斷電引起的含鎢合金鋼模具鍍硬鉻層剝落的故障分析和處理

楊旭，霍大勇*

（1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

斷電引起的含鎢合金鋼模具鍍硬鉻層剝落的故障分析和處理

楊旭1，霍大勇2,*

（1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

分析了含鎢合金鋼模具鍍硬鉻生產(chǎn)中斷電引起的4例鍍層剝落故障，給出了相應(yīng)的處理措施。并介紹了同類故障的其他誘因和解決辦法。

含鎢合金鋼；鍍硬鉻；斷電；鍍層剝落；故障處理

某機(jī)械廠長期自制熱鑄模具，模具的基體金屬為3Cr2W8V合金鋼，采用鍍硬鉻工藝強(qiáng)化模具的加工表面硬度。代表性模具為金屬擠壓筒和金屬穿孔針。其中擠壓筒的典型尺寸為：內(nèi)徑360 mm，長度700 ～ 900 mm，壁厚30 ～ 50 mm，內(nèi)腔硬鉻鍍層厚度30 ～ 56 μm。金屬穿孔針的典型尺寸為：長度1.5 m，頂端球狀梢度50 ～ 100 mm，直徑30 ～ 150 mm，表面硬鉻鍍層厚度30 ～ 56 μm。筆者在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，記錄了一些關(guān)于模具鍍硬鉻的典型故障案例。本文對斷電引起的模具硬鉻鍍層結(jié)合力差而致剝落的故障進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)例分析了其他誘因引起的此類故障，以供同行參考。

1 【實(shí)例1】長時(shí)間的中途斷電

1. 1 故障現(xiàn)象

在溫度55 °C、直流電壓(18 ± 1) V、陰極電流密度60 A/dm2的條件下，對金屬擠壓筒內(nèi)表面鍍硬鉻，施鍍過程中部分班次的鍍件發(fā)生鍍層剝落現(xiàn)象。

1. 2 分析及處理

該機(jī)械廠地處山區(qū)，而電鍍車間又位于廠區(qū)的偏遠(yuǎn)之處，當(dāng)時(shí)因供電負(fù)荷過載，供電部門實(shí)行了分區(qū)壓負(fù)荷供電的措施，造成部分電鍍班次中途斷電，從而引起上述故障。與供電部門協(xié)商保證電鍍過程中供電的連續(xù)性后，故障排除。

1. 3 技術(shù)措施

鍍硬鉻過程中出現(xiàn)斷電時(shí)，鍍鉻層表面會(huì)迅速氧化成膜，若通電后直接施鍍，鍍層結(jié)合力差，從而引起起皮、剝落的現(xiàn)象[1-3]。斷電時(shí)間超過15 min時(shí)，可以通過對鍍件進(jìn)行陽極侵蝕來補(bǔ)救，步驟如下：

(1) 轉(zhuǎn)換直流電源的電極，將模具工件作為陽極，在(35 ± 5) A/dm2下電解30 ～ 100 s，以侵蝕工件表面的氧化膜，使工件表面原有的鍍層獲得微觀粗糙的表面。

(2) 侵蝕結(jié)束后，迅速轉(zhuǎn)換直流電源的電極，將被鍍工件變?yōu)殛帢O，先在(100 ± 20) A/dm2下沖擊鍍3 min，再在60 A/dm2下繼續(xù)正常電鍍。

2 【實(shí)例2】短時(shí)間的中途斷電

2. 1 故障現(xiàn)象

同一生產(chǎn)線，保證電鍍過程中連續(xù)供電后，對金屬擠壓筒內(nèi)表面鍍硬鉻，工藝條件與實(shí)例1相同。但施鍍過程中某些班次鍍件依舊存在鍍層剝落的現(xiàn)象。

2. 2 分析及處理

有了前次處理故障的經(jīng)驗(yàn)，首先從供電方面找問題。供電的中斷包含兩種：一是交流電源斷電，二是整流設(shè)備故障造成的直流電源中斷。檢查設(shè)備沒有問題。查看變電所的供電記錄發(fā)現(xiàn)，故障批次和變電所的倒閘操作有關(guān)。當(dāng)施鍍過程中出現(xiàn)短時(shí)間斷電后，改用階梯式給電后再繼續(xù)電鍍，故障排除。

2. 3 技術(shù)措施

鍍硬鉻過程中出現(xiàn)短時(shí)間斷電后，工件表面會(huì)形成較薄的氧化膜，通過階梯式給電活化基體表面后再繼續(xù)電鍍，可以保證鍍層的結(jié)合力，避免鍍層剝落。步驟如下：

(1) 分別控制直流電壓和陰極電流密度為(3.5 ± 0.5) V和(20 ± 5) A/dm2，以保證基體上僅有析氫反應(yīng)(以鍍槽內(nèi)輕微冒氣泡為準(zhǔn))，持續(xù)5 ～ 10 min。初生態(tài)的氫原子具有很強(qiáng)的還原能力，能夠把金屬表面的氧化膜還原為金屬[1-3]。

(2) 在30 min內(nèi)逐漸升高電流密度至100 A/dm2，每5 min升高20 A/dm2。

3 【實(shí)例3】中途斷電后陽極侵蝕時(shí)間過長

3. 1 故障現(xiàn)象

同一生產(chǎn)線，對金屬擠壓筒內(nèi)表面鍍硬鉻，工藝條件同上。因全廠停電，造成某班次電鍍過程中途斷電2 h，采取陽極侵蝕措施后，該批次的擠壓筒內(nèi)表面鍍層仍出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

3. 2 分析及處理

由于停電時(shí)間較長，該班次采用陽極侵蝕工藝對工件進(jìn)行了恢復(fù)施鍍的鍍前處理。詢問當(dāng)班人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天同一車間另一生產(chǎn)線也正在進(jìn)行中碳鋼基體的電鍍作業(yè)，斷電恢復(fù)施鍍前，當(dāng)班人員對合金鋼件和中碳鋼件統(tǒng)一進(jìn)行了60 s的陽極侵蝕。

不同材質(zhì)的金屬基體，其陽極侵蝕時(shí)間不盡相同。對于中碳鋼，侵蝕時(shí)間宜控制在30 ～ 60 s[1]；而對于合金工具鋼，適宜的侵蝕時(shí)間為5 ～ 10 s[1]。侵蝕時(shí)間過長也會(huì)導(dǎo)致鍍層結(jié)合力降低。

3. 3 技術(shù)措施

對鍍件基體陽極侵蝕活化時(shí)，要根據(jù)基體的材質(zhì)控制活化時(shí)間，不同材質(zhì)基體的陽極侵蝕時(shí)間見表1。

表1 不同基材的陽極侵蝕時(shí)間表[1-3]Table1 Timetable of anodic etching for different substrates

4 【實(shí)例4】中途斷電2 h，陽極侵蝕處理合鉻，但鍍層呈網(wǎng)狀裂紋

4. 1 故障現(xiàn)象

某班次因整流電源故障造成電鍍過程中斷電2 h，已按表1嚴(yán)格控制陽極侵蝕時(shí)間，但該批次的穿孔針表面鍍層呈裂紋狀。

4. 2 分析及處理

召開現(xiàn)場技術(shù)分析會(huì)，分析了設(shè)備、供電、鍍液成分、陰極電流密度的保持等環(huán)節(jié)，均正常。后注意到故障發(fā)生在冬季，測量槽內(nèi)鍍液溫度低于20 °C，確定了故障的癥結(jié)在于槽內(nèi)鍍液溫度過低。對車間采取供暖措施，保證鍍槽溫度在(55.0 ± 1.5) °C，故障排除。

4. 3 技術(shù)措施

鍍液溫度太低或電流密度太大，所得硬鉻鍍層脆性大而呈裂紋狀，易剝落[3-4]。因此施鍍過程應(yīng)控制鍍液溫度和陰極電流密度在適宜范圍內(nèi)。

5 其他誘因?qū)е碌挠层t鍍層脫落故障

中途斷電后處理不當(dāng)會(huì)造成鍍硬鉻層結(jié)合力差甚至脫落。除此之外，引發(fā)硬鉻鍍層脫落的還有其他因素，在分析故障時(shí)要注意區(qū)分，不能僅僅從一個(gè)方面分析問題，有些故障(如例4)可能是兩種或者兩種以上原因造成的。

5. 1 鍍前處理不徹底

含鎢合金鋼模具鍍硬鉻層厚度大于30 μm，導(dǎo)致基體與鍍層間的結(jié)合力不高，脆性大，強(qiáng)度低。在鍍前處理中，必須徹底清除金屬表面的污物和氧化膜，使金屬基體結(jié)晶裸露，才能保證電鍍質(zhì)量[5-7]。

5. 2 工件入槽時(shí)溫度太低，引起槽溫降低

工件入槽前應(yīng)先預(yù)熱到55 °C(工藝要求的鍍液溫度)，使鍍件與鍍液的溫度基本相同后再通電。工件在(55 ± 2) °C的熱水槽內(nèi)預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間15 min左右。在電鍍生產(chǎn)線中要配置溫度調(diào)節(jié)設(shè)備。保證施鍍過程中鍍液溫度保持在(55.0 ± 1.5) °C。

這里的模具是厚壁工件，達(dá)到熱穩(wěn)定的時(shí)間比薄壁工件長。當(dāng)熱水槽容積大于工件體積的10倍以上時(shí)，薄壁工件需要預(yù)熱3 ～ 10 min，厚壁工件預(yù)熱5 ～ 15 min。

5. 3 鍍液中含量太高

5. 4 基體金屬內(nèi)應(yīng)力大

工件在電鍍前要進(jìn)行退火處理，以消除基體金屬的內(nèi)應(yīng)力。

6 保障含鎢合金鋼模具鍍硬鉻質(zhì)量的技術(shù)措施

(1) 電鍍過程中要保證直流電源供電的連續(xù)可靠。注意斷電包含交流電源的中斷以及因整流電源故障出現(xiàn)的交流有電而直流無電兩種類型。

(2) 施鍍過程出現(xiàn)15 min以上的斷電時(shí)，應(yīng)進(jìn)行陽極侵蝕。

(3) 施鍍過程出現(xiàn)短時(shí)間斷電時(shí)，應(yīng)采取階梯式給電的方式活化基體表面。

(4) 合金工具鋼的陽極侵蝕時(shí)間應(yīng)控制在5 ～ 10 s。

(5) 控制鍍液溫度和陰極電流密度在適宜范圍內(nèi)，采用陰極保護(hù)來保證陰極電流密度。

(6) 鍍前處理時(shí)必須徹底清除金屬表面的污物和氧化膜，使金屬基體結(jié)晶裸露[8]。

(7) 工件入槽前先預(yù)熱，薄壁工件預(yù)熱3 ～ 10 min，厚壁工件預(yù)熱5 ～ 15 min。

(9) 工件在電鍍前進(jìn)行退火處理，以消除基體金屬的內(nèi)應(yīng)力。

[1] 張?jiān)收\, 胡如南, 向榮. 電鍍手冊[M]. 4版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011: 239-248.

[2] 馮立明, 王玥. 電鍍工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010: 139-151.

[3] 謝無極. 電鍍故障精解[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013: 156-164.

[4] 張勝濤. 電鍍工藝及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2009: 146-154.

[5] 石井英雄. 日本電鍍指南[M]. 黃健農(nóng), 譯. 長沙: 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1985.

[6] 李鴻年. 電鍍工藝手冊[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1989.

[7] 曾華梁, 吳仲達(dá), 陳鈞武, 等. 電鍍工藝手冊[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[8] 田永良. 活塞桿鍍硬鉻[J]. 電鍍與環(huán)保, 2010, 30 (5): 47-48.

[ 編輯：周新莉 ]

Analysis on peeling of hard chromium coating on tungsten-containing alloy steel mold due to blackout and corresponding treatment measures

YANG Xu, HUO Da-yong*

Four fault instances about peeling of coating on tungsten-containing alloy steel mold due to blackout during the hard chromium plating production were analyzed and corresponding treatment measures were given. The similar faults caused by other factors and related solutions were also introduced.

tungsten-containing alloy steel; hard chromium plating; breakout; peeling of coating; troubleshooting

TQ153.11

B

1004 – 227X (2017) 08 – 0424 – 03

10.19289/j.1004-227x.2017.08.009

2017–02–15

2017–03–24

楊旭（1987–），河南南陽人，碩士，助教，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷、智能控制等。

霍大勇，高級工程師，教授，(E-mail) hnnyhdy@163.com。

First-author’s address:Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004, China