不同鍍鉻工藝及鍍銅預處理對30CrMnSiA高強鋼疲勞性能的影響

胡忠卿，王帥星,1b，柳鑫，楊由凱，杜楠

（1.南昌航空大學 a.材料科學與工程學院 b.江西省航空材料表面技術工程研究中心，南昌 330063；2.中國航發南京輕型航空動力有限公司，南京 210000）

電鍍鉻是鋼鐵零件常見的表面強化技術，在電鍍工業中占有極其重要的地位。通常，齒輪、傳動軸、活塞桿等零件會采用鍍鉻來提高表面耐磨性[1-2]。然而，電鍍硬鉻后表面往往會形成貫穿鍍層的微裂紋，且零件表面一般呈拉應力，在交變載荷作用下表面裂紋擴展很快，且鍍鉻會導致單源區疲勞斷口變成多源區斷口，造成基體疲勞強度大幅降低[3-4]。

研究表明，鋼的疲勞強度會隨鍍鉻層厚度的增加而降低[3-6]。40～50 μm 厚的鍍鉻層會導致30CrMnSiA鋼的中值疲勞壽命下降44%～55%，60～80 μm 厚的鉻鍍層會使300M 鋼的疲勞極限下降約50%～60%[5-7]。因此，通過適當的預處理或后處理消除鍍鉻對基體疲勞強度的不利影響，對零件的安全、長效服役尤為重要。

目前，噴丸預處理是提高高強鋼疲勞強度、消除鍍鉻層不利影響的主要手段[8-10]。有研究表明，鍍鉻前采用3 個大氣壓噴丸的試樣的疲勞壽命，比不噴丸的鍍鉻試樣的疲勞壽命提高38～60 倍[8-9]。但噴丸有時會導致表面粗糙度增大，對疲勞強度帶來損失。此外，鍍后拋光處理、合金化也是常用的改善手段之一[11-12]，但也有研究認為其對基體材料的疲勞性能影響不大。也就是說，現有的鍍前噴丸處理或鍍后拋光處理雖可在一定程度改善鍍鉻造成的不利影響，但此工序復雜、效果也不甚理想。因此，針對鍍鉻層，研究新的、簡便的疲勞性能改善手段十分必要。

有研究認為，相比于標準硬鉻鍍層，微裂紋鉻鍍層的表面裂紋淺而細，并未貫穿整個鍍層[13]，此種鍍層結構理論上有助于分散應力、減輕疲勞損傷[14]。基于以上分析，擬通過開發新型微裂紋鉻電鍍工藝、調整鍍鉻層裂紋分布來實現鍍鉻層抗疲勞性能的改善。

此外，鑒于部分研究通過柔性和/或軟夾層提高了鋁合金構件疲勞壽命[15]，考慮通過簡便的電鍍方法在基體/鍍鉻層之間引入軟質金屬（銅、鎳）過渡層形成基體-緩沖層-鍍鉻層的多層結構，通過鍍銅緩沖層阻礙鉻鍍層裂紋向基體的擴展，延緩裂紋擴展速率。

基于此，本文主要借助三維視頻顯微鏡、FESEM等評價了標準硬鉻、自研微裂紋鉻兩種鍍層的微觀結構，通過旋轉彎曲疲勞試驗評價了兩種鍍鉻工藝及鍍銅預處理對30CrMnSiA 疲勞性能的影響，研究結果可為高強鋼零件電鍍鉻工藝體系設計提供參考依據。

1 試驗

1.1 材料

試驗材料為30CrMnSiA 高強鋼，其抗拉強度約為 1320 MPa，主要成分（以質量分數計）為：Cr 0.8%～1.1%，Mn 0.8%～1.1%，Si 0.9%～1.2%，C 0.27%～0.34%，Fe 余量。旋轉彎曲疲勞試樣按照GB/T 4337—2015 中圓柱形光滑試樣進行加工，具體尺寸見圖1。

圖1 30CrMnSiA 高強鋼旋轉彎曲疲勞試樣尺寸Fig.1 The size for rotating bending fatigue sample of 30CrMnSiA high-strength steel

1.2 樣品制備

30CrMnSiA 高強鋼試樣電鍍鉻工藝流程為：打磨→除油→活化→HEDP 鍍銅（需要時）→鍍鉻→干燥，每道工序之間均用去離子水清洗。

除油液組成為：60～80 g/L NaOH，35～55 g/L Na3PO4，30～50 g/L Na2CO3，10～20 g/L Na2SiO3，去離子水。除油溫度為60～70 ℃，除盡為止。活化采用10%（體積分數）的硫酸浸泡30～60 s。HEDP 鍍銅配方為：堿式碳酸銅15 g/L，羥基乙叉二膦酸（HEDP，60%水溶液）110～120 ml/L，K2CO335～45 g/L，雙氧水（30%水溶液）2 mL/L，潤濕劑0.4～0.8 g/L。HEDP 鍍銅工藝參數為：pH=9.0～10.0，溫度55 ℃，電流密度1～1.5 A/dm2。標準鍍鉻與自研微裂紋鉻配方及工藝參數如表1所示。 其中， N D - 3 3 1 為一種有機磺酸類催化劑，在六價鉻鍍鉻中有機磺酸會與H2CrO4反應生成與有機磺酸鉻酰，從而促進鉻的電沉積；且有機磺酸鉻酰分子中的飽和烴基是斥電子基因、穩定性更高，有助于提高鍍鉻的電流效率[13,16]。

表1 標準硬鉻及自研微裂紋鍍鉻配方及工藝參數Tab.1 Solution formulation and process parameters of standard hard chrome and self-developed micro-crack chrome plating

鍍層制備后，采用KH-7700 三維視頻顯微鏡和Nova Nano SEM 450 場發射掃描電鏡觀察其表面、截面微觀形貌，分析鍍層微裂紋密度、長度及寬度。其中，微裂紋密度（裂紋數/cm）主要依據鍍層顯微照片中的裂紋總數和放大倍率來計算。

1.3 旋轉彎曲疲勞試驗

按GB/T 4337—2015，采用四點加力方式進行旋轉彎曲疲勞測試。試驗設備為PQ-6 型彎曲疲勞試驗機，試驗頻率為50 Hz，試驗溫度為室溫，環境為空氣。鑒于30CrMnSiA 高強鋼的抗拉強度約為1320 MPa，選擇65%σb（約850 MPa）作為指定載荷對比評價不同鍍鉻工藝及鍍銅預處理對疲勞性能的影響。為了保證數據可靠性，每種工藝處理的試樣數量不少于4 根，相應的結果見表2。試驗后，借助場發射掃描電子顯微鏡（Nova Nano SEM 450）來觀察斷口形貌以及裂紋源。

2 結果與討論

2.1 鍍層微觀形貌及結構分析

圖2 不同鍍鉻層的表面及截面微觀形貌Fig.2 The surface (a, b) and the cross-sectional morphology (c, d) of different chrome plating layers: (a, c) hard Cr- plating; (b, d)microcracked Cr-plating

圖2a、圖2b 分別給出了標準硬鉻、自研微裂紋鉻鍍層的表面OM 像。可知，標準硬鉻鍍層表面裂紋細而長、密度較小、分布也不均勻，局部還有大塊的鉻瘤；其微裂紋長度約為 383 μm，寬度為0.592 μm。采用自研裂紋鍍鉻工藝所得鍍層表面微裂紋密集、分布均勻，微裂紋密度高達1020 條/cm，長度約為28～30 μm、寬度在0.33 μm 上下浮動，且與標準硬鉻層相比鉻瘤明顯更小，僅部分零星分布在鍍層表面。

圖2c、圖2d 給出了兩種鍍鉻層的截面SEM 像。可知，標準鍍鉻工藝得到的裂紋貫穿整個鍍層直到基體，裂紋深而寬，見圖2c。而自研微裂紋鉻鍍層，裂紋淺而細、未貫穿鍍層，裂紋呈層狀分布。分析認為，在硬鉻電鍍中總伴隨析氫，沉積初期鉻層中會生成面心立方（fcc）或密排六方（hcp）的CrH。但（fcc）或（hcp）的CrH 不穩定，隨著晶粒的長大，會自發地轉變為體心立方晶格（bcc），此會使鉻層體積縮小約15%。同時，不穩定的CrH 分解產生氫氣，也會使體積減小。隨著反應的持續進行，鉻層變形、晶格扭曲，加之鍍層中的內應力不斷增大，最終導致鉻層開裂，形成垂直并貫通到金屬表面的網狀微裂紋[12,17-18]。對于微裂紋鉻鍍層，微裂紋的形成也與CrH 的晶格轉變有關。但由于有機磺酸催化劑的存在，鍍鉻電流效率提高，析氫減少，且當鍍層產生微裂紋、應力得到釋放之后，會繼續形成無應力鍍層并將微裂紋覆蓋呈現出淺淺的“偽”裂紋。此過程交替進行，從而形成近乎一層一層的微裂紋[13]。

此外，本文還測試了兩種鍍鉻層的顯微硬度，結果表明自研微裂紋鉻鍍層的硬度更高，約為989HV0.2，而標準硬鉻層的硬度僅為808HV0.2。

2.2 不同工藝處理的30CrMnSiA 的中值疲勞壽命

為評價不同鍍鉻工藝及鍍銅預處理對30CrMnSiA疲勞性能的影響，通過旋轉彎曲疲勞試驗測定了不同表面處理在指定載荷850 MPa 下的中值疲勞壽命，結果見表2、圖3。對表2、圖3 中的數據進行對比分析可知：相比于30CrMnSiA 基體（A 組），30 μm厚的硬鉻鍍層（B 組）使得基體的中值疲勞壽命下降了48%左右；當采用自研微裂紋鉻工藝后（C 組），相同厚度的鍍層僅使30CrMnSiA 基體的中值疲勞壽命下降了23%，其抗疲勞性能明顯好于硬鉻鍍層。

此外，試驗結果表明無論硬鉻還是微裂紋鉻鍍層，當在30CrMnSiA 基體/鍍鉻層之間引入鍍銅過渡層后，其抗疲勞性能均明顯得到改善。相比于B 組和C 組樣品，E 組和D 組試樣的中值疲勞壽命均大幅提高，幾乎接近于30CrMnSiA 基體（A 組）。

表2 不同表面處理的30CrMnSiA 高強鋼在850 MPa 下的疲勞壽命Tab.2 Fatigue life of 30CrMnSiA high-strength steel with different surface treatments at 850 MPa

圖3 不同表面處理的30CrMnSiA 在850 MPa 下的中值疲勞壽命Fig.3 The median fatigue life of 30CrMnSiA with different surface treatments at 850 MPa

2.3 不同工藝處理的30CrMnSiA 的疲勞斷口形貌

疲勞斷口分析有助于研究材料/構件的裂紋萌生及斷裂行為[3-6,19-20]。一般來說，典型的疲勞斷口可劃分為三個區域，即疲勞裂紋源、裂紋擴展區和瞬時斷裂區。疲勞源往往在材料/構件的表面產生，常常與缺口、裂紋等缺陷相連。而在裂紋擴展區，材料一般處于平面應變狀態，斷面較為平滑且分布有貝紋線，表示裂紋前沿在間歇擴展中的逐次位置。瞬斷區是裂紋最后失穩快速擴展時所形成的斷口區域，其表面較粗糙，脆性材料的斷口截面多為結晶狀斷口，而韌性材料斷口多呈放射狀或人字紋斷口。

圖4 A、B 試樣的疲勞斷口形貌Fig.4 Fatigue fracture morphology of A sample and B sample: (a) 30CrMnSiA substrate; (b) hard Cr-plated (～30 μm) sample

圖5 C、D 試樣的疲勞斷口形貌Fig.5 Fatigue fracture morphology of C sample and D sample: (a) microcracked Cr-plated (～30 μm) sample; (b) Cu-plated (～15 μm) + microcracked Cr-plated (～30 μm) sample

從A、B、C、D 四組試樣中分別選取一根試樣斷口在SEM 下觀察斷口形貌，具體見圖4—5。從圖4a可以看出，未經電鍍的30CrMnSiA 試樣（A 組）斷口呈單源疲勞斷裂特征，斷口微觀均呈韌性斷裂特征。經電鍍硬鉻后，B 組試樣（圖4b）的斷口呈多源疲勞特征，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30CrMnSiA 鋼基體上。微觀斷口處除了韌窩外，局部伴有少量脆性疲勞條帶，且鍍層上可見明顯的微裂紋，且裂紋走向與斷口吻合。電鍍微裂紋鉻試樣（C 組）的疲勞源、疲勞斷口基本特征與電鍍硬鉻試樣（B 組）相似，但對比仍可發現，相比于鍍硬鉻試樣，微裂紋鉻試樣疲勞試驗后鍍層上未發現明顯大裂紋，且裂紋擴展區呈多向性擴展。這種現象也是對兩種鍍層抗疲勞性能差異的一種合理解釋。當在30CrMnSiA 基體/鍍鉻層之間引入鍍銅過渡層后，D 組試樣（圖5b）的疲勞紋明顯從表層的多方向向心部延伸，縮短了斷裂傳播時間，且其瞬斷區的韌窩狀端口更為細小、也未見脆性條帶，表明其斷裂行為較為緩慢。這也是鍍銅層提高鍍鉻層抗疲勞性能的原因之一。

2.4 分析與討論

眾所周知，疲勞是一個非常復雜的過程，影響材料疲勞性能的因素很多，包括鋼的化學成分、冶金質量、表面處理狀態等。其中，表面狀態是控制材料疲勞壽命的關鍵性因素之一。

對于硬鉻鍍層導致高強鋼（30CrMnSiA、300M）疲勞強度下降的原因，眾多學者進行了深入研究[3-7,21]。一般認為電鍍硬鉻工藝使得30CrMnSiA 試樣平滑的表面變成了多裂紋的鉻晶體表面，在交變應力的作用下，垂直于基體表面的鍍鉻層裂紋將會深入金屬試樣的內部成為造成疲勞斷裂的微裂紋源，在較低的交變載荷作用下微裂紋源就會發生進一步的疲勞擴展[3,5]。由于鍍鉻層與高強鋼基體的結合力較強，鍍鉻層裂紋相當于基體上之前存在的裂紋[21]，且由于硬鉻鍍層的裂紋可能深入到基體（見圖2c），也導致了應力集中作用。因此，電鍍硬鉻降低了30CrMnSiA的疲勞斷裂應力，使其疲勞強度大幅降低，30 μm 厚的鍍層即可使得 30CrMnSiA 的中值疲勞壽命下降48%左右。

電鍍微裂紋鉻（C 組）試樣的疲勞性能會比電鍍硬鉻（B 組）效果好主要與其鍍層結構有關。由于電鍍微裂紋鉻鍍層表面存在大量微小的裂紋（見圖2b），這些裂紋會在進行疲勞性能測試時造成應力分散[14]。此外，微裂紋鉻鍍層中的裂紋是相互交錯、逐層分布的，這些裂紋會在載荷加載時可以分擔部分載荷，從而避免應力集中[14,20]，同時相比于硬鉻鍍層中的貫穿裂紋，分層的裂紋會減緩裂紋的擴展速率。上述因素的綜合作用，使得電鍍微裂紋鉻的疲勞性能優于電鍍硬鉻。從圖3 可知，30 μm 厚的微裂紋鉻鍍層的中值疲勞壽命大約是相同厚度硬鉻鍍層試樣的1.5 倍。

無論硬鉻，還是微裂紋鉻鍍層，當引入鍍銅過渡層后，其抗疲勞性能均得到明顯改善。這種情況的合理解釋是：鍍銅層的延展性較好，在疲勞應力的作用下，基體表面的鍍鉻層裂紋雖有向下生長的趨勢，但鍍銅層可以有效地阻止裂紋的擴展和深入，此可從文獻[15,22]的研究得到證實。文獻[15,22]中提及引入柔性過渡層可以降低層間裂紋驅動力，或者施加化學鍍鎳層可以阻止或延遲微裂紋從硬鉻外層的擴散。因此，電鍍銅后再鍍鉻的疲勞性能優于直接電鍍鉻，E 組試樣（銅+硬鉻）的中值疲勞壽命大約是B 組試樣（硬鉻）的1.70 倍，D 組試樣（銅+微裂紋鉻）的中值疲勞壽命大約是C 組試樣（微裂紋鉻）的1.23 倍。

3 結論

1）標準硬鉻鍍層表面裂紋密度較小、分布也不均勻，且裂紋貫穿整個鍍層。而自研裂紋鉻鍍層表面微裂紋淺而細、數目更多，密度高達1020 條/cm，且裂紋未貫穿鍍層，呈層狀分布。

2）相比于30CrMnSiA 基體，30 μm 厚的硬鉻鍍層使得基體的中值疲勞壽命下降了48%左右；當采用自研微裂紋鉻工藝后，相同厚度的鍍層僅使基體的中值疲勞壽命下降了23%，其抗疲勞性能明顯好于硬鉻鍍層。無論硬鉻還是微裂紋鉻鍍層，當在基體/鍍鉻層之間引入鍍銅過渡層后，30CrMnSiA 高強鋼的疲勞性能明顯得到改善，中值疲勞壽命幾乎接近于基體。

3）電鍍硬鉻后，30CrMnSiA 試樣呈多源區斷口，且試驗后鍍層上可見明顯的微裂紋，裂紋走向與斷口吻合，從而造成基體疲勞強度的大幅降低。相比于鍍硬鉻試樣，微裂紋鉻試樣疲勞試驗后鍍層上未發現明顯大裂紋，且裂紋擴展區呈多向性擴展，使得其抗疲勞性能優于鍍硬鉻試樣。若先鍍銅后再鍍鉻處理，鍍銅層有效地減少了直達金屬基體的裂紋數目，從而大大降低了裂紋形成的可能性，提升了30CrMnSiA 鋼的疲勞性能。