一種超高強度鋼鍍硬鉻新工藝研究

趙金航，李 博

（中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200）

鉻是一種微帶藍色的銀白色金屬，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，根據(jù)鍍液成分和工藝條件不同，其硬度可在400～1200 HV 內(nèi)變化。另外鉻鍍層有較好的耐熱性，在500 ℃時才開始氧化變色。鍍鉻層的摩擦系數(shù)也較小［1］，特別是干摩擦系數(shù)在所有金屬中最低，所以鉻鍍層具有較好的耐磨性。同時，鍍鉻層具有良好的化學穩(wěn)定性，與酸、堿、鹽及大多數(shù)有機物均不發(fā)生反應。由于鍍鉻層具有優(yōu)良的機械性能和防護性能，已在飛機起落架上廣泛應用［2］。為滿足某型號飛機起落架鍍鉻層質(zhì)量要求，開展了鍍硬鉻新工藝研究，制備的鍍層滿足質(zhì)量要求，具有一定的借鑒推廣價值［3］。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及表征

硬度、結合力試件材料為300M 鋼，尺寸為100 mm ×25 mm × 1 mm，鍍層厚度為80～100 μm；氫脆試件材料為AISI 4340，選用ASTM F 519 1a1型試棒，鍍層厚度為50±5 μm。

采用DUALSCOPE FMP40 型涂層測厚儀對各試件的鍍層厚度進行測量；采用GW1-7 型7 mm 彎折實驗器對試件進行結合力檢測；用HMV-G-FA-D顯微維氏硬度計對鍍層硬度進行檢測；采用QD-100氫脆實驗專用實驗機進行試棒氫脆性檢測。

1.2 實驗流程

基體表面狀態(tài)檢查→蒸汽除油→吹氧化鋁→水洗→裝掛和保護→冷水洗（30 s，水膜連續(xù)性檢查）→預熱→陽極腐蝕→電鍍硬鉻→水洗→堿清洗→流動冷水洗→拆卸夾具→壓縮空氣吹干→除氫→檢驗。

各工序工藝配方與操作參數(shù)如下。

（1）蒸汽除油：介質(zhì)三氯乙烯、溫度86 ℃～92 ℃、時間3～5 min。

（2）吹氧化鋁：150 目白剛玉，風壓0.2 MPa、距離250 mm。

（3）電鍍硬鉻：鍍液成分 CrO3270～310 g/L、Cr2O31～15 g/L 、H2SO4/CrO30.4% ～ 0.8% 、Fe＜15 g/L、F-3～4 g/L。

電鍍過程包括陽極腐蝕、沖擊電鍍、正常電鍍?nèi)?，各步的工藝參?shù)如表1所示。

表1 電鍍過程工藝參數(shù)表Tab.1 Process parameter of electroplating process

（4）堿清洗：堿洗液成分Oakite 90型 45～90 g/L，堿洗溫度82～93 ℃，時間3～5 min。

（5）除氫：溫度190±5 ℃，時間＞ 23 h，需在電鍍后3 h內(nèi)開始除氫處理。

1.3 鉻鍍層性能測試要求

（1）厚度：硬度、結合力試片鉻層厚度80～100 μm，氫脆試棒鉻層厚度45～55 μm。

（2）結合力：待測試件反復彎曲180°直到發(fā)生斷裂，斷裂處鍍層應無裂紋或脫落。

（3）硬度：在結合力試件上進行硬度測試，鍍層硬度值800～1200 HV。

（4）氫脆性：按照ASTM-F-519 要求進行試棒加載，在75 %荷載拉伸力下至少200 h 不發(fā)生斷裂。

2 槽液的配制及維護

2.1 溶液的配制

將鍍槽清洗干凈，使用配制溶液的水作為最后一遍的清洗水。計算鉻酐、硫酸和氟硅酸的用量，向鍍槽注入約三分之二體積的水，打開抽風，再將計量的鉻酐加入鍍槽，攪拌至鉻酐完全溶解，然后加水至規(guī)定的體積，攪拌均勻。取樣分析，按分析結果邊攪拌邊加入計量的硫酸，攪拌均勻。待溶液冷卻后向槽內(nèi)加入計量的氟硅酸。重新取樣分析，根據(jù)分析結果，通電處理以獲得要求的三價鉻濃度，并作好配制記錄。

2.2 溶液的維護

（1）按要求對溶液進行分析，并按照分析結果調(diào)整各組分到控制范圍內(nèi)。

（2）通電處理：將溶液加熱至工作溫度，通電至溶液含Cr3+（按Cr2O3計）3～8 g/L，通電工藝參數(shù)如下：溫度40～60 ℃、陰極電流密度1～2 A/dm2、陰極面積/陽極面積≥10。

（3）每次工作前，將溶液調(diào)整到工作液面并攪拌均勻。

（4）電鍍?nèi)芤褐辛蛩岣窟^高時，可用碳酸鋇或氫氧化鋇除去多余的硫酸，每多1 g 硫酸，需添加碳酸鋇2.5 g 或氫氧化鋇2 g。處理時，從鍍鉻槽中取出計量的溶液于沉淀槽中，并在攪拌條件下緩慢加入計量的碳酸鋇或氫氧化鋇溶液，經(jīng)過4～5 h 反應后，停止攪拌并使鍍鉻溶液靜置沉降，然后過濾除去硫酸鋇沉淀，再將上清液倒回鍍鉻槽，并攪拌均勻。

（5）電鍍?nèi)芤褐新入x子超標時，按下述參數(shù)通電處理，以達到控制要求：溫度60～70 ℃、陰極電流密度80～100 A/dm2。

（6）當電鍍?nèi)芤褐械牧蛩?、Cr3+超標時，允許采用稀釋方法調(diào)整：從鍍鉻槽中取出計量的溶液存放于儲備槽中，加水稀釋鍍鉻槽液并依據(jù)分析結果加入計量的鉻酐，攪拌至完全溶解，重新分析、調(diào)整，合格后即可使用［4］。

3 結果與分析

3.1 厚度

采用涂層測厚儀對硬度、結合力試件和氫脆試棒的鍍層厚度進行測量，結果見表2。測試結果表明各試件的鍍層厚度均符合要求，但存在試件邊緣及棱邊部位鍍層較其他部位偏厚的現(xiàn)象。［5］

表2 不同試件的鍍層厚度Tab.2 Coating thickness of different test pieces

3.2 外觀

電鍍硬鉻試件照片如圖1 所示，可以看出鍍層表面光滑、無毛刺、結合力良好，而且無氣泡、麻點、結瘤、空隙及尖角部位過厚和燒焦的現(xiàn)象，外觀檢測合格。在溶液中添加氟硅酸，它兼有活化鍍層表面的作用，且可在電流中斷或二次鍍鉻時仍得到光亮的鍍層。

圖1 電鍍硬鉻試件的照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the electroplated hard chromium specimen

3.3 結合力

采用彎曲法進行結合力檢驗，將試件用彎折器夾緊，反復彎曲180°，直至基體金屬折斷，目視或在五倍放大鏡條件下檢查斷口，結果如圖2 所示?？梢钥闯觯儗优c基體無脫落或剝離的現(xiàn)象，鍍層結合力檢測合格。

圖2 試片結合力檢測結果Fig.2 Test result of test piece binding force

3.4 硬度

采用顯微維氏硬度計進行鉻鍍層硬度檢測，測點 1 檢測結果為硬度 841 HV0.2，測點 2 為 859 HV0.2?；究梢酝茢?，試樣鉻鍍層硬度滿足800～1200 HV要求，鉻層硬度檢測合格。

隨著鉻酐和硫酸含量的增加，槽液濃度升高，電鍍鉻后鉻層更加致密，且在電鍍槽液中用氟離子作為催化劑（氟硅酸）后，鉻層硬度較大。

3.5 氫脆性

采用QD-100型號拉伸試驗機按ASTM F519要求對試棒氫脆性進行檢測，氫脆試棒在75%荷載拉伸力下200 h未發(fā)生斷裂，氫脆測試合格。槽液中游離的F-可與電鍍過程中產(chǎn)生的H+結合，生成弱酸性的HF，進而減少氫離子與電子結合成原子氫的機會，使?jié)B透到金屬中的氫原子減少，從而改善了鍍層的氫脆性［6］。

4 結論

（1）新配方的鍍鉻溶液穩(wěn)定，分散能力和覆蓋能力與原溶液相當，維護方便。

（2）新鍍鉻工藝制備的鍍層外觀、硬度、鉻層致密性優(yōu)于原鍍鉻溶液，氫脆性能與原鍍鉻工藝相當，產(chǎn)品性能不亞于原鍍鉻工藝。

（3）新鍍鉻工藝與原鍍鉻工藝均適用于抗拉強度σb≥1300 MPa的鋼鐵零件的電鍍鉻。