27SiMn 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 工藝優(yōu)化

潘銳 水東莉

1 遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院(沈陽 110161)2 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(營口 115009)

目前，煤礦井下回采工作面頂板和煤壁的液壓支架的鋼材主要是27SiMn 鋼，其工作環(huán)境惡劣，使用設(shè)備長(zhǎng)期處于潮濕，易腐蝕環(huán)境中，一旦失效并誘發(fā)頂板事故，將影響煤礦安全生產(chǎn)[1]。因此，液壓支架的表面防護(hù)設(shè)計(jì)是必要的。傳統(tǒng)的電鍍硬鉻方法加工成本高，易產(chǎn)生裂紋、針孔和污染環(huán)境，化學(xué)鍍工藝由于很好的彌補(bǔ)了電鍍硬鉻的缺點(diǎn)而成為表面防護(hù)新技術(shù)的發(fā)展方向。尤其是在鍍液中加入稀土元素，能夠有效改善鍍層性能[2-3]。本文以27SiMn 為基體，在化學(xué)鍍Ni-P 配方基礎(chǔ)上添加稀土氧化鈰，對(duì)27SiMn化學(xué)鍍Ni-Ce-P 工藝系統(tǒng)的分析和研究，并確定最佳工藝配方。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及工藝流程

實(shí)驗(yàn)采用 27SiMn 鋼，經(jīng)淬火+回火處理，HRC35～37。從沈陽煤機(jī)廠提供的液壓支柱上直接截取，試樣尺寸：20 mm×15 mm×5 mm。

化學(xué)鍍Ni-Ce-P 基本工藝流程如下：

試樣切割(在距試樣邊緣3 mm 的位置打孔)→砂紙打磨(光滑，無劃痕、凹坑)→丙酮清洗并水洗→堿洗除油并水洗→酸洗并水洗→施鍍→水洗→干燥成品。

表1 正交試驗(yàn)因素水平L16(44)

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以Ni-P 二元化學(xué)鍍配方(次磷酸鈉30g/L；檸檬酸8g/L；丁二酸16g/L；醋酸鈉20g/L；硫酸鎳28g/L；穩(wěn)定劑2mg/L；施鍍溫度85℃；PH 在5；時(shí)間2h)為基礎(chǔ)，調(diào)整丁二酸、檸檬酸、醋酸鈉含量，并加入硝酸鈰，進(jìn)行4 因素4 水平正交試驗(yàn)，并以鍍速為評(píng)定指標(biāo)制備Ni-Ce-P 鍍層。具體方案如表1 所示。

1.3 鍍速測(cè)定

測(cè)量鍍層的沉積速度(增重法)：

式中，W1 為施鍍后試樣質(zhì)量，W2 為施鍍前試樣的質(zhì)量，S 為試樣表面積，h 為施鍍時(shí)間。

1.4 鍍層形貌分析

采用SSX550 型掃描電鏡觀察27SiMn 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 鍍層表面形貌及截面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2 所示。4 號(hào)試樣(實(shí)驗(yàn)條件為：A1B4C4D4)和8 號(hào)試樣(實(shí)驗(yàn)條件為：A2B4C3D2)的鍍速較快。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比極差可以得到各因素的影響順序?yàn)锽 ＜ D ＜ C ＜A?？芍獙?duì)沉積速率最大影響因素是丁二酸含量，在化學(xué)鍍過程中必須嚴(yán)格控制其濃度。

由于在16 組實(shí)驗(yàn)中沒有包含A1B3C3D2 這個(gè)最優(yōu)組合，因此，進(jìn)行了追加實(shí)驗(yàn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該組合中由于丁二酸含量過高，鍍速過快，因而使鍍層中的氣泡來不急逸出，使鍍層形成孔隙和結(jié)瘤，影響了鍍層質(zhì)量。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)：分別將丁二酸含量調(diào)整為12g/L、14g/L 和16g/L、18g/L。并發(fā)現(xiàn)，將丁二酸調(diào)整為16g/L 后，獲得外觀良好的鍍層。且其沉積速度為16.48 mg·cm-2·h-1，優(yōu)于4號(hào)和8 號(hào)試樣。因此，最終確定化學(xué)鍍Ni-Ce-P 的配方如下：

表3 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 鍍液配方及工藝參數(shù)

2.2 化學(xué)鍍鍍層形貌分析

在化學(xué)鍍層形成的過程中，最先沉積在工件表面上的鎳原子和磷原子并不是連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，而是呈一個(gè)個(gè)島狀的分散粒子，隨著化學(xué)鍍的進(jìn)一步進(jìn)行，這些分散粒子逐漸擴(kuò)大并不斷向厚度方向延伸，最終使鍍層的表面形貌呈現(xiàn)出典型的胞狀。

圖1 鍍層表面形貌

圖2 鍍層截面形貌

圖1 即27SiMn 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 鍍層在掃描電鏡下觀察到的表面形貌?？梢婂儗映实湫偷陌麪钚蚊玻儗颖砻嫫秸齻€(gè)別胞狀物顆粒較大，大部分胞狀顆粒細(xì)小致密。這與鍍液中Ce 元素的存在有一定的關(guān)系，由于鍍液中形成的Ce4+為表面活性元素，易于吸附在基體上，率先成為形核質(zhì)點(diǎn)，使鍍件表面的形核質(zhì)點(diǎn)增多，促使晶體的細(xì)化[4-5]，圖2 即27SiMn 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 鍍層在掃描電鏡下觀察到的截面形貌?？梢婂儗雍穸染鶆颍s為30.3 μm，與基體金屬結(jié)合緊密。

3 結(jié)論

(1)27SiMn 表面Ni-Ce-P 鍍層最佳配方為：硫酸鎳28g/L，次磷酸鈉30g/L，檸檬酸9g/L，丁二酸16g/L，醋酸鈉14g/L，硝酸鈰0.12g/L 穩(wěn)定劑2mg/L。施鍍溫度為85℃，PH 在5。

(2)27SiMn 化學(xué)鍍Ni-Ce-P 鍍層表面平整、致密，與基體金屬結(jié)合緊密，厚度均勻約為30.3μm。

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