電鍍鉻對300M鋼疲勞性能影響研究

邵緒分，胡成江，駱豫蜀，李紀濤，任世剛，胡家杰，杜 楠

(1.成都飛機工業公司制造工程部，成都 610092;2.空軍駐成飛公司軍事代表室，成都 610092;3.南昌航空大學國防科技研究院，南昌 330063）

0 引言

電鍍鉻是零件表面強化的常見技術方法，在電鍍工業中占有極其重要的地位［1］。通常采用電鍍鉻提高零件表面的耐磨性，但電鍍過程中由于晶格錯配和畸變，鍍層內會產生較大的殘余應力，使鍍層產生微裂紋，如果磨削不當或使用過程中鍍層受到應力作用就有可能導致微裂紋擴大［2-4］。同時，由于傳統鍍鉻工藝分散能力、覆蓋能力較差，鍍層外觀質量容易出現問題，生產中常有多次重復電鍍的問題，存在一定的質量隱患。

本實驗主要測試分析多次電鍍鉻的300M鋼的疲勞性能，氫脆傾向及疲勞斷口形貌，研究鍍鉻次數、鍍鉻層厚度對300M鋼疲勞性能的影響規律，以期指導生產實踐。

1 試驗

1.1 電鍍試驗

對給定熱處理狀態［5］的300M鋼疲勞試樣分組，并分別進行1次、2次、6次、10次、15次電鍍鉻，每次電鍍及退鍍層后均按HB/Z 318—1998進行除氫處理。

1.2 疲勞試驗

采用SincoTec公司生產的POWER FLOW250 kN疲勞試驗機，按HB 5287對各組試樣進行不同應力水平下的疲勞壽命測試，載荷頻率為60 Hz，應力比為0.1，疲勞試樣如圖1所示。

圖1 疲勞性能測試試樣示意圖Fig.1 Diagram of the sample of fatigue performance

2 結果分析與討論

2.1 疲勞性能

相同鍍層厚度(60～80 μm)、不同電鍍次數的300M鋼的S－N曲線分別如圖2、圖3所示。在相同應力狀態下，鍍層厚度對疲勞壽命的影響結果如圖4所示。

由圖2～圖4可見，帶鍍層的300M鋼的疲勞強度從1000 MPa降至400 MPa，近疲勞強度的疲勞壽命大幅降低。在低于400 MPa循環載荷作用下(如350、380 MPa)，循環次數超過107后均未出現斷裂，但載荷一旦達到400 MPa，或略高于400 MPa試樣就會迅速斷裂。隨著電鍍次數的增加，疲勞強度及疲勞壽命無明顯變化。另外，在相同條件下，鍍層越厚，試樣的疲勞壽命越低。

2.2 斷口分析

相同鍍層厚度(60～80 μm)、不同電鍍次數試樣的斷口形貌如圖5所示，斷口附近的鍍層外表面形貌如圖6所示。由圖可見，未經電鍍試樣的斷口呈單源疲勞斷裂特征，斷口微觀均呈韌性斷裂特征，局部伴有少量脆性疲勞條帶(圖5b)。而帶鍍層試樣的斷口呈多源疲勞特征(圖5a)，并可見明顯的放射狀棱線起源于鍍層(或鍍層與基體的界面處)，裂紋起源后穿過鍍層與基體的界面擴展到300M鋼基體上。基體斷口形貌與未經電鍍試樣的形貌特征一致，鍍層則呈現明顯的脆性特征，鍍層上可見大量的微裂紋，且裂紋走向與斷口吻合(圖6)。

2.3 氫脆試驗

對不同電鍍次數的300M鋼，按照 ASTM F519加載75%σb進行氫脆持久試驗(200 h)，結果在要求的時間內所有試樣均未發生斷裂。對不同電鍍次數后(每次電鍍及退鍍后均除氫)的試樣進行氫含量測試，結果見表1。試驗結果顯示氫含量未發生明顯變化。

圖6 基體的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of the substrate

表1 不同電鍍次數后的300M鋼試樣的氫含量Table 1 Hydrogen content of 300M steel after different plating times

2.4 分析與討論

根據試驗結果，帶鍍層300M鋼的疲勞裂紋均由鍍層起源，而鍍鉻層本身脆性大，存在網狀裂紋(或受力產生裂紋并擴展)，因而容易在此處形成疲勞裂紋源(多源)(圖5、圖6)。由于鍍層與300M鋼基體的結合力較強，鍍鉻層裂紋相當于基體上預先存在的裂紋，起到了應力集中的作用，在較低的外載荷作用下裂紋即可進一步發生疲勞擴展;因此，帶鍍層試樣的疲勞強度大幅降低(圖2～圖4)。鍍層越厚，鍍層裂紋的應力集中作用也就越明顯，因此隨著鍍層厚度的增加試樣的疲勞壽命顯著降低。鍍鉻層微裂紋的產生與鍍鉻層具有高的內應力有關，通常鍍層越厚內應力越大，裂紋數量越多［6-7］。正是鍍鉻層的這一特點，導致了表面鍍鉻后的300M鋼的疲勞性能大大降低。雖然多次電鍍、退鍍增加了滲氫的風險，但在未遭受交變應力作用前就對其進行除氫處理，可有效地避免氫脆導致的疲勞裂紋的產生;因此，反復電鍍鉻并沒有對300M鋼造成進一步的損傷。

同時，斷口分析、氫脆試驗也表明隨著電鍍次數的增加，300M鋼沒有出現氫脆傾向，氫含量也沒有增加(表1)，再次證明現行的除氫工藝有效地去除了多次電鍍、退鍍滲入300M鋼基體的氫。

3 結論

1)電鍍鉻表面強化對300M鋼疲勞性能影響較大，帶鍍層的300M鋼的疲勞強度較不電鍍的300M鋼的疲勞強度下降幅度約為60%。

2)經鍍鉻的300M鋼的近疲勞強度疲勞壽命降幅大于90%，且鍍層厚度越厚，相同條件下疲勞壽命越低;疲勞壽命主要與鍍層本身特性有關，與電鍍次數無明顯關系。

3)執行正常的除氫工藝，隨著電鍍次數的增加，300M鋼未出現氫脆傾向。

［1］關山，張琦，胡如南.電鍍鉻最新發展［J］.材料保護，2000，33(3):1－3.

［2］張國祥，李懷學，張坤，等.初始鍍鉻層微裂紋形貌的基本電化學腐蝕法研究［J］.中國表面工程，2006，19(4):8－11.

［3］張偉，任章鳳.鉻膜制備及其膜內殘余應力研究［J］.熱加工工藝，2010，39(08):130 －133.

［4］劉佑厚，蘇育龍，王宇.鍍鉻層氣密性研究［J］.材料保護，2002，35(1):19 －20.

［5］劉天琦，李志.兩種熱處理加熱介質對300M鋼疲勞性能的影響［J］.失效分析與預防，2006(3):18－21.

［6］宋進兵，鄧春明，周克崧，等.表面強化300M低合金鋼疲勞性能評價及斷裂分析［J］.新技術·新工藝，2006(2):89－91.

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