堆類構(gòu)件用不銹鋼鍍鉻工藝與性能研究

張道軍

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

堆類構(gòu)件用不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性能， 在航空、 航天、 軍工、 石油、 制藥、 化工、 電力及核能等現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。 常規(guī)不銹鋼一般不需要進行表面處理， 但是近年來隨著現(xiàn)代制造業(yè)對材料性能要求的提高， 特別在核電反應(yīng)堆構(gòu)件領(lǐng)域， 需要在不銹鋼工件表面局部電鍍硬鉻， 以提高工件的表面局部硬度、 耐磨性及防腐蝕性能[2]。

硬鉻鍍層具備較高的硬度和良好的摩擦學(xué)性能， 可以大大增加工件的使用壽命， 從而被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)[2-3]。以往對于鋼基常規(guī)鍍硬的研究通常集中在鍍層沉積機理及鍍液的工藝配方和添加劑等方面， 而對鍍硬鉻的具體工藝和鍍層綜合性能研究相對較少。 本文通過在316L 不銹鋼基體上鍍硬鉻試驗及檢測分析， 介紹了工藝流程、 鍍液配比和工藝參數(shù)， 檢測分析了鍍層形貌、 成分及組織結(jié)構(gòu)和鍍層， 并對鍍層的結(jié)合力、 顯微硬度、 摩擦系數(shù)及摩擦學(xué)性能等進行測試。實驗結(jié)果不僅對鋼基常規(guī)鍍鉻的工藝實驗研究有理論基礎(chǔ)價值，更對核電堆類構(gòu)件的實際生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

1 實驗過程

實驗采用核反應(yīng)堆類構(gòu)件常用固溶處理后的316L 不銹鋼， 試樣規(guī)格為 100 mm×50 mm×3 mm，主要成分見表1[1]。

表1 316L 不銹鋼的化學(xué)成分 wt %

常規(guī)鍍鉻工藝流程為： 電化學(xué)除油→水洗→浸蝕→水洗→活化處理→水洗→電鍍鉻→水洗[4-5]。

鍍前處理是為了去除待鍍件的油污、 鈍化層以及為鍍層沉積作表面準備， 鍍前處理的好壞關(guān)系到鍍層質(zhì)量或是否能成功施鍍的關(guān)鍵。 本實驗采用水洗—有機溶劑除油—電化學(xué)化學(xué)去油—熱水洗—酸洗—水洗的前處理工藝， 具體工藝如下：

除油采用陰極除油2~3 min， 再陽極去油0.5~1 min， 視油污情況， 若表面油污較重， 則延長陰極去油時間， 同時相應(yīng)延長陽極去油時間， 直到表面油污全部除盡為止。

由于用于核級部件， 所有溶液配制及水洗用水均采用B 級純水。

2 結(jié)果分析

2.1 鍍鉻層表面形貌及組織結(jié)構(gòu)

用配備能譜的電子掃描顯微鏡對鉻層截面和表面進行觀察， 觀察結(jié)果見圖1~2。 從圖中可知，鉻層表面呈現(xiàn)較為均勻的微觀胞狀， 鍍層整體平整均勻致密， 無可見孔隙。

圖1 鉻層表面形貌

圖2 鉻層的截向形貌

采用X 射線衍射技術(shù)（XRD）對鍍鉻層的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察分析， 結(jié)果見圖3。 可見衍射圖譜在2θ 約為 45°處出現(xiàn)（110）晶面較強的衍射峰及 65°處出現(xiàn)（200）較弱的晶面衍射峰， 圖譜說明鉻層的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為典型的體心立方結(jié)構(gòu)（b.c.c）。

圖3 鉻層XRD 圖譜

鍍鉻層的EDS 譜線分析見圖4， 譜線高度表示所測元素的相對含量。 從圖中譜線可以看出，鍍層的化學(xué)成分為鉻。

圖4 鉻層EDS 分析圖譜

2.2 鍍鉻層性能

2.2.1 顯微硬度

用表面顯微硬度計（HVS-1000 型）檢測鍍鉻層的顯微硬度， 分別測試鍍鉻層表面均布的3 個不同點， 測試結(jié)果見表2。

表2 316L 基鉻層顯微硬度

從表2 可以看出， 該鍍鉻層表面顯微硬度比其316L 不銹鋼基材本身有了明顯提高。

2.2.2 結(jié)合力

利用劃痕儀（WS-2000 型）對鍍層進行結(jié)合力測試。 設(shè)定加載速率為30 N/min， 壓頭劃行速度為3 mm/min， 劃行長度為3 mm， 極限載荷設(shè)定為45 N。 在劃痕測試過程中， 壓頭載荷逐步線性增加， 直到鉻層劃裂為止。 鍍層劃痕測試曲線見圖5，其縱坐標為測試時聲信號的強度，橫坐標（FN）為加壓頭連續(xù)線性加載載荷。 鉻層劃破時的臨界值（FC），是表征鉻層結(jié)合力的有力判據(jù)， 能較為準確地定性及定量說明地鍍層與基體結(jié)合的效果： FC越大，說明鉻層與基材的結(jié)合效果就越好。

圖5 化學(xué)鍍層的劃痕曲線

從圖5 中可以看出本次實驗鍍鉻層的FC大約為17.5 N ， 因此可推斷該鍍硬鉻層與316L 不銹鋼基材的結(jié)合力良好。

2.2.3 摩擦磨損性能

實驗采用MS-T3000 表面（覆膜層）摩擦學(xué)性能測試儀對鍍鉻層進行摩擦學(xué)性能測試。 可以得到測試表面鍍層的摩擦系數(shù)和耐磨性能， 即在設(shè)定的加載載荷下， 經(jīng)過一定距離 （或一定時間）磨損到基材后摩擦系數(shù)會發(fā)生突變， 此時鍍層被磨損的量通過稱重方法來計算鍍層的磨損量， 從而得知鍍層的耐磨性能。

圖6 分別為鍍鉻前的316L 不銹鋼基材和鍍鉻后的鉻表面層的摩擦磨損曲線。 從圖中可以看出，鍍鉻后鉻層的摩擦系數(shù)（約0.5）比316L 不銹鋼基材（約0.7）有所降低。 圖7 為基材和鍍鉻層摩擦磨損后的磨痕表面形貌。 通過對比2 種磨痕的表面形貌可以發(fā)現(xiàn)， 基材經(jīng)磨損過后表面存在許多明顯缺陷， 且在磨損測試過程中有許多較深的磨損犁溝出現(xiàn)； 而鉻層表面則相對致密很多， 且由于表面硬度提高， 使得鍍層在磨損過程中沒有產(chǎn)生較為明顯的犁溝， 從表面形貌上也只出現(xiàn)了少量的顆粒和細片。

圖6 摩擦磨損曲線

圖7 磨后形貌

3 結(jié)論

對316L 不銹鋼基底實施常規(guī)鍍鉻后， 鍍層均勻、 致密、 無明顯缺陷； 平均顯微硬度約為964HV， 比基材（450HV）有了明顯提高； 結(jié)合力良好， 約為 17.5 N； 摩擦系數(shù)為 0.5， 比基材（0.7）有所降低， 但鍍層耐磨性能的提高主要是因為顯微硬度的大幅提高和良好的致密性。