1、無裂紋硬鉻電鍍的試驗研究現代電鍍網整理報道：(南京航空航天大學,江蘇南京210016 ) 摘要:針對傳統硬鉻鍍層會出現裂紋的問題,采用了一種新的電鍍硬鉻方法摩擦輔助脈沖電鍍無裂紋硬鉻工藝。即在電鍍鉻的 過程中,在陰陽極之間添加不導電的游離粒子,隨著陰極的轉動,游離粒子與陰極表面相對運動,產生擾動作用,不斷摩擦、撞擊陰極表面進行電鍍鉻試驗。對鍍鉻 層的表面形貌、微觀組織結構和耐腐蝕性進行了測試,試驗表明,采用摩擦輔助脈沖電鍍技術可得到無裂紋鍍鉻層,提高鍍層的耐腐性,并使鍍鉻層組織結構發生變 化。 中圖分類號:TQ153.1 文獻標識碼:A 文章編號:1009-279X(2011)02-0033-

2、04 硬鉻鍍層具有很高硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性,在除鹽酸外的其他酸、堿、硫化物、碳酸鹽及大多數氣體與有機酸中有很高的化學穩定性。基 于上述眾多的優良性能,電鍍硬鉻工藝在工業中廣泛應用于機械零件、模具、汽車以及航空航天等行業1。然而,由于在電鍍過程中會產生大量的氫化鉻使內應 力過大,導致鍍鉻層出現裂紋。這些裂紋雖然從表面到基體的發展是不連續的,但裂紋在與斷面垂直的方向上呈網狀,所以從立體空間的角度看,裂紋是由表面延伸 到基體的。裂紋的存在對飛機起落架緩沖器中的活塞桿、高壓油壓機活塞桿以及火炮身管內膛等1-3對氣密性和耐腐蝕性要求較高的零件是絕對不允許的。因 此,對無裂紋鍍硬鉻的研究已日趨重

3、要。 ,高脈沖的電流密度為200 A/dm2,低脈沖的電流密度為100、60、30 A/dm2,高脈沖脈寬為30 ms,低脈沖脈寬為0.660 ms)電鍍出無裂紋鉻5。愛爾蘭的M.Heydarzadeh Sohi使用標準鍍液,也通過高溫高電流密度(85和80 A/dm2)的工藝方法,得到無裂紋鍍鉻層,但這種鍍鉻層表面粗糙,呈乳白色,顯微硬度低(顯微硬度在510 HV左右),耐磨性能較差6。盡管對無裂紋電鍍鉻的研究取得了進展,但仍存在不少缺點。如:無裂紋鉻層的顯微硬度偏低,鍍層耐磨性差,鍍液溫度高。本 課題組曾采用摩擦輔助電鑄技術,能有效改善電鑄層的表面質量7。為了解決上述問題,本文也采用了這種

4、摩擦輔助技術。 1試驗原理 1.1電鍍鉻的陰極反應 電鍍鉻的過程包括六價鉻還原為三價鉻、氫氣的析出及金屬鉻的沉積等三方面的電解還原過程,化學反應式如下:  其反應過程能否進行,主要取決于電極電位的數值。電鍍時,隨著陰極極化值向負方向的移動,首先,六價鉻離子(Cr6+)還原為三價鉻離子 (Cr3+),當達到析氫電位時,開始有氫氣析出,陰極表面液層附近的堿性值增加到一定程度時,形成堿式鉻酸鉻膠體膜 Cr(OH)3Cr(OH)CrO4覆蓋于陰極表面,阻礙鉻酸根離子在陰極表面放電還原析出金屬鉻;當陰極極化繼續增大時,鉻酸根離子開始還原為金屬 鉻形成鍍鉻層,并伴有大量的氫氣。 1.2摩擦輔助脈

5、沖電鍍鉻的作用機理 圖1為摩擦輔助脈沖電鍍鉻原理示意圖。在陰、陽極之間放置不導電游離粒子。在電鍍過程中隨著陰極的轉動,游離粒子與陰極表面相對運動,使其 不斷摩擦和撞擊陰極表面。陰極附近的水化氫離子H3O+被游離粒子驅趕難以接近陰極,因此,難以與陰極表面的電子還原成中性原子吸附于陰極表面,所以氫離 子放電更加遲緩,提高了析氫過電位。析氫過電位的提高可使氫的析出量降低,進入鍍鉻層和基體的氫原子明顯少于傳統鍍鉻工藝,減少了鍍鉻層的內應力,從而避 免裂紋的產生。其次,采用脈沖電鍍時,在脈沖間隔時間內,鍍層晶粒在陰極上沉積后重結晶,晶粒間的相互作用力發生變化,導致部分殘余應力釋放,使鍍層內應 力降低,減

6、少了裂紋的產生。此外,根據表面擴散機理和螺旋位錯生長機理8,在電鍍過程中,陰極不斷地受到游離粒子的摩擦,使陰極表面離子放電的活化點 增多,易得到晶粒致密的鍍層9。 2試驗過程 2.1試驗材料與設備 陰極采用直徑為25 mm的30CrMnSiA棒料,長度為30 mm。陽極采用純鉛板。游離粒子采用陶瓷小球,直徑為1 mm。電鍍液采用標準電鍍鉻溶液:鉻酐250 g/L,硫酸2. 5 g/L。電源采用SPMD3020單脈沖電源。檢測儀器分別采用JSM-6300型掃描電鏡和D/max 2500VL/PC的陽極轉靶X射線衍射儀,掃描范圍20100°。 2.2試驗方法 摩擦輔助脈沖電鍍技術是在傳統

7、電鍍工藝的 基礎上,采用旋轉陰極和摩擦輔助的方法進行電鍍試驗。具體實施方法如圖2。調速電機帶動陰極芯模在鏤空的內筒中旋轉,內筒的外壁用滌綸布密封;內筒和芯模 之間填充的游離粒子完全覆蓋芯模表面;陽極圍繞內筒放置,并與內筒一起置于電鍍槽內。鍍層厚度控制在2030m之間。工件經清洗、干燥后,對其表面形 貌、微觀組織結構和耐腐蝕性進行測試。 耐蝕性的測試方法:按照ASTM B117標準進行鹽霧試驗,以確定電沉積層的耐腐蝕能力。鹽溶液應通過把5質量份氯化鈉溶解到95份水中來制備。經壓縮空氣霧化的鹽溶液不得含油或臟物, 且壓力應維持在69172 kPa/m2。鹽霧室暴露區的溫度應維持在35。試驗在有效空

8、間內,任意一個位置上的潔凈收集器,連續收集噴霧時間最少為16h,平均每小時在80 cm2的水平收集面積(直徑為10 cm)內,鹽霧沉降量為12 mL。試樣與試驗箱垂直平面成1530°放置。將試驗箱的溫度調整到35,使試樣的溫度穩定時間至少2 h后才可噴霧。連續噴霧期間,每24 h檢測鹽霧沉降率和pH值一次。試樣承受連續噴霧的試驗時間為336 h,如果不出現腐蝕斑點,則認為此電沉積層的耐腐蝕性滿足要求。 3結果分析 3.1鍍鉻層的微觀表面形貌 圖3和圖4分別為傳統電鍍(電鍍溫度為55,電流密度為30 A/dm2)和摩擦輔助脈沖電鍍(電鍍溫度為55,平均電流密度為30 A/dm2,占空比

9、為33%,頻率為5 kHz,轉速為260 r/min)的鍍鉻層的掃描電鏡圖。從圖中可看出,傳統鍍鉻工藝獲得的鍍鉻層晶粒粗大,并有顯著的裂紋;而摩擦輔助電鍍工藝所得鍍鉻層表面非常平整,無裂 紋。 從以上現象可看出,摩擦輔助脈沖電鍍可獲得無裂紋鍍鉻層。其原因可能是采用摩擦輔助脈沖電鍍提高了析氫過電位,使析氫量減少,避免了氫原子滲入鍍鉻層造成晶格畸變,減小內應力,消除了裂紋。 3.2鍍鉻層的微觀組織結構 圖5和圖6分別為采用傳統電鍍(電鍍溫度為55,電流密度為30 A/dm2)和摩擦輔助脈沖電鍍(電鍍溫度為55,平均電流密度為30 A/dm2,占空比為33%,頻率為5 kHz,轉速為260 r/mi

10、n)得到的鍍鉻層的XRD圖譜。通過將圖譜與PDF卡的對照發現,在2=44.6°、2=64.7°、2=81.8°位置上出現了明顯的衍 射峰,各衍射峰所對應的晶面依次為(110)、(200)及(211),其結構為體心立方結構。與傳統電鍍所得鍍鉻層相比,摩擦輔助脈沖電鍍技術得到的鍍 鉻層各晶面衍射強度均有明顯的變化。其中,(110)面的衍射強度顯著升高,(200)面衍射強度明顯降低。晶面擇優取向的程度用晶面(hkl)織構系數 TC(hkl)來表征。 由表1可看出,摩擦輔助脈沖電鍍時,所得鍍鉻層(110)面和(211)面的擇優程度增大,(200)面的擇優程度減小。 上述結

11、果表明,摩擦輔助脈沖電鍍可在一定程度上影響晶體的生長方式,使鍍層組織結構發生變化。 3.3鍍鉻層的耐腐蝕性 按照ASTM B117標準對鍍鉻試樣進行中性鹽霧試驗,強化腐蝕鍍鉻層,以確定鍍鉻層的耐腐蝕能力。圖7圖9分別為傳統電鍍(電鍍溫度為55,電流密度為30 A/dm2)和摩擦輔助脈沖電鍍(電鍍溫度為55,平均電流密度為30 A/dm2,占空比為33 %,頻率為5 kHz,轉速為120 r/min)和(電鍍溫度為55,平均電流密度為30 A/dm2,占空比為33%,頻率為5 kHz,轉速為260 r/min)的鍍鉻層經336 h鹽霧試驗后的照片。從圖中可發現,用傳統電鍍技術得到的試件,鍍層表面

12、出現大面積的腐蝕。而采用摩擦輔助脈沖電鍍技術得到的鍍鉻層在轉速較低時(120 r/min),端部出現較大面積腐蝕,中間局部位置也有腐蝕。當轉速提高到260 r/min時,試樣表面沒有一個腐蝕點。 從以上現象可看出,摩擦輔助脈沖電鍍極大地提高了鍍鉻層的耐腐蝕性,且隨著轉速的提高,鍍層的耐腐蝕性也隨之改善。其原因可能是采用摩擦輔助脈沖電鍍能消除鍍層表面裂紋,從而提高了鍍層的耐腐蝕性。 4結論 (1)摩擦輔助脈沖電鍍可提高析氫過電位,減少氫原子的滲入,降低鍍鉻層內應力,減少裂紋;在合適的工藝條件下,可完全消除裂紋。 (2)摩擦輔助脈沖鍍鉻層與傳統鍍鉻層相比,鍍層的各晶面衍射強度均有明顯的變化;其中,

13、(211)面的擇優程度增大,成為主要擇優取向面。 (3)摩擦輔助脈沖電鍍可提高鍍鉻層的耐腐蝕性,且隨著轉速的提高,鍍層的耐腐蝕性隨之改善。 參考文獻: 1胡如南,陳松祺.實用鍍鉻技術M.北京:國防工業出版社,2005. 2程明學,趙德芳.飛機起落架減震支柱漏油故障分析及修復工藝J.液壓氣動與密封,2000(1):111-115. 3李懷學,陳光南,張坤.身管內膛復合鍍鉻層的組織退化特征J.材料熱處理學報,2007,28(4):46-48. 4Perrin G Q. evaluation of CF-500 crack-free chromium electro-plating process

14、R. AD272106,1961,12. 5Miller M D,Langston S. The electrodeposition of low contraction chromium using high/low current pulsing R. AD-A264 475,1993,3. 6Sohi M H,Kashi A A,Hadavi S M M. Comparative tribological study of hard and crack-freeelectrodeposited chromium coatings J. Journal of Materials Processing Technology,2003,138:219-222. 7朱增偉,朱荻.硬質粒子摩擦法電鑄新技術的