面顯微硬度和鍍層銹蝕率的影響見圖6。

圖6 占空比對鍍鉻層的影響

從圖6可看出，鍍層顯微硬度隨著脈沖占空比的提高呈上升趨勢。這是因為占空比越高，脈沖電流的導通時間越長，在陰極轉速不變的情況下，單位時間內陰極的氫氣析出量增加，使?jié)B入電沉積層中的氫原子增加，故鍍層硬度隨之升高。

在脈沖占空比較低時，鍍層銹蝕較嚴重；占空比越高，電鍍層的防腐蝕能力越好。當占空比達到80%時，試件表面基本無銹蝕點。

2.3.6 鍍鉻層的微觀形貌和腐蝕形貌

在傳統(tǒng)電鍍時，陰極產生的大量氫氣進入鍍層，會引起電鍍層的變形和晶格扭曲，使電鍍層表面呈現殘余拉應力，當這些拉應力增長到一定程度時，電鍍層就會開裂，形成網狀微裂紋。

在鍍液溫度為55℃、電流密度為50 A/dm2、陰極轉速為250 r/min、脈沖頻率為10 kHz、占空比為80%的工藝條件下，獲得的電鍍試件表面非常光亮平整，接近于鏡面（圖7a），且電鍍鉻層的微觀形貌均勻平坦，顯微組織均勻、致密、無裂紋（圖7b）。

圖7 無裂紋工藝電鍍試件和鉻層微觀形貌

電鍍參數與鍍層的耐腐蝕性存在著緊密的聯系。采用與圖7所示的電鍍工藝相同的參數條件，對獲得的無裂紋鍍鉻層進行336 h鹽霧腐蝕試驗，試件表面未出現腐蝕，但表面光亮度下降，且試件表面不如腐蝕前平整（圖8a）。在其他工藝參數下獲得的鍍層經336 h鹽霧試驗后，均出現不同程度的腐蝕，試件表面出現絮狀銹斑、條紋狀腐蝕及單個腐蝕點（圖 8b）。

圖8 無裂紋電鍍試件在不同陰極轉速時進行的鹽霧試驗

3 結論

（1）通過對比試驗分析，確定了無裂紋電鍍硬鉻的最佳工藝參數為：電流密度50 A/dm2，鍍液溫度55℃，陰極轉速250 r/min，脈沖頻率10 kHz，占空比80%；同時，試驗采用底部沖液方式。

（2）在一定的工藝參數下，無裂紋硬鉻工藝可獲得顯微硬度為750 HV左右的硬鉻層。經336 h鹽霧試驗后，試件表面光亮，且無任何腐蝕點。

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