身管內(nèi)膛流動鍍鉻新工藝

李洪，高岳，郭陽，張必良，劉兵，喻翔*

（重慶建設工業(yè)(集團)有限責任公司，重慶 400054）

身管作為輕武器的核心零部件[1]，由于其內(nèi)膛的服役環(huán)境為高溫、高壓以及強摩擦，單純依靠身管基體材料本身的性能無法滿足其綜合性能的要求[2]，因此常利用鍍鉻工藝在其內(nèi)膛表面鍍一定厚度的鉻層，以達到抗腐蝕、耐磨損、低摩擦的目的[1-2]，最終延長輕武器的綜合壽命[3]，提高射擊精度。

利用傳統(tǒng)的鍍鉻技術(shù)(浸泡式)對身管進行鍍鉻作業(yè)時，由于是在細長管的內(nèi)孔鍍鉻，內(nèi)膛鉻層質(zhì)量較難把控，鍍后往往出現(xiàn)錐差(縱向不均勻度)大、“腰鼓”、粗結(jié)晶以及光潔度差等缺陷[4-5]，造成身管一次性鍍鉻合格率較低[6]，而且大量的返工返修也極大地提高了生產(chǎn)成本。

雖然目前有不少解決辦法[3,7-9]，并在鍍薄鉻方面取得了良好的效果[10]，但對于厚鉻，還沒有明顯的突破。身管鍍后一般對鉻層厚度要求較高，且錐差要求控制在很小范圍內(nèi)，這無疑對身管內(nèi)膛鍍鉻技術(shù)提出了嚴峻的考驗。

身管內(nèi)膛鍍鉻過程中，由于陰陽極反應所產(chǎn)生的氣體自下而上運動所能帶動的溶液循環(huán)量有限，造成氣體在上部聚集，使得上部電阻增大，最終引起上端鉻層較薄，下端鉻層較厚，即兩端錐差大。針對這一問題，有學者指出流動槽液可有效地調(diào)整深孔管鍍鉻層的錐差[11]。受此研究思路啟發(fā)后，自行研發(fā)設計出流動鍍鉻設備，與傳統(tǒng)工藝最大的不同在于：身管不需要浸泡于電鍍液中，只需將電鍍液以一定的流速在身管內(nèi)膛中穩(wěn)定循環(huán)即可達到內(nèi)膛電鍍鉻的目的，同時通過精準控制溶液的流速，以求最大限度地降低陰陽極產(chǎn)生的氣體與溶液之間的相對速度，避免因氣體聚集而引起身管上下端電阻不一致，避免鉻層產(chǎn)生錐差缺陷。

本文采用流動鍍鉻工藝技術(shù)對新型步槍身管鍍鉻，對不同的供電方式、上下模具裝夾方式、工藝參數(shù)等進行了探討。

1 身管流動鍍鉻的設計

傳統(tǒng)電鍍是將鍍件作為陰極浸泡于電解液中，與陽極構(gòu)成回路，通電后發(fā)生氧化還原反應，使金屬離子還原沉積到陰極表面的表面處理工藝技術(shù)。所謂的流動鍍鉻，則不需要將身管浸泡于電鍍液中，而是利用管道連接好身管的兩端，用泵將電解質(zhì)溶液抽吸通過內(nèi)膛，并用電磁球閥精準控制電解液的流速，便可在身管內(nèi)膛表面鍍鉻，如圖1所示。

圖1 雙端電流強制均勻法流動鍍鉻工藝的原理示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the principle of uniform chromium plating by using two anodes applied with electric current at their both ends under flowing condition

2 流動鍍鉻工藝流程

身管鍍鉻工藝流程為：化學除油→熱水洗→清洗→酸洗→冷水洗→熱水洗→燙干→清潔內(nèi)膛附著物→檢驗內(nèi)膛→裝架→鍍鉻→下架→檢驗尺寸。

本次身管流動鍍鉻試驗采用中等濃度的普通鍍鉻液。

3 流動鍍鉻工藝研究

3.1 流速對身管鍍鉻層質(zhì)量的影響

身管鍍鉻屬于細長管內(nèi)孔鍍鉻，采用流動電鍍方式時，其內(nèi)膛充滿的電解液有限，若電鍍過程中離子得不到及時補充，則很難保證鉻層的質(zhì)量。因此，流速是流動鍍鉻工藝中首要解決的關(guān)鍵問題。

試驗表明，當流速較低時，鉻層的外觀質(zhì)量較差，呈暗灰色并伴有粗結(jié)晶。低流速電鍍液循環(huán)于身管內(nèi)膛時，溶液從槽體經(jīng)過管道流向身管內(nèi)膛的路徑中會損耗部分熱量，使實際身管內(nèi)膛溶液的溫度低于槽體的溶液溫度，即電鍍作業(yè)時溫度偏低會導致鉻層呈暗灰色。另外，流速較低也不利于晶核生長，晶體長大的速率大于晶核生成的速率，最終形成粗結(jié)晶。同理，當流速較大時，晶核生成的速率略低于晶體長大的速率，鉻層表面也會有少量粗結(jié)晶。只有當流速適中時，鍍后鉻層才會呈現(xiàn)銀白色光澤，無粗結(jié)晶現(xiàn)象。

試驗過程中還發(fā)現(xiàn)：低流速電鍍時，反應所產(chǎn)生的氣體易聚集成大氣泡，影響鉻層的尺寸均勻性；而當流速適中或較高時，氣泡均勻細小，不易團聚，鍍后鉻層的尺寸一致性較好。

3.2 陽極供電方式對鍍鉻層尺寸均勻性的影響

深孔鍍鉻采用的陽極鋼絲一般是通過在低碳鋼絲表面先鍍銅后鍍鉛所制成。由于其材料本身具有一定的電阻，電鍍的過程中會產(chǎn)生一定的電位降，最終引起身管鍍鉻層出現(xiàn)錐差及“腰鼓”等缺陷。

實驗表明，無論采用上端(如圖2a所示)還是下端(如圖2b所示)的單端供電方式都對身管內(nèi)膛鉻層尺寸的錐差產(chǎn)生較大影響，達不到工藝要求，同時身管“腰鼓”缺陷被放大；而采用雙端供電的方式(如圖2c所示)可以有效改善內(nèi)膛尺寸的均勻性，縮小了“腰鼓”缺陷的范圍。這說明雙端供電方式可以有效解決電流密度分布的均勻性，與陳勝等人[10]在浸泡鍍時采用雙端供電的效果類似。

圖2 不同鋼絲陽極供電的方式Figure 2 Different methods for applying current on the steel wire as an anode

3.3 上下工裝模具的設計

上下工裝模具與身管在使用過程中靠剛性配合抱緊，有時會出現(xiàn)定位精度差、鋼絲陽極偏心之類的問題，從而造成鉻層偏心或燒蝕。為此，參考了向家云等人[12]的設計，上下工裝采用彈性夾頭，使上下模具與身管依靠彈性配合抱緊，有效解決了偏心和燒蝕問題，保證了身管一次鍍鉻的合格率。

3.4 電流強制均勻法對尺寸均勻性的影響

陽極鋼絲采用雙端供電方式雖然能有效改善因陽極鋼絲電阻所產(chǎn)生的電位降，從而避免錐差和“腰鼓”缺陷的產(chǎn)生，但對于長時間鍍厚鉻而言仍需進一步優(yōu)化。為此，在雙端供電方式的基礎上，特提出一種電流強制均勻化的做法。為避免因陽極鋼絲、氣體等所造成的電位降而引起的身管上下部分電流分布不均勻的現(xiàn)象，將原身管共用1個陽極輸出改為由2個單獨陽極輸出(如圖3所示)，使身管上下部分的電流分布更均勻，降低錐差和腰鼓缺陷的產(chǎn)生。

圖3 雙端電流強制均勻法Figure 3 Uniformization of current distribution by applying current at two anodes at their both ends

原來身管上下端采用1個共用陽極輸出時，往往出現(xiàn)上下部分電流分布不均勻且不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而采用雙端電流強制均勻法時，電源向2個單獨的陽極強制輸出給定電流，使身管上下部分電流分布均勻，不相互影響，鍍鉻過程中保持穩(wěn)定，提高了身管鍍鉻的一致性。經(jīng)過改進后，試驗過程中測得身管上下部分的電流差被控制在2 A以內(nèi)，極大地穩(wěn)定了整件身管的電流分布，效果顯著。

3.5 連續(xù)生產(chǎn)試驗

通過大量的試驗驗證后，鎖定了流動鍍鉻各項工藝參數(shù)，并連續(xù)試驗了20件身管。結(jié)果表明，內(nèi)膛鉻層厚度尺寸錐差與“腰鼓”缺陷得到了有效控制，鉻層尺寸一致性較好，錐差也控制在允許值的一半以內(nèi)，且無“腰鼓”缺陷，一次鍍鉻合格率為90%，而原浸泡鍍的一次鍍鉻合格率只有30%?？梢娏鲃渝冦t工藝令細長管內(nèi)孔鍍厚鉻的質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，也為深孔鍍鉻表面處理技術(shù)的研究提供了新思路和新方向。

4 結(jié)語

本文以解決實際工藝應用為需要，針對深孔鍍厚鉻這一難題，提出了流動鍍鉻新工藝，并對其工藝參數(shù)和電流加載方式進行了考察。在采用雙端電流強制均勻法的情況下，身管鍍鉻層尺寸的一致性較好，錐差及“腰鼓”缺陷得到了有效控制，一次鍍鉻合格率提高了2倍。