細長窄深槽類帶鉤零件環(huán)保鉻鍍層的制備與表征

洪子康，駱祎嵐，羅 晗，朱巧蓮，朱世根*

（1.東華大學(xué) 機械工程學(xué)院 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620； 2.義烏云溪新材料科技有限公司，浙江 義烏 322000）

電鍍鉻層具有較高的硬度、優(yōu)良的耐磨性，不僅可以提高零件的使用性能，延長零件的使用壽命，而且在大氣中很穩(wěn)定，能長時間保持光澤，因此也具備優(yōu)良的裝飾作用［1］。經(jīng)編機槽針是經(jīng)編機上一個關(guān)鍵的零件，在編織過程中與針芯相互配合運動，共同完成經(jīng)編機的成圈過程。但針芯與針槽長時間地做高速、往復(fù)相對直線運動會導(dǎo)致針槽邊緣處磨損變薄，甚至形成刃口切斷紗線，從而影響針織品的質(zhì)量與產(chǎn)量［2-4］。因此，需要通過在槽針表面鍍上一層鉻來提高槽針表面的硬度并達到良好的裝飾效果。

槽針是一個典型的細長窄深槽類帶鉤零件。目前已有的槽針表面電鍍硬鉻的工藝，由于其使用的六價鉻硬鉻鍍液的分散能力和覆蓋能力較差，針槽內(nèi)壁表面獲得完整的電鍍覆蓋層的同時要求細鉤不燒焦，難度很大。并且，傳統(tǒng)的六價鉻硬鉻鍍液毒性極大，對人體有害；電鍍生產(chǎn)過程中因析氫而產(chǎn)生鉻霧，并產(chǎn)生大量污水，對環(huán)境污染極大［5］。而三價鉻鍍液的分散能力和覆蓋能力均優(yōu)于六價鉻鍍液，有可能更適合細長窄深槽類零件的施鍍；另外，三價鉻鍍液毒性低，僅為六價鉻的1/100，電鍍過程中不產(chǎn)生鉻霧，廢水也容易處理。因此，很有必要使用環(huán)保的三價鉻電鍍技術(shù)對細長窄深槽類零件的關(guān)鍵部位進行鍍鉻的實驗研究。本文從鍍液性能和環(huán)保角度出發(fā)，開展三價鉻鍍鉻的研究，并結(jié)合熱處理工藝，旨在在細長窄深槽類帶鉤零件的槽內(nèi)壁表面獲得完整的電鍍覆蓋層且細鉤不燒焦。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

實驗樣品為細長窄深槽類帶鉤零件。典型樣例為經(jīng)編機槽針零件，基體為SK5鋼，表面硬度約為600~650 HV，零件長度約51 mm、寬約3 mm、厚約0.5 mm，一端帶有針鉤，針身部帶有細長窄深凹槽，槽長約為19 mm，槽寬約0.3 mm，槽針整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 槽針整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of groove needle

由于編織過程中摩擦磨損主要發(fā)生在針鉤和針槽處，故只需要求對槽針實施局部電鍍，如圖2所示。

圖2 槽針電鍍部位示意圖Fig.2 Schematic diagram of plating position of groove needle

1.2 工藝流程

具體步驟：機械擦磨→有機溶劑除油→超聲波除銹→酸洗活化→化學(xué)鍍鎳→掛鍍?nèi)齼r鉻→干燥→熱處理→拋光擦亮。每道工序之間都要使用去離子水沖洗。

1.3 性能測試

采用目測法觀察鍍層是否平整光滑，針槽和針鉤處是否均勻地被鍍上一層鉻，且無燒焦結(jié)瘤、起皮、起泡、開裂等缺陷出現(xiàn)，并使用Keyence VHX-1000E超景深三維顯微鏡進一步觀察槽針外表面、針槽內(nèi)壁以及針鉤處鍍層的表面形貌。采用日立S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍層微觀形貌。采用日立S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀測定鍍層化學(xué)成分。采用日立理學(xué)D/max-2550VB/PC型X射線衍射儀（XRD）檢測鍍層相結(jié)構(gòu)，CuKα靶，工作電壓50 kV，工作電流200 mA，掃描速率8 °/min，掃描范圍10~80 °。

采用劃格法檢測鍍層與基體的結(jié)合力。具體操作為用刃口磨成30 °銳角的硬質(zhì)劃刀在槽針表面鍍層劃邊長為1 mm的正方形格子。劃線時，壓力應(yīng)該足夠大到劃刀能夠一次性穿透鍍層到達基體金屬。觀察格子內(nèi)的鍍層是否脫離基體金屬，若鍍層沒有從基體金屬上剝落，則說明鍍層與基體金屬結(jié)合良好。

采用上海泰民光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HXD-1000TM/LCD數(shù)字式維氏硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷100 g，加載時間15 s。沿著槽針鍍層邊緣到中心部位，每隔一定的距離打一點，共打5個點，取其算術(shù)平均值作為鍍層顯微硬度的測量結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層形貌

2.1.1 鍍層的宏觀形貌

用美工刀將槽針一側(cè)掰開，用于觀察針槽內(nèi)壁鍍層。圖3（a）和3（b）分別表示的是槽針外表面和槽針針槽內(nèi)壁鍍層的情況，可以看出，所得鍍層外觀光亮光滑、均勻，沒有出現(xiàn)起皮、起泡等缺陷。圖3（c）是槽針針鉤部位在超景深顯微鏡下的放大圖，可以看出，針鉤部位被均勻地鍍上一層鉻，無燒焦結(jié)瘤的現(xiàn)象出現(xiàn)。從圖3（d）也可以看出，槽針針槽底部鍍層良好。無論是目測還是在超景深顯微鏡下放大觀察，都表明本實驗達到了在槽針關(guān)鍵部位鍍鉻的基本要求和一定的外觀要求。

圖3 槽針外表面、針槽內(nèi)側(cè)壁、針鉤及針槽槽底鍍層的外觀照片F(xiàn)ig.3 Exterior photos of the outer surface， inner side wall， hook and the bottom coating of the groove needle

2.1.2 鍍層的微觀形貌

圖4為槽針電鍍鍍層鹽浴熱處理后的SEM照片。從圖4中可以看出，熱處理后鍍層帶有一些微裂紋。這是因為在電鍍過程中，會不可避免地發(fā)生析氫副反應(yīng)。由于析氫反應(yīng)的存在，在鍍層金屬沉積的過程中，鍍層必定夾雜了大量的氫原子。這些氫原子在加熱及后續(xù)熱處理時會不斷地從鍍層中析出，造成鍍層體積收縮，從而在鍍層內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力。為了釋放這種應(yīng)力，鍍層就會斷裂從而產(chǎn)生裂紋［6］。

圖4 鍍層熱處理后鍍鉻層的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of chromium coatings after heat treatment

2.2 鍍層的元素成分

采用掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀在槽針鍍層上隨機取幾塊區(qū)域進行掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾塊區(qū)域的分析結(jié)果并無太大差異，如圖5所示，對應(yīng)的半定量成分分析結(jié)果如表1所示。從表1中可以得知，鍍層的主要元素為Cr元素，含量達到95.95 %，但鍍層中還含有少量的C元素，質(zhì)量分數(shù)為2.89 %，同時還含有一些微量的雜質(zhì)元素，約占1.16 %。

表1 樣品鍍層的EDS半定量成分分析結(jié)果Tab.1 Result of semi-quantitative EDS analysis for the elements in a coating sample

圖5 樣品鍍層的EDS能譜圖Fig.5 EDS spectrum of sample coating

2.3 鍍層的相結(jié)構(gòu)

圖6所示為所得鍍鉻層的XRD譜圖，從圖6中可以看出，在2θ為44.44 °、64.78 °和81.94 °處出現(xiàn)明顯的衍射峰，結(jié)合金屬鉻的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片發(fā)現(xiàn)衍射峰完全一致。由此說明所得鍍層為鉻鍍層。

圖6 鍍層的XRD譜圖Fig.6 XRD pattern of coating

2.4 鍍層的結(jié)合力

經(jīng)過劃格實驗后，方格內(nèi)的鍍層均無起皮和脫落現(xiàn)象，說明鍍層與基體結(jié)合良好。

2.5 鍍層的顯微硬度

鍍鉻層的耐磨性與其顯微硬度有一定的關(guān)系。通常硬度越高，耐磨性越好。表2中分別給出了槽針鍍層熱處理前和熱處理后的顯微硬度值。從表2中可以得知，槽針基體的硬度為625 HV，但槽針鍍層未經(jīng)熱處理時，其顯微硬度約為539 HV，低于槽針基體硬度，而經(jīng)過一段時間的熱處理后，顯微硬度顯著增加到約730 HV。這可能是因為在熱處理的過程中，鍍層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由此產(chǎn)生的效果提高了鍍層的硬度。另外，由于鍍層中含有少量的C元素，在加熱中可能會出現(xiàn)與Cr元素反應(yīng)生成的新硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相均勻彌散在晶粒間，阻止了晶粒的相對移動，從而使鍍層整體硬度增強［7］。

表2 熱處理前、后鍍鉻層的顯微硬度值Tab.2 Micro-hardness of chromium coatings before and after heat treatment

3 結(jié) 論

（1）三價鉻電鍍鉻工藝，可以在細長窄深槽類帶鉤零件的槽內(nèi)壁表面獲得完整的電鍍覆蓋層，且細鉤不燒焦，鍍層光亮平滑。三價鉻電鍍比傳統(tǒng)的六價鉻電鍍的工藝性更好。

（2）采用劃格法對鍍層與基體的結(jié)合力進行的檢測表明，三價鉻鍍層與基體結(jié)合良好。

（3）三價鉻電鍍鍍層的平均硬度僅為539 HV，但鍍層經(jīng)熱處理后，平均顯微硬度可達730 HV，略高于傳統(tǒng)六價鉻工藝制備的鍍層的硬度。

（4）三價鉻電鍍工藝對環(huán)境污染少。鉻鍍液毒性低，電鍍過程不產(chǎn)生鉻霧，廢水容易處理。相對于傳統(tǒng)的六價鉻電鍍工藝，三價鉻電鍍工藝更符合環(huán)境保護的要求，具有重要的現(xiàn)實意義。