影響鍍鉻層孔隙率的因素和解決措施

趙金航，陳文舉

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200)

鉻是一種微帶藍色的銀白色金屬，金屬鉻在空氣中極易鈍化，表面形成一層極薄的鈍化膜，從而顯示出貴金屬的性質。鍍鉻層具有很高的硬度，有較好的耐熱性，在500 ℃開始氧化變色，大于700 ℃開始降低。鍍鉻層的摩擦因數小[1]，特別是干摩擦因數，在所有金屬中是最低的。所以鉻鍍層具有良好的耐磨性。同時，鍍鉻層具有良好的化學穩定性，與酸、堿、鹽及大多數有機物均不發生反應。

由于鍍鉻層具有優良的力學性能和防護性能，因此在飛機起落架上被廣泛應用[2]。而硬鉻鍍層的孔隙率周期控制不僅影響現場產品的正常交付，同時對于產品硬鉻鍍層的氣密質量有很大影響。因此，為滿足某型號飛機起落架鉻層質量要求，特開展了鍍鉻層孔隙率的工藝研究，滿足了現場產品驗收和交付需求，具有一定的借鑒推廣價值。

1 電鍍鉻的基本原理

1.1 電解液的導電原理

在電解液中，電解質的分子由于水分子極性作用的結果，其化合鍵斷裂而被分離的分子，一部分顯正電性叫陽離子，一部分顯負電性叫陰離子，在電流的作用下，溶液中的正離子被吸附，并沉積在陰極上。作為沉積離子的補充，從陽極溶解的金屬離子進入到溶液中，并在電勢的作用下平衡[3]。

1.2 電鍍鉻的基本原理

電鍍是一個氧化-還原反應，一種金屬失去電子(被氧化)，一種金屬得到電子(被還原)。陽極是發生氧化反應的電極，陰極是發生還原反應的電極。電鍍鉻是利用電解使金屬鉻沉積在制件表面，形成均勻、致密、結合力良好的鉻金屬層的過程。電鍍的基本原理如圖1所示。

圖1 電鍍的基本原理

陽極反應：

4OH-- 4e → 2H2O + O2↑

Pb + 4OH-- 4e → PbO2+ 2H2O

2Cr3++3O2↑ - 6e → 2CrO3

陰極反應：

Cr2O72-+14H++12e → 2Cr+7H2O

2H++ 2e → H2↑

Cr2O72-+14H++6e → 2Cr3++ 7H2O

2 孔隙率的產生

2.1 孔隙率的定義

孔隙率是指單位面積鉻層上針孔的個數。而針孔為從鍍層表面直至底層覆蓋層或基體金屬的微小孔道，它是由于陰極表面上某些點的電沉積過程受到障礙，使該處不能沉積鍍層，而周圍的鍍層不斷加厚所造成的[4]。

2.2 影響孔隙率的因素

1)試件基體。進行電鍍的試樣不同程度的存在毛刺或銹蝕。這些缺陷的存在將會導致零件局部無鍍層，并產生針孔缺陷，致使孔隙率測試不合格。

2)鍍前預處理。零件在進行電鍍前，試樣表面存在油污或有機物或顆粒物。如果不將這些東西清理干凈，將會給電鍍過程增加額外的阻力，導致零件局部或表面不能獲得完整的鍍層，致使孔隙率測試不合格。

3)電鍍過程。鍍鉻是一個復雜的電化學過程，鍍鉻層的質量優劣受多種因素的影響[5]。電鍍參數對鍍鉻工藝過程的影響是重要的，如鍍液的組成成分、槽液溫度和電流密度等。

3 孔隙率試驗

3.1 試樣的準備

試樣采用φ(12～18) mm×100 mm低碳鋼(20鋼)或低合金鋼(30CrMnSiA)試棒進行。

3.2 工藝流程

工藝流程如下：鍍前表面狀態檢查→電化學除油→吹氧化鋁→冷水洗→裝掛和保護→冷水洗(30 s水膜連續性檢查)→預熱→陽極腐蝕→電鍍硬鉻→回收槽洗→流動冷水洗→熱水洗→拆卸夾具→壓縮空氣吹干→除氫→檢驗[6]。

鍍鉻過程中每一道工序的目的如下。

1)電化學除油：為了除掉零件上的油污。溫度越高，除油越快。一般要求50～70 ℃，3～5 min。

2)熱水洗：為了很快去掉零件上的除油溶液。

3)冷水洗：為了更徹底去掉零件上的除油溶液。

4)鍍鉻：給零件鍍上一層均勻、細致的鉻層，鉻層結合力、孔隙率、硬度、氫脆性等性能滿足要求。

a.預熱：建議1～5 min，可適當延長，可提高鉻層結合力。

b.陽極腐蝕：去除金屬表面的氧化膜，使基體金屬完全暴露出來。

c.沖擊電鍍：使零件需要鍍鉻的部位全鍍上鉻，電流均勻分布到零件各個部位。

d.正常電鍍：使鍍鉻部位鉻層均勻增長。電流穩定后不再變動。同時，為保證電力線分布均勻，陽極要均布，且與陰極距離保持一致。

5)回收槽液：洗掉零件上大部分鉻酐，在調槽子時槽水可用。

6)冷水洗：徹底洗凈零件，把鉻酐留在槽中。

7)熱水洗：為了使零件快點干燥，進一步清洗零件。

8)除氫：把滲入基體中的氫完全除掉，以防氫脆發生。

3.3 試驗過程

3.3.1 鍍鉻

試樣使用鍍鉻溶液進行電鍍，鍍鉻溶液的配制濃度和控制范圍如下：1)鉻酸酐為225～250 g/L；2)硫酸為2.25～2.5 g/L；3)三價鉻為3～8 g/L；4)鉻酸酐/硫酸為95～110(最佳100)；5)溶解的鐵<15 g/L；6)Cl-(按NaCl計)<0.033 g/L；7)θ為50～60 ℃；8)JK為40～60 A/dm2；9)鉛銻板符合GB/T 1470標準；10)鍍層δ≥40 μm。

3.3.2 電鍍后除氫處理

針對低碳鋼孔隙率試樣電鍍后在(190±10) ℃烘烤至少3 h，低合金鋼孔隙率試樣電鍍后在(190±10) ℃烘烤至少4 h。

3.3.3 鍍層孔隙率檢測

1)在距離試樣邊緣至少6.4 mm處采用貼濾紙法檢測鍍層孔隙率，使用濾紙浸漬下述溶液后貼在試樣表面，敷貼濾紙的時間為20 min，用蒸餾水洗凈、干燥。

所使用的鐵氰化鉀、氯化鈉和氯化銨均應為化學純的試劑，用蒸餾水或去離子水配制成試驗溶液(鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])為10 g/L；氯化鈉(NaCl)為20 g/L；氯化銨(NH4Cl)為60 g/L；室溫)，該溶液的有效期為2周。

2)觀察鍍層表面的藍色斑點，每平方分米面積上不多于5個則認定檢測合格。

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 試驗結果

試件電鍍后零件外觀、孔隙率檢測情況如圖2和圖3所示。

圖2 孔隙率檢測不合格

圖3 孔隙率檢測合格

按HB 5041對零件孔隙率進行檢查，每平方分米的鉻層孔隙數量不大于5個為合格。圖2中鉻層孔隙的數量已遠遠大于5個，故檢測結果不合格；圖3中鉻層孔隙的數量小于5個，檢測結果合格。

3.4.2 試驗結果分析

1)零件在進行電鍍前，試樣表面的毛刺、銹蝕等缺陷或表面油污清洗不徹底或多余物會給電鍍過程帶來極大的危害，致使電鍍過程增加了額外的阻力，零件局部或表面不能獲得完整的鍍層，產生針孔缺陷，致使孔隙率檢查不合格。

2)試樣在電鍍過程中電流過大，槽液溫度低，將導致鍍層結晶粗大，孔隙較大，鉻層粗糙，孔隙率檢測不合格。反之鍍層均勻、細致，孔隙率檢測合格。

3.4.3 解決措施

1)電鍍前加強試樣基體的檢查，確保電鍍表面無銹蝕、毛刺和磕碰傷等缺陷。

2)鍍前預處理過程徹底去除零件表面的油污、有機物，30 s水膜連續性檢查合格。

3)電鍍過程中確保槽液各成分配比合理，選擇合適的槽液溫度、電流密度、電鍍時間等參數。建議電流密度在45～50 A/dm2，槽液溫度在(55±2) ℃范圍內。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)孔隙率試棒表面狀態、電鍍前預處理不徹底，存在毛刺、銹蝕、油污等缺陷，直接影響鉻層質量，導致孔隙率檢測不合格。

2)孔隙率試棒電鍍過程中的槽液溫度、電流密度和電鍍時間對孔隙率試棒的質量起到至關重要的作用。

3)孔隙率試樣的加工工藝流程，滿足工藝文件和現場加工需求，可用于現場試樣加工。