影響鍍鉻層孔隙率的因素和解決措施

趙金航，陳文舉

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723200)

鉻是一種微帶藍(lán)色的銀白色金屬，金屬鉻在空氣中極易鈍化，表面形成一層極薄的鈍化膜，從而顯示出貴金屬的性質(zhì)。鍍鉻層具有很高的硬度，有較好的耐熱性，在500 ℃開始氧化變色，大于700 ℃開始降低。鍍鉻層的摩擦因數(shù)小[1]，特別是干摩擦因數(shù)，在所有金屬中是最低的。所以鉻鍍層具有良好的耐磨性。同時(shí)，鍍鉻層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，與酸、堿、鹽及大多數(shù)有機(jī)物均不發(fā)生反應(yīng)。

由于鍍鉻層具有優(yōu)良的力學(xué)性能和防護(hù)性能，因此在飛機(jī)起落架上被廣泛應(yīng)用[2]。而硬鉻鍍層的孔隙率周期控制不僅影響現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的正常交付，同時(shí)對(duì)于產(chǎn)品硬鉻鍍層的氣密質(zhì)量有很大影響。因此，為滿足某型號(hào)飛機(jī)起落架鉻層質(zhì)量要求，特開展了鍍鉻層孔隙率的工藝研究，滿足了現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品驗(yàn)收和交付需求，具有一定的借鑒推廣價(jià)值。

1 電鍍鉻的基本原理

1.1 電解液的導(dǎo)電原理

在電解液中，電解質(zhì)的分子由于水分子極性作用的結(jié)果，其化合鍵斷裂而被分離的分子，一部分顯正電性叫陽(yáng)離子，一部分顯負(fù)電性叫陰離子，在電流的作用下，溶液中的正離子被吸附，并沉積在陰極上。作為沉積離子的補(bǔ)充，從陽(yáng)極溶解的金屬離子進(jìn)入到溶液中，并在電勢(shì)的作用下平衡[3]。

1.2 電鍍鉻的基本原理

電鍍是一個(gè)氧化-還原反應(yīng)，一種金屬失去電子(被氧化)，一種金屬得到電子(被還原)。陽(yáng)極是發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，陰極是發(fā)生還原反應(yīng)的電極。電鍍鉻是利用電解使金屬鉻沉積在制件表面，形成均勻、致密、結(jié)合力良好的鉻金屬層的過程。電鍍的基本原理如圖1所示。

圖1 電鍍的基本原理

陽(yáng)極反應(yīng)：

4OH-- 4e → 2H2O + O2↑

Pb + 4OH-- 4e → PbO2+ 2H2O

2Cr3++3O2↑ - 6e → 2CrO3

陰極反應(yīng)：

Cr2O72-+14H++12e → 2Cr+7H2O

2H++ 2e → H2↑

Cr2O72-+14H++6e → 2Cr3++ 7H2O

2 孔隙率的產(chǎn)生

2.1 孔隙率的定義

孔隙率是指單位面積鉻層上針孔的個(gè)數(shù)。而針孔為從鍍層表面直至底層覆蓋層或基體金屬的微小孔道，它是由于陰極表面上某些點(diǎn)的電沉積過程受到障礙，使該處不能沉積鍍層，而周圍的鍍層不斷加厚所造成的[4]。

2.2 影響孔隙率的因素

1)試件基體。進(jìn)行電鍍的試樣不同程度的存在毛刺或銹蝕。這些缺陷的存在將會(huì)導(dǎo)致零件局部無鍍層，并產(chǎn)生針孔缺陷，致使孔隙率測(cè)試不合格。

2)鍍前預(yù)處理。零件在進(jìn)行電鍍前，試樣表面存在油污或有機(jī)物或顆粒物。如果不將這些東西清理干凈，將會(huì)給電鍍過程增加額外的阻力，導(dǎo)致零件局部或表面不能獲得完整的鍍層，致使孔隙率測(cè)試不合格。

3)電鍍過程。鍍鉻是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過程，鍍鉻層的質(zhì)量?jī)?yōu)劣受多種因素的影響[5]。電鍍參數(shù)對(duì)鍍鉻工藝過程的影響是重要的，如鍍液的組成成分、槽液溫度和電流密度等。

3 孔隙率試驗(yàn)

3.1 試樣的準(zhǔn)備

試樣采用φ(12～18) mm×100 mm低碳鋼(20鋼)或低合金鋼(30CrMnSiA)試棒進(jìn)行。

3.2 工藝流程

工藝流程如下：鍍前表面狀態(tài)檢查→電化學(xué)除油→吹氧化鋁→冷水洗→裝掛和保護(hù)→冷水洗(30 s水膜連續(xù)性檢查)→預(yù)熱→陽(yáng)極腐蝕→電鍍硬鉻→回收槽洗→流動(dòng)冷水洗→熱水洗→拆卸夾具→壓縮空氣吹干→除氫→檢驗(yàn)[6]。

鍍鉻過程中每一道工序的目的如下。

1)電化學(xué)除油：為了除掉零件上的油污。溫度越高，除油越快。一般要求50～70 ℃，3～5 min。

2)熱水洗：為了很快去掉零件上的除油溶液。

3)冷水洗：為了更徹底去掉零件上的除油溶液。

4)鍍鉻：給零件鍍上一層均勻、細(xì)致的鉻層，鉻層結(jié)合力、孔隙率、硬度、氫脆性等性能滿足要求。

a.預(yù)熱：建議1～5 min，可適當(dāng)延長(zhǎng)，可提高鉻層結(jié)合力。

b.陽(yáng)極腐蝕：去除金屬表面的氧化膜，使基體金屬完全暴露出來。

c.沖擊電鍍：使零件需要鍍鉻的部位全鍍上鉻，電流均勻分布到零件各個(gè)部位。

d.正常電鍍：使鍍鉻部位鉻層均勻增長(zhǎng)。電流穩(wěn)定后不再變動(dòng)。同時(shí)，為保證電力線分布均勻，陽(yáng)極要均布，且與陰極距離保持一致。

5)回收槽液：洗掉零件上大部分鉻酐，在調(diào)槽子時(shí)槽水可用。

6)冷水洗：徹底洗凈零件，把鉻酐留在槽中。

7)熱水洗：為了使零件快點(diǎn)干燥，進(jìn)一步清洗零件。

8)除氫：把滲入基體中的氫完全除掉，以防氫脆發(fā)生。

3.3 試驗(yàn)過程

3.3.1 鍍鉻

試樣使用鍍鉻溶液進(jìn)行電鍍，鍍鉻溶液的配制濃度和控制范圍如下：1)鉻酸酐為225～250 g/L；2)硫酸為2.25～2.5 g/L；3)三價(jià)鉻為3～8 g/L；4)鉻酸酐/硫酸為95～110(最佳100)；5)溶解的鐵<15 g/L；6)Cl-(按NaCl計(jì))<0.033 g/L；7)θ為50～60 ℃；8)JK為40～60 A/dm2；9)鉛銻板符合GB/T 1470標(biāo)準(zhǔn)；10)鍍層δ≥40 μm。

3.3.2 電鍍后除氫處理

針對(duì)低碳鋼孔隙率試樣電鍍后在(190±10) ℃烘烤至少3 h，低合金鋼孔隙率試樣電鍍后在(190±10) ℃烘烤至少4 h。

3.3.3 鍍層孔隙率檢測(cè)

1)在距離試樣邊緣至少6.4 mm處采用貼濾紙法檢測(cè)鍍層孔隙率，使用濾紙浸漬下述溶液后貼在試樣表面，敷貼濾紙的時(shí)間為20 min，用蒸餾水洗凈、干燥。

所使用的鐵氰化鉀、氯化鈉和氯化銨均應(yīng)為化學(xué)純的試劑，用蒸餾水或去離子水配制成試驗(yàn)溶液(鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])為10 g/L；氯化鈉(NaCl)為20 g/L；氯化銨(NH4Cl)為60 g/L；室溫)，該溶液的有效期為2周。

2)觀察鍍層表面的藍(lán)色斑點(diǎn)，每平方分米面積上不多于5個(gè)則認(rèn)定檢測(cè)合格。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試件電鍍后零件外觀、孔隙率檢測(cè)情況如圖2和圖3所示。

圖2 孔隙率檢測(cè)不合格

圖3 孔隙率檢測(cè)合格

按HB 5041對(duì)零件孔隙率進(jìn)行檢查，每平方分米的鉻層孔隙數(shù)量不大于5個(gè)為合格。圖2中鉻層孔隙的數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5個(gè)，故檢測(cè)結(jié)果不合格；圖3中鉻層孔隙的數(shù)量小于5個(gè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)零件在進(jìn)行電鍍前，試樣表面的毛刺、銹蝕等缺陷或表面油污清洗不徹底或多余物會(huì)給電鍍過程帶來極大的危害，致使電鍍過程增加了額外的阻力，零件局部或表面不能獲得完整的鍍層，產(chǎn)生針孔缺陷，致使孔隙率檢查不合格。

2)試樣在電鍍過程中電流過大，槽液溫度低，將導(dǎo)致鍍層結(jié)晶粗大，孔隙較大，鉻層粗糙，孔隙率檢測(cè)不合格。反之鍍層均勻、細(xì)致，孔隙率檢測(cè)合格。

3.4.3 解決措施

1)電鍍前加強(qiáng)試樣基體的檢查，確保電鍍表面無銹蝕、毛刺和磕碰傷等缺陷。

2)鍍前預(yù)處理過程徹底去除零件表面的油污、有機(jī)物，30 s水膜連續(xù)性檢查合格。

3)電鍍過程中確保槽液各成分配比合理，選擇合適的槽液溫度、電流密度、電鍍時(shí)間等參數(shù)。建議電流密度在45～50 A/dm2，槽液溫度在(55±2) ℃范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)孔隙率試棒表面狀態(tài)、電鍍前預(yù)處理不徹底，存在毛刺、銹蝕、油污等缺陷，直接影響鉻層質(zhì)量，導(dǎo)致孔隙率檢測(cè)不合格。

2)孔隙率試棒電鍍過程中的槽液溫度、電流密度和電鍍時(shí)間對(duì)孔隙率試棒的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。

3)孔隙率試樣的加工工藝流程，滿足工藝文件和現(xiàn)場(chǎng)加工需求，可用于現(xiàn)場(chǎng)試樣加工。