柔性摩擦輔助電鍍致密鉻鍍層的工藝研究

鄧云，呂鏢,，汪笑鶴，胡振峰，梁秀兵

（1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072；2.中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200）

【工藝開發(fā)】

柔性摩擦輔助電鍍致密鉻鍍層的工藝研究

鄧云1，呂鏢1,*，汪笑鶴2，胡振峰1，梁秀兵1

（1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072；2.中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200）

采用柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)制備了鉻鍍層，以解決飛機(jī)起落架緩沖器活塞桿硬鉻鍍層氣密性差的問題。鍍液組成為：CrO3220 ～ 300 g/L，H2SO4 2.2 ～ 3.0 g/L，Cr3+2.5 ～ 7.5 g/L，添加劑HF-04 6 ～ 8 mL/L。通過觀察不同工藝條件下所得鉻鍍層的表面形貌，研究了工件轉(zhuǎn)速、溫度和電流密度對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻層性能的影響。最優(yōu)溫度、工件轉(zhuǎn)速和電流密度分別為65 °C、20 r/min和40 A/dm2。在最優(yōu)條件下所得硬鉻鍍層幾乎沒有裂紋，表面平整、致密，顯微硬度約為850 HV，氣密性合格。

鉻；電鍍；柔性摩擦；表面形貌；裂紋；氣密性

First-author’s address:National Engineering Research Center for Mechanical Products Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China

飛機(jī)起落架緩沖器對(duì)密封性的要求非常嚴(yán)格。然而，飛機(jī)起落架表面一般鍍硬鉻，受電鍍工藝本身的影響，硬鉻鍍層多有網(wǎng)狀裂紋，因而在氣密性試驗(yàn)中通常存在滲、漏、氣泡(油)的現(xiàn)象，俗稱鍍鉻“冒汗”[1-5]。國(guó)內(nèi)外很早就針對(duì)這一問題展開了研究，并采用多種方法改善這種現(xiàn)狀，比如涂底漆[1]、滲蠟[6]、封孔劑或樹脂封閉[4,7]、液體拋光、金剛石擠壓[5,7]等，當(dāng)然也包括褪鉻重鍍。這些方法都屬于補(bǔ)救措施，治標(biāo)不治本，一段時(shí)間后“冒汗”現(xiàn)象又重新出現(xiàn)。電鍍時(shí)輔以硬質(zhì)粒子摩擦作用所得鉻層組織致密，能提高鍍層氣密性[1,8-9]，但該法在更換和清洗硬質(zhì)粒子等方面多有不便[10]。

為從根本上解決飛機(jī)起落架緩沖器的氣密性問題，提高摩擦介質(zhì)使用的靈活性和良好接觸性，以及降低對(duì)工件外形尺寸的要求，本文提出了一種柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)，即在電鍍鉻過程中，利用柔性介質(zhì)的原位摩擦作用，降低或消除陰極析氫的不利影響，提高鉻鍍層的組織致密性，進(jìn)而解決硬鉻鍍層的“冒汗”問題。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 裝置與原理

柔性摩擦輔助電鍍鉻的裝置示意圖見圖1，它由電源、陽極、待鍍工件、刷板以及電鍍鉻鍍槽組成。可控直流電源，陽極使用Pb-Sb合金棒，待鍍工件為某飛機(jī)起落架活塞桿，材質(zhì)為40CrMnSiMoVA，直徑80 mm，長(zhǎng)40 mm。刷板為木制結(jié)構(gòu)，其上栽植柔性摩擦介質(zhì)，柔性摩擦介質(zhì)選用耐腐蝕、耐磨損且不導(dǎo)電的PP(聚丙烯)，規(guī)格寬度為20 mm，柔性介質(zhì)厚度為15 mm，長(zhǎng)度可自由裁剪，一般兩端各比待鍍工件長(zhǎng)約10 mm。

圖1 柔性摩擦輔助電鍍鉻的裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of flexible friction-assisted chromium electroplating apparatus

在柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中，柔性介質(zhì)與旋轉(zhuǎn)工件之間發(fā)生相對(duì)摩擦，可起到增強(qiáng)鍍液潤(rùn)濕能力、改善液相傳質(zhì)、驅(qū)趕陰極附近的水化氫離子、剝離陰極表面吸附的氫原子和氫氣泡等作用，從而提高了陰極析氫過電位，不僅降低了析氫量，而且極大減少了吸附氫原子向鍍層的滲入，使得致密鉻鍍層的制備成為可能。

1. 2 工藝規(guī)范

采用傳統(tǒng)電鍍硬鉻液，具體配方為：CrO3220 ～ 300 g/L，H2SO42.2 ～ 3.0 g/L，Cr3+2.5 ～ 7.5 g/L，鍍鉻添加劑HF-04(南京安瑞泰有限公司)6 ～ 8 mL/L。工藝流程為：拋光→安裝→下槽→預(yù)熱→調(diào)整轉(zhuǎn)速→陽極反撥→大電流沖擊→柔性摩擦輔助電鍍鉻→出槽→吹干。

1. 3 性能測(cè)試

采用荷蘭Philips-FEI公司的Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鉻鍍層的表面和截面形貌，確定柔性摩擦輔助電鍍鉻層的組織致密性。采用千分尺或SEM測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的鍍層厚度，確定其沉積速率。顯微硬度測(cè)量采用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)，載荷100 g，加載時(shí)間15 s，隨機(jī)測(cè)量6個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值。氣密性測(cè)量是先將柔性摩擦輔助電鍍鉻的起落架活塞桿和作動(dòng)筒組件輸入試驗(yàn)壓力，逐步加壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力14 MPa，然后把被試組件放入重鉻酸鉀水溶液槽中靜置30 min，觀察鍍鉻活塞桿表面是否存在氣泡，如有氣泡，說明氣密性不合格。

2 結(jié)果與討論

2. 1 工件轉(zhuǎn)速對(duì)鉻鍍層形貌的影響

圖2為在溫度55 °C、電流密度50 A/dm2的條件下電鍍30 min時(shí)，工件轉(zhuǎn)速對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響，其中轉(zhuǎn)速為0 r/min代表傳統(tǒng)電鍍硬鉻。

圖2 轉(zhuǎn)速對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 2 Effect of rotating speed on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

由圖2可知，采用含添加劑HF-04的鍍鉻液制備的傳統(tǒng)鉻鍍層表面較平整，裂紋粗大，存在大量氫氣孔。柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，裂紋較窄，裂紋數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而增多，大胞狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的胞簇?cái)?shù)量減少，大胞之間變得更緊密，很難觀察到氫氣孔。胞狀結(jié)構(gòu)形成的原因與旋轉(zhuǎn)摩擦作用有關(guān)。無添加劑的傳統(tǒng)鉻鍍層也是胞狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)含有大量裂紋[9]，這表明鍍鉻液中的添加劑可以起到細(xì)化鍍層組織的作用，但無法消除陰極析氫的影響，而旋轉(zhuǎn)摩擦行為使吸附于陰極表面的添加劑剝離，從而粗化了鍍層形貌。隨著轉(zhuǎn)速的提高，旋轉(zhuǎn)摩擦行為盡管弱化了添加劑的作用，但加強(qiáng)了對(duì)晶體生長(zhǎng)的抑制作用，并且轉(zhuǎn)速越高，摩擦作用越顯著，晶粒越細(xì)，從而使柔性摩擦輔助電鍍鉻層的致密性提高，由晶粒細(xì)化引起的拉應(yīng)力也增大，進(jìn)而使相應(yīng)鉻鍍層的網(wǎng)狀裂紋逐漸增加。因此選擇轉(zhuǎn)速為20 r/min，此時(shí)柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋最少且最細(xì)。

圖3為柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面形貌。由圖3可見，與傳統(tǒng)電鍍鉻層相比，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面無裂紋、孔洞等缺陷，與基體結(jié)合緊密(兩者間的界面見白線處)。柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中的旋轉(zhuǎn)摩擦行為可以驅(qū)趕陰極附近的水化氫離子、剝離陰極表面吸附的氫原子和氫氣泡，從而提高了陰極析氫過電位，減少了氫析出和氫向鍍層內(nèi)部的滲入，進(jìn)而降低了由于大量滲氫造成晶格畸變引起的鍍層拉應(yīng)力。另外，摩擦行為還能夠清除陰極表面吸附的雜質(zhì)，活化基體表面，從而改善了鍍層的界面結(jié)合。因此，采用柔性摩擦輔助電鍍鉻技術(shù)能夠減少鉻鍍層的裂紋數(shù)量，同時(shí)提高鉻鍍層的組織致密性和結(jié)合力。

圖3 柔性摩擦輔助電鍍鉻層的截面形貌Figure 3 Cross-section morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

2. 2 溫度對(duì)鉻鍍層形貌的影響

在電流密度50 A/dm2、工件轉(zhuǎn)速20 r/min的條件下電鍍30 min，溫度分別為55 °C和65 °C時(shí)電鍍鉻層的表面形貌見圖4。由圖4可知，兩種溫度下的柔性摩擦輔助電鍍鉻層均無裂紋、氣孔等缺陷存在。溫度為55 °C時(shí)，鉻鍍層的胞狀尺寸較大，表面較粗糙；溫度為65 °C時(shí)，鉻鍍層表面的胞狀尺寸減小，表面較平整、致密，并且可見一些刷痕。這表明溫度較高時(shí)，柔性介質(zhì)摩擦對(duì)鉻鍍層生長(zhǎng)的抑制作用較強(qiáng)，整平效果較好。另外，從圖4的高倍圖還可以看出，55 °C和65 °C下所得鍍層表面胞狀間的交叉處都存在一些細(xì)小的球形結(jié)瘤，說明這些部位的能量較低，有利于形核。

圖4 溫度對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 4 Effect of temperature on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

在柔性摩擦輔助電鍍鉻過程中，柔性介質(zhì)摩擦通過屏蔽部分尖端部位離子的放電或驅(qū)趕在尖端部位放電后產(chǎn)生的高溫吸附鉻原子，抑制了尖端部位晶體的快速生長(zhǎng)，“刷痕”的存在恰恰可以作為柔性介質(zhì)摩擦擾動(dòng)高溫吸附鉻原子的重要佐證。在柔性摩擦剪切力的作用下，這些高溫吸附鉻原子的擴(kuò)散過程被擾亂，同時(shí)被驅(qū)趕的放電離子也被迫在此處放電，相對(duì)而言加快了低凹部位晶體的生長(zhǎng)，因而柔性介質(zhì)摩擦可以起到較好的整平作用。溫度升高時(shí)，鉻離子的表面擴(kuò)散加快，柔性介質(zhì)摩擦抑制晶體生長(zhǎng)的作用也逐漸加強(qiáng)，同時(shí)陰極析氫的影響也降低，因此鍍層表面越來越平整、致密。然而，鍍液溫度過高(如70 °C)時(shí)，鉻鹽會(huì)發(fā)生水解，鉻霧蒸發(fā)也很嚴(yán)重，生成的氫氧化鉻膠體等堿性夾雜會(huì)更多。因此鍍液溫度控制在65 °C附近為宜。

2. 3 電流密度對(duì)鉻鍍層形貌和沉積速率的影響

在工件轉(zhuǎn)速20 r/min、溫度65 °C和不同電流密度下電鍍30 min，所得鍍鉻層的表面形貌見圖5。由圖5可知，隨電流密度從30 A/dm2增加到60 A/dm2，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋先減少后增加，結(jié)瘤趨勢(shì)也逐漸加強(qiáng)。當(dāng)電流密度為40 A/dm2時(shí)，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋最少甚至沒有，表面也最平整、致密。

圖5 電流密度對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面形貌的影響Figure 5 Effect of current density on surface morphology of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

低電流密度下，柔性摩擦輔助電鍍鉻層的裂紋最多，此時(shí)金屬沉積速率相對(duì)較慢，陰極析氫較多，電流效率較低，引起鍍層的拉應(yīng)力過大，因而產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂紋多而寬。隨著電流密度升高，陰極析氫過電位增加，陰極析氫降低，同時(shí)電化學(xué)極化增強(qiáng)，晶體形核率提高。隨著電流密度的進(jìn)一步升高，金屬沉積速率繼續(xù)增大(見圖6)，陰極析氫作用減弱，相當(dāng)于柔性介質(zhì)的摩擦作用時(shí)間變短而摩擦抑制作用減弱[11]，導(dǎo)致鍍層表面有很多雜質(zhì)吸附或局部快速沉積引起結(jié)瘤，但由析氫引起的鍍層拉應(yīng)力相對(duì)較低，因而與低電流密度下的鉻鍍層相比，高電流密度下柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面的裂紋較少，也較窄。因此，電流密度選擇為40 A/dm2。

2. 4 顯微硬度和氣密性檢測(cè)

采用優(yōu)化的柔性摩擦輔助電鍍鉻工藝參數(shù)，即工件轉(zhuǎn)速20 r/min、溫度65 °C、電流密度40 A/dm2，沉積時(shí)間6 h，得到了結(jié)構(gòu)完整的電鍍鉻層(見圖7a)，其顯微硬度約為850 HV(傳統(tǒng)硬鉻層的顯微硬度約為780 HV)。將其磨削加工、裝配、打壓后進(jìn)行氣密性測(cè)試(見圖7b)，發(fā)現(xiàn)柔性摩擦輔助電鍍鉻的起落架活塞桿表面無任何氣泡，氣密性合格。

圖6 電流密度對(duì)柔性摩擦輔助電鍍鉻沉積速率的影響Figure 6 Effect of current density on flexible friction-assisted electroplating rate

圖7 柔性摩擦輔助電鍍鉻層的氣密性測(cè)試Figure 7 Tightness test of chromium coating obtained by flexible friction-assisted electroplating

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)電鍍鉻層相比，柔性摩擦輔助電鍍鉻層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，裂紋少而窄，無氣孔和垂直貫穿的裂紋。柔性摩擦輔助電鍍致密鉻鍍層的最優(yōu)工藝條件為：工件轉(zhuǎn)速20 r/min，溫度65 °C，電流密度40 A/dm2。在最優(yōu)條件下所得硬鉻鍍層基本沒有裂紋，表面平整、致密，顯微硬度約為850 HV，氣密性合格。

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[ 編輯：周新莉 ]

Study on process of flexible friction-assisted electroplating of compact chromium coatings

DENG Yun, LYU Biao*,

WANG Xiao-he, HU Zhen-feng, LIANG Xiu-bing

Chromium coatings were prepared by flexible friction-assisted chromium electroplating in order to solve the problem of poor air tightness of hard chromium coating on aircraft landing buffer piston rod. The bath composition are as follows: CrO3220-300 g/L, H2SO42.2-3.0 g/L, Cr3+2.5-7.5 g/L, additive HF-04 6-8 mL/L. Effect of temperature, rotation speed of workpiece and current density on property of flexible friction-assisted chromium electroplated coatings were studied by observing the surface morphology of coatings obtained under different conditions. The optimal temperature, rotation speed of workpiece and current density is 65 °C, 20 r/min and 40 A/dm2respectively. The hard chromium coating obtained under the optimum condition has little micro-crack, a smooth and compact surface, a microhardness of 850 HV and qualified air tightness.

chromium; electroplating; flexible friction; surface morphology; crack; tightness

TQ153.11

A

1004 - 227X (2016) 19 - 1021 - 04

2016-07-03

2016-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51505484）。

鄧云（1974-），男，四川閬中人，在讀碩士研究生，主要從事表面工程與再制造工程研究。

呂鏢，助理研究員，(E-mail) lb594287163@126.com。