橡膠模具化學(xué)鍍鎳磷合金替代鍍鉻的應(yīng)用研究

李成龍 曲曉東 張起富 李文勝/大連長豐實(shí)業(yè)總公司

0 引言

橡膠模具制造和修理時(shí)，曾出現(xiàn)復(fù)雜模具鍍鉻厚度不均勻、深孔或凹槽鍍層尺寸不達(dá)標(biāo)甚至無鍍層的情況。傳統(tǒng)鍍鉻通過象形陽極和工裝設(shè)計(jì)，基本可以滿足生產(chǎn)要求，但諸如前處理準(zhǔn)備復(fù)雜、周期較長、厚度均勻性仍需依靠拋光來保證等問題無法避免，目前還沒有明確的替代應(yīng)用方法。

通過查閱電鍍技術(shù)資料、科技論著等文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，化學(xué)鍍鎳磷合金（含磷7%～15%，簡稱化學(xué)鍍鎳）熱處理后具有較高的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性和抗腐蝕性，可以拋光，鍍層均勻，在工程塑料、陶瓷加工等領(lǐng)域可以替代鍍鉻，已開展應(yīng)用。為此，本文對模具硫化所需的鍍層特性進(jìn)行深入的應(yīng)用對比分析。

1 鍍層特性檢測分析

橡膠模具硫化時(shí)，作為模具的底層，鍍層必須具有較高的耐磨性和硬度，以保證多次硫化時(shí)模具不被損傷，并持續(xù)提供較低的粗糙度值。所以，鍍層的顯微硬度值及摩擦系數(shù)是兩個(gè)重要的指標(biāo)。

1.1 鍍層硬度分析

選用三組45#鋼試片，分別進(jìn)行鍍鉻、化學(xué)鍍鎳、厚度為30 ～40μm 的化學(xué)鍍鎳+溫度為300℃的熱處理，顯微硬度的對比數(shù)值見表1。按照鍍硬鉻的工藝要求，硬鉻的顯微硬度不應(yīng)低于700HV。從表1 看出，化學(xué)鍍鎳后顯微硬度不低于400HV，化學(xué)鍍鎳熱處理后顯微硬度不低于700HV，熱處理后的硬度值與鉻層接近。部分文獻(xiàn)采取450℃的熱處理溫度，硬度值更高于普通鍍鉻（約1000HV）。

1.2 鍍層耐磨性分析

相關(guān)資料表明，化學(xué)鍍鎳的摩擦系數(shù)較小，在潤滑條件下，化學(xué)鍍鎳層相對鋼的摩擦因素約為0.13，在非潤滑條件下，干摩擦系數(shù)約為0.4。由于含有磷元素，鎳磷合金鍍層提供了自然的平滑性，摩擦性能與硬鉻層類似，可以滿足拋光的粗糙度要求。同時(shí)，磷含量和熱處理溫度的輕微變化對鍍層的摩擦性能影響不大，從原理上可以滿足硫化加工要求。

對鍍層的磨損體積和摩擦系數(shù)進(jìn)行測試分析。利用磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)，選取轉(zhuǎn)速100rpm、磨損時(shí)間10min，在不同載荷（1N、2N、3N、4N）條件下確定熱處理后的化學(xué)鍍鎳與硬鉻層、基體模具鋼的耐磨性。磨損體積的計(jì)算公式為V=πa4/64R，其中V 為磨損體積（mm3），a 為磨斑直徑（mm），R 為磨球的半徑（mm）。

表1 化學(xué)鍍鎳與鍍鉻的硬度值對比（HV）

從圖1 可以看出，不同載荷下，基體磨損體積遠(yuǎn)高于鍍層磨損體積，但是硬鉻和鎳磷合金并無較大差別。

在轉(zhuǎn)速100rpm、載荷3N 的摩擦條件下，對熱處理后的化學(xué)鍍鎳與硬鉻層、基體模具鋼進(jìn)行干摩擦的摩擦系數(shù)的測定。圖2 為三者的摩擦系數(shù)對比，無鍍層的基體模具鋼摩擦系數(shù)在0.8 ～1.0間波動，硬鉻和鎳磷合金的摩擦系數(shù)隨時(shí)間不斷增加，變化趨勢較為接近。

從上述分析可以得出，硬鉻和鎳磷合金的耐磨性無較大差別，可以滿足拋光要求，提供較高的鍍層光潔度。由于鎳磷合金與硬鉻一樣具有較高的硬度值和較低的摩擦系數(shù)，在工藝原理上可以滿足橡膠硫化過程的壓膠、脫模，不會出現(xiàn)粘膜、劃傷等缺陷。

2 硫化應(yīng)用檢測分析

按照與鍍鉻相同的《橡膠模壓件制造》工藝方法進(jìn)行生產(chǎn)，選擇6 種模具、10 種膠料開展化學(xué)鍍鎳橡膠硫化試驗(yàn)，檢測鍍層分散能力、鍍層高溫防粘性、多次拋光后粗糙度變化、硫化次數(shù)以及橡膠硫化性能，分析化學(xué)鍍鎳的實(shí)際應(yīng)用性能。具體硫化試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表2。

2.1 高溫防粘性及硫化次數(shù)分析

通過試驗(yàn)得出，膠圈（大）、膠圈（中）使用的45°單式模具，分別累計(jì)硫化56次和85 次，波紋管模具硫化35 次，不同模具硫化均未出現(xiàn)粘膠現(xiàn)象，仍可繼續(xù)使用，說明模具的化學(xué)鍍鎳層在硫化高溫下仍保持自然的平滑性，具有滿足的硫化高溫防粘性。

上述模具在化學(xué)鍍鎳后，均在未進(jìn)行熱處理的狀態(tài)下較好地完成了硫化，說明硬度狀態(tài)并不是硫化需要的關(guān)鍵因素，熱處理可以進(jìn)一步提升使用性能，但增加了工序。并且，實(shí)際生產(chǎn)是通過常用的硫酸、丙三醇的陽極電解方式退鍍，多個(gè)模具重復(fù)2 次及以上的退鍍未出現(xiàn)腐蝕情況，生產(chǎn)質(zhì)量過程可控。

圖1 三種材料的磨損體積

圖2 三種材料的摩擦系數(shù)

表2 化學(xué)鍍鎳模具的硫化試驗(yàn)結(jié)果

2.2 粗糙度變化分析

采用目視、粗糙度對比試塊進(jìn)行檢查，模具硫化前后模腔粗糙度均不超過Ra1.6μm。根據(jù)膠件的不同用途，Ⅰ類活動密封膠件模腔粗糙度可達(dá)到Ra0.2μm，其他用途的橡膠零件模腔粗糙度達(dá)到Ra0.4μm ～Ra1.6μm。說明模具鍍覆前若粗糙度符合工藝要求，化學(xué)鍍鎳后不會影響粗糙度，簡單的拋光甚至在不拋光條件下即可滿足硫化要求。實(shí)際生產(chǎn)中，按照表2 進(jìn)行了多次硫化和不同程度的壓膠后拋光，化學(xué)鍍鎳層仍可保證光亮性、防粘性和結(jié)合力。

2.3 橡膠件性能分析

按照橡膠件技術(shù)要求，開展化學(xué)鍍鎳模具硫化后的性能檢測，從表3 中可以看出，膠圈（大）和膠圈（中）的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率、RP-3 煤油抗介質(zhì)溶脹質(zhì)量變化率以及HH-20 滑油質(zhì)量變化率均滿足技術(shù)條件要求。

2.4 鍍層分散能力分析

實(shí)際生產(chǎn)制造、修理中，必須為模具提供良好、可行的表面處理工藝方法，鍍層分散能力是關(guān)鍵指標(biāo)。利用X 射線測厚儀對模具的平面位置、深槽位置進(jìn)行厚度檢測。按電鍍3 ～8μm 的厚度要求，對45°單式膠模和波紋管模具進(jìn)行鍍鉻及化學(xué)鍍鎳，分別進(jìn)行平面位置、深槽位置（15mm 和25mm）的厚度檢測對比，每項(xiàng)測試5 個(gè)點(diǎn)，取平均值，如表4、表5所示。從中可以看出，化學(xué)鍍鎳厚度均勻性明顯高于鍍鉻，且深孔零件直接鍍鉻無法保證厚度。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，要對帶內(nèi)腔的模具設(shè)計(jì)工裝、象形陽極，并增大電流沖擊才能將鍍鉻厚度控制在5 ～20μm，再對相對粗糙的位置進(jìn)行拋光，最終滿足工藝要求，工序相對復(fù)雜。

3 綜合對比分析

對模具化學(xué)鍍鎳和鍍鉻進(jìn)行綜合性能對比和應(yīng)用分析，如表6 所示。化學(xué)鍍鎳可以勝任橡膠硫化的防護(hù)過程，因無需制作工裝和陽極而操作相對簡單，可以縮短生產(chǎn)周期，并能替代分散能力差的鍍鉻工序解決厚度不均勻問題，為無法制作陽極或制作十分困難的產(chǎn)品提供修理經(jīng)驗(yàn)。另外，由于化學(xué)鍍鎳相對鍍鉻孔隙少，更致密，理論上有更高的耐蝕性，使模具的防腐性更好，更適合于不同條件下的存放。

表3 丁腈橡膠5860橡膠件性能檢測

表4 波紋管模具

表5 45o單式膠模

表6 綜合比較及應(yīng)用分析

4 結(jié)論

1）化學(xué)鍍鎳在硬度、耐磨性、高溫防粘性、粗糙度以及硫化次數(shù)等方面不低于鉻層，尤其是與鍍鉻一樣有較低的摩擦系數(shù)，硫化過程中脫模順暢，可避免高溫粘黏，使用性能滿足 要求。

2）化學(xué)鍍鎳無需制作工裝和象形陽極，操作簡單，且鍍層質(zhì)量優(yōu)于鍍鉻層，完全可保證模具各個(gè)位置都得到均勻鍍層，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)可提升合格率和生產(chǎn)效率。

3）模具化學(xué)鍍鎳后的橡膠件的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率、抗介質(zhì)溶脹質(zhì)量變化率等性能均滿足要求。

綜上，針對波紋管、連接管等復(fù)雜形狀模具（帶深孔或凹槽），可以利用化學(xué)鍍鎳合金替代鍍鉻層。