改善硬質電鍍鉻層特征網紋結構的方法及研究進展

胡 波，閆曉鋒

(航空工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

0 前 言

在眾多制造領域中,為防止零部件因摩擦磨損造成失效,常采用電鍍硬質鉻層以提高耐磨性并廣泛工程化應用于航空液壓作動,內燃機以及氣缸-活塞等產品部件[1,2]。盡管目前超音速噴涂(HVOF)、氣相沉積(PVD)以及激光熔覆(CMT)等新型替代技術不斷發(fā)展應用,但是電鍍硬鉻因技術穩(wěn)定成熟、耐磨性好以及成本低等優(yōu)點,仍在軍工行業(yè)內大量應用[3-6]。傳統(tǒng)鍍硬鉻由于鉻層晶格生長過程中體積縮小的同時會隨機形成垂直與基體的網紋微結構[7,8],對于氣缸、導軌等產品可以起到儲存潤滑油以及收集磨屑的作用并有效提升其使用壽命。然而對于作動系統(tǒng)部件來說,鉻層網紋結構是導致活塞作動筒氣缸內高壓氣體或液體滲漏的主要原因[9-12],使用滾壓或金剛石碾壓鍍鉻層表面, 可使鉻層產生一定的塑性變形, 減少表面微裂紋, 在一定程度上減少滲漏的發(fā)生[13-15]。另外隨著我國海軍武器裝備部署范圍逐漸擴大,面對海洋性酸性氣候環(huán)境,鍍鉻層會出現(xiàn)不同程度的銹蝕,原因歸結于腐蝕介質(含海水、酸性鹽霧)自鉻層表面通過網紋通道逐漸進入內部,產生銹蝕導致鍍層失效[16,17],封孔劑的選擇和使用對提高鍍鉻層耐蝕性顯得尤為重要[18]。本文從如何改善電沉積鉻層網紋結構并利用其特征在實際工程中取得的應用效果出發(fā),綜述了電鍍鉻前處理、電鍍參數優(yōu)化、后處理以及復合沉積技術在各領域的工程化應用現(xiàn)狀,并展望了電沉積鍍鉻特征網紋結構的新研究思路和方法,以期為同行提供借鑒。

1 影響鉻層網紋結構的因素

1.1 基體粗糙度的影響

基體表面狀態(tài)對硬鉻鍍層的性能影響很大,因此要獲得均勻致密鉻層,控制好電鍍工藝條件的同時,需要處理好鍍前基體表面的粗糙度。顧晶晶等[19]研究了在鍍鉻前對基體進行拋光對鍍層厚度、硬度、網紋結構以及耐蝕性的影響,結果表明,在同等試驗條件下,未采用拋光前處理的鍍層因為存在孔隙耐鹽霧性試驗時間僅為336 h,經拋光后鍍鉻層無明顯孔隙,耐鹽霧試驗可達720 h。分析原因為,經過拋光后,基體表面粗糙度較好,鍍鉻層較為致密,減緩了在環(huán)境中腐蝕。羅進生等[20]認為鍍鉻過程中存在尖邊效應,基體表面粗糙度越高會導致基體微觀不平整處的電流尖峰作用嚴重,隨電鍍時間延長,鍍層會在鋒與谷之間存在較大差距,粗糙度也會隨之增大(如圖1),因此基體鍍鉻前處理粗糙度的大小是決定鉻層能否加工成鏡面的重要前提。

圖1 不同表面粗糙度基體上鍍鉻層增厚對比示意圖[20]Fig. 1 Comparison diagram of thickening of chrome-plated layer on collective surface with different roughness[20]

1.2 電鍍液的影響

鍍鉻槽液主要由鉻酐、硫酸根和三價鉻組成,其中鉻酐、硫酸根濃度的變化影響鍍鉻電沉積過程的結晶晶核的形成,從而影響鉻層內應力的大小,進而表現(xiàn)為影響網紋的稀疏。蘇志國[21]研究發(fā)現(xiàn)鍍鉻槽液中主要成分比(ρCrO3∶ρSO42-)對鍍鉻層網紋密度與寬度有一定的影響,比值越大,網紋條數越小,寬度越窄;比值越小,網紋條紋越多,寬度越大;但是網紋條數增加會使鍍層的結合強度下降,當比值接近100/1時,網紋密度和寬度最接近標準要求。

1.3 電鍍參數的影響

在鍍鉻過程中,影響鉻層沉積的因素主要有電鍍液成分、電流密度、溫度以及添加劑等,其中電流密度對鉻層網紋結構的影響最大,其次是鍍液成分配比。

高維麗[22]通過正交試驗研究電流密度、溫度等因素對鍍鉻層外觀及網紋結構的影響發(fā)現(xiàn),當溫度及電流密度在下限時,鉻層沉積緩慢且松散,當溫度及電流密度過高時,鉻層呈現(xiàn)灰暗外觀,脆性明顯,網紋粗大且稀少,沒有實際工程利用價值,當溫度在56 ℃、電流密度40 A/dm2時,得到了硬度高,耐磨性好且網紋深度具備貯油潤滑條件的鍍鉻層,可滿足技術要求。奚兵[23]研究認為電流強度與時間的乘積,即陽極刻蝕密度對鍍鉻層網紋結構的影響僅次于鍍液主成分比值,陽極刻蝕處理可以擴大鉻層網紋并且和網紋密度成正比關系,為避免裂紋鉻層區(qū)的表面過腐蝕,刻蝕時間不宜過長。

1.4 添加劑的影響

眾多研究學者發(fā)現(xiàn)在鍍槽中加入適量添加劑可以有效改善鍍鉻電流效率低,沉積速度慢以及外觀光澤度不佳等問題。侯娟玲等[24]在電鍍鉻工藝中研究了8種添加劑對鍍液的電流密度、沉積速度以及鍍層致密度方面有著不同程度的影響,各種添加劑的影響效果如表1。

表1 不同添加劑對鍍鉻網紋結構影響效果排序Table 1 Ranking of the effects of additives on chrome mesh structure

由表1可以看出,碘化鉀對鍍液電流密度和沉積速度的提升更為顯著,三氯乙酸、甲酰胺因含有具備特性吸附能力的R-C-R’結構的有機化合物,可以在基體界面上形成偶極雙電層,使界面能顯著降低,界面張力急劇下降,致使陰極極化增加,鍍鉻層結晶致密。王力強等[25]在研究不同添加劑濃度對鍍鉻層網紋密度、長度以及寬度的影響時發(fā)現(xiàn),鉻層網紋密度隨著添加劑的加入呈現(xiàn)先增后減的趨勢(如圖2),當添加劑質量濃度達到3 g/L 時,網紋密度最高為1 020 條/cm;網紋長度及寬度與添加劑的濃度基本成正比。

圖2 不同濃度添加劑下鍍鉻層網紋微觀形貌[25]Fig. 2 Micromorphology of chrome mesh under different concentrations of additives

1.5 柔性擠壓工藝的影響

盡管當前對于影響電鍍鉻網紋結構的因素研究取得了一定成果, 但傳統(tǒng)鍍鉻仍無法消除鍍鉻層中的裂紋,一些學者將柔性擠壓技術引入電鍍工藝,能有效阻止電鍍液中的氫氣泡滲入鍍層中, 同時起到細化晶粒、改變晶粒生長狀態(tài)的作用,從而制備出無裂紋鉻層。龔會民等[26]為解決因鍍鉻網紋引起的飛機起落架緩沖器活塞桿表面滲氣問題,研究了柔性擠壓工藝對鍍鉻網紋結構的影響,通過在陰、陽極之間放置球狀硬質陶瓷粒子,通電后粒子產生與陰極表面的相對運動并不斷摩擦和撞擊其表面,促使陰極附近的水化氫離子H3O+遠離的同時提高了析氫過電位,這樣氫的析出量會大幅度降低, 從而達到減少鉻層網紋的目的,試驗原理如圖3。王淑振等[27]的研究認為相對于傳統(tǒng)鍍鉻而言,柔性擠壓電鍍鉻工藝可以有效減少氫進入鉻層引起體積收縮產生的內應力, 所得鍍鉻層微觀表面平整,呈霧狀并且無裂紋,如圖4、5。

圖3 柔性擠壓電鍍鉻工藝原理圖[26]Fig. 3 Schematic diagram of flexibe extrusion chromium plating process[26]

圖4 傳統(tǒng)鍍鉻層表面形貌及三維輪廓圖[26]Fig. 4 Surface morphology and 3D profile of traditional chrome plating[26]

圖5 柔性擠壓電鍍鉻層表面形貌及三維輪廓圖[27]Fig. 5 Surface morphology and 3D profile of flexible extruded chrome plating[27]

2 改善鉻層網紋結構的方法

為解決因鉻層網紋結構在實際應用過程產生的滲漏及誘蝕問題,在電鍍鉻后采用滾壓或金剛石擠壓的處理方法,可使鉻層產生一定的塑性變形, 減少表面微裂紋, 在一定程度上減少滲漏的發(fā)生,另外采用單層或雙層封孔技術可以再長時間鹽霧環(huán)境中起到良好的耐蝕作用。

2.1 機械加工技術

李洋等[13]在進行作動部件氣密性試驗時發(fā)現(xiàn),當氣壓超過4.9 MPa時,氣體會通過活塞桿鉻層網紋和氣孔由產品的內腔漏到外面, 引發(fā)飛行安全。通過研究滾壓壓力、轉速以及進刀量等加工參數對鍍鉻層網紋的影響,從而優(yōu)選出了加工參數,經優(yōu)化后的鉻層外觀更加光亮、致密,氣密性合格率提升到90%,保證了生產質量及交付進度。田禾等[28]研究發(fā)現(xiàn)“金剛石碾壓+超精”的工藝方法可以消除起落架活塞桿鉻層滲漏的故障,滿足氣密性要求。其原理就是通過專用碾壓工具(如圖6),可有效對進給量和碾壓力進行控制。王曉平[14]的研究表明,在碾壓過程中,鉻層會產生高密度的位錯,當位錯數量積累到一定量時會起到強化作用,使表面產生塑性變形,達到使鉻層均勻致密的目的。該工藝方法簡單、性能穩(wěn)定,因此,在航空武器裝備零部件加工和維修方面具有良好的應用和推廣價值。

圖6 金剛石碾壓鉻層原理[14]Fig. 6 Principle of roling chromium layer by diamond[14]

2.2 封閉技術

目前國內外普遍采用有機聚合物封閉的方法來提高鍍鉻層的耐蝕性,封閉劑可以改善鍍鉻層在海洋環(huán)境中的防護效果[29],根據鍍鉻層的物理特征及使用封閉涂層的意義,封閉劑的選擇應滿足低黏度以及與鍍層有較好的相容性[30,31]等要求。周燕等[32]在提高液壓系統(tǒng)部件耐磨性及耐蝕性的研究中,針對單/雙層鉻及其封孔技術在多種工況環(huán)境中進行了測試試驗如表2,結果表明:封孔處理在顯著增強作動部件活塞桿鍍鉻抗腐蝕性能和氣密性能的同時,并不會影響活塞桿的其他性能。按GJB 150.11A進行72～1 104 h鹽霧試驗,結果如表3,結果表明未經封孔的鍍鉻層耐蝕性較差,經過封孔處理后其耐蝕性明顯提高,其中雙層鍍鉻經封孔處理后的耐蝕性效果最好,經過1 104 h, 雙層鍍鉻封孔處理件仍未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。

表2 封孔處理后對產品性能影響驗證情況[32]Table 2 The effect of sealing hole treatment on product performance verification[32]

表3 不同鉻層處理隨鹽霧時間的腐蝕情況[32]Table 3 Corrosion of different chromium treatments with salt spray time[32]

王浩軍等[18]針對某型飛機主起落架活塞桿發(fā)生密封部位漏氣等問題,利用鍍鉻網紋毛細作用原理,先對鍍鉻后的活塞進行加熱,排空鉻層網紋中的氣體,再浸入室溫封孔劑中,負壓的作用促使封孔劑更易滲入到網紋中,經過封孔處理后,微觀表面的裂紋痕跡顯著減少(如圖7),結果表明:封孔技術可以在不影響鉻層硬度、氫脆性以及耐溫性的前提下,通過降低鉻層孔隙率提高鉻鍍層的耐蝕性和氣密性。

圖7 硬鉻鍍層封孔前后的表面及截面形貌[36]Fig. 7 Surface and cross section morphology of hard caoting before and after sealing hole[36]

2.3 綜合改善方法

本公司作為國內最大作動系統(tǒng)部件生產商之一,涉及機械作動系統(tǒng)、液壓作動系統(tǒng)和電傳作動系統(tǒng)部件等,其中僅液壓作動系統(tǒng)就有上百項筒體產品采用內孔鍍鉻工藝,電鍍鉻及鍍后磨削拋光過程時常出現(xiàn)網紋、裂紋現(xiàn)象如圖8,嚴重影響產品質量。

圖8 鉻層裂紋及網紋外觀形貌 20×Fig. 8 Chrome layer cracks and mesh appearance 20×

基于筒體鉻層裂紋、網紋產生機理,通過對產品加工全流程進行分析,找出產生鉻層裂紋、網紋的綜合影響因素,繪制故障樹如圖9。

圖9 筒體產品鍍鉻裂紋網紋故障樹Fig. 9 Chrome-plated crack mesh fault tree for cylinder products

通過對裂紋網紋產生故障樹中各影響因子進行分析,發(fā)現(xiàn)影響因素相互之間存在一定的促進和削減關系,需要進行綜合評定和控制。鉻層裂紋網紋需要最大限度消除基體加工殘余應力,控制鍍鉻槽液狀態(tài)(鍍鉻時進行預熱和陽極反拔以提高鉻層與基體結合力)、改進鍍前去應力及鍍后除氫溫度與時間、優(yōu)化各階段(振動強化、鍍鉻、珩磨)裝夾工裝及方式以減少裝夾應力集中,最后根據綜合影響因素制定出針對不同產品的改進措施,從而有效地抑制了鉻層裂紋、網紋發(fā)生的概率。

3 鉻層微結構設計新技術

隨著各領域研究的深入,利用表面微結構的特殊功能性來進一步增強耐磨及潤滑的改善效果,已成為表面微結構的加工的研究及應用熱點,但網紋結構與實際工況具有相應的匹配性,并且只有特定收斂的網紋結構形狀和幾何參數才能改善摩擦及潤滑效果。Yu等[33]通過設計不同的表面網紋形狀及深度的凹坑,驗證對摩擦副往復運動的影響效果。結果表明:合適的凹坑面積比和凹坑深度相比于無網紋結構試樣,可以獲得較好的潤滑減摩效果。San Jib等[34]采用微細電火花技術,在硬質合金刀具側面分別加工出圓點和槽型網紋2種微結構,在相同工況條件下,與無微結構硬質合金刀具相比,2種網紋結構刀具加工時的側翼磨損都較小,并且在降低齒面磨損和表面粗糙度方面,圓點狀網紋結構刀具優(yōu)于槽形網紋結構刀具。董保棟[35]利用激光加工微織構技術在45鋼表面制備出不同交叉角度、寬度、深度和間距的交叉溝槽,并分析了結構參數對流體動壓潤滑效果的影響。結果表明:不同結構參數對潤滑油膜厚度和平均油膜壓力的影響程度不同,溝槽寬度,深度及交叉角度對微結構表面的流體動壓潤滑性能影響顯著,油膜壓力隨溝槽寬度和交叉角度的增加而增加。湯勇等[36]分析了表面微結構形狀與方向、表面織構分布、速度、載荷及粗糙度參數等因素對流體動壓潤滑性能的影響,并在表面織構技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上詳細論述了表面微結構的形態(tài)特征及作用機制。

4 結語與展望

在當前眾多制造領域中,電鍍鉻層為提高產品耐磨性延長工作壽命做出了重要貢獻,但因其特殊的網紋結構帶來的氣密性低以及耐蝕性差等不利影響,限制了鍍鉻層的使用范圍。目前采用以消除網紋的碾壓、噴丸和磨光等方法處理,在氣密試驗時,可能檢測不出滲油(氣)現(xiàn)象,但是經過使用,在復雜環(huán)境和載荷交替作用下,滲油(氣)問題依然未得到有效解決;通過調整電鍍參數以及使用添加劑改變電鍍鉻層網紋密度、寬度可以獲得具備儲油功能結構,但鉻層網紋溝槽密集,裂紋與裂紋交叉阻點多,其間的潤滑油在鉻層溝槽間無法相互流通,不能形成足夠的油膜壓力,達不到良好的潤滑效果;有學者將表面微結構技術引入到改善摩擦及潤滑性能的機械加工領域中,但目前對表面網紋結構減摩、潤滑、耐磨機理的認識還不夠全面,無法對特定工況的網紋結構做出有效的優(yōu)化設計,加之紋理加工設計成本高、效率低、無法再利用等情況,現(xiàn)階段在工程應用中還沒有大規(guī)模的生產。如何利用鍍鉻層表面本身網紋結構特點,通過疏通網紋溝槽形成密封的壓力油膜狀態(tài),以改善零部件摩擦及潤滑效果并在更廣泛的制造領域應用將成為新的研究方向。