核電堆內構件緊固件鍍鉻工藝研究

劉曉強，孟凡江，丁宗華，徐雪蓮，林紹萱

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

電鍍鉻分為裝飾性鍍鉻和功能性鍍鉻。裝飾性鍍鉻層很薄，而功能性鍍鉻又名硬鉻，主要是為了提高零部件的耐磨性和耐蝕性，降低零部件的咬合，以及修復破損部件[1-3]。功能性鍍鉻層厚度一般為5～50 μm，硬度在400～1200 HV范圍內。因此，功能性鍍鉻能夠提高零部件的抗磨損能力，延長其使用壽命。

在“國和一號”等三代核電站的主設備設計中，一些零部件(如堆內構件的緊固件和吊裝塊、驅動機構零部件等)需電鍍硬鉻，并且鍍層必須具有優異的性能。以堆內構件緊固件為例，要求鍍鉻層厚度為5～15 μm，平均硬度在750 HV以上，并且純度高于99.9%。在我國早期核電項目建造期間，一些關鍵部件的鍍鉻層在硬度、厚度、均勻性等方面達不到要求，且存在工藝不穩定的情況，往往依賴國外技術。隨著我國核電行業的大力發展，為了提高核電的國產化水平和國產化率，核電零部件電鍍工藝的研究與開發顯得尤為重要。

電鍍工藝是一個較為復雜的電化學過程，其影響因素很多，包括基材類型、形狀和表面質量，電鍍液組成和溫度，電流密度等。對于核電鎳基合金和不銹鋼部件的電鍍，特別是安全性要求高的主設備零部件，更需要采用精確的電鍍工藝，才可保證得到優異的鍍層性能[4-7]。因此，有必要對電鍍工藝進行一定的優化和開發。本文以核電堆內構件緊固件零件為例，研究了鍍液的鉻酸酐質量濃度、溫度和電流密度對電鍍鉻層性能的影響，為核電零部件鍍鉻層性能的控制提供指導。

1 實驗

1.1 堆內構件用螺栓電鍍鉻工藝

基體為堆內構件常用的M12螺栓或25 mm × 102 mm × 1.25 mm試片，均為SA-193 Gr.B8M Cl.2不銹鋼。

鍍鉻試片用于硬度、結合力和形貌分析。電鍍鉻工藝條件為：CrO3質量濃度230～260 g/L，溫度50～65 °C，電流密度25～35 A/dm2。通過調整電鍍時間將鍍層厚度控制在40～50 μm。

1.2 鍍層性能測試

按照ASTM E384-17Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials測量鍍鉻層的顯微硬度，采用維氏壓頭，載荷100 g，加載時間15 s。

按照ASTM B571-18Standard Practice for Qualitative Adhesion Testing of Metallic Coatings檢測鍍層結合力。采用彎曲法檢測試片表面鍍鉻層的結合力，并在奧林巴斯CKX53金相顯微鏡下觀察鍍層剝離情況。M12螺栓表面鍍層的結合力采用沖擊法檢測，將一直徑10 mm的鋼球放在零件鍍層上，用重約500 g的鐵錘猛擊鋼球1次，在工件表面形成一個直徑約3 mm的圓形凹坑，觀察鍍層是否起皮。

采用Thermo Fisher ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀(XPS)分析鍍層成分。采用精度為1 μm的數字千分尺測量鍍鉻層厚度。采用上海泰明光學儀器有限公司生產的JB-1C表面粗糙度測試儀測量電鍍前后樣品的表面粗糙度(Ra)。

2 結果與討論

2.1 鍍鉻工藝參數對鉻鍍層顯微硬度的影響

從圖1a可知，當CrO3質量濃度為260 g/L、溫度為60 °C時，隨電流密度升高，鉻鍍層的顯微硬度呈上升趨勢，但變化幅度不大，最多僅相差30 HV，說明電流密度對鉻鍍層硬度的影響不大。下文取電流密度為30 A/dm2進行研究。

從圖1b可知，當CrO3質量濃度為260 g/L、電流密度為30 A/dm2時，隨鍍液溫度升高，鉻鍍層的顯微硬度先升高后降低，55 °C時最高，為810 HV，而升至65 °C時，鍍層顯微硬度又降至700 HV以下。這說明溫度改變對鍍層硬度的影響較明顯，溫度過高或過低都不利于提高鍍層硬度。通常隨鍍鉻層硬度增大，一方面鍍層脆性增大，結合力下降；另一方面，鍍層出現裂紋的可能性會越大。因此鍍鉻層的硬度應控制在合理的范圍，較適宜的溫度為55～60 °C，下文取60 °C進行研究。

從圖1c可以看出，在鍍液溫度為60 °C和電流密度為30 A/dm2的條件下，鍍液的CrO3質量濃度為230 g/L時，所得鉻鍍層的顯微硬度高達865 HV，增大CrO3質量濃度至260 g/L時，鍍層的顯微硬度降至724 HV，繼續增大CrO3質量濃度至300 g/L時，鍍層的顯微硬度又增大至770 HV。

圖1 電流密度(a)、鍍液溫度(b)和CrO3質量濃度(c)對鉻鍍層顯微硬度的影響Figure 1 Effects of current density (a), bath temperature (b), and CrO3 mass concentration (c) on microhardness of chromium coating

綜上，鍍液溫度和鉻酸酐質量濃度對鍍鉻層性能的影響較大，在電鍍鉻時要控制好這兩個參數，以保證不同批次鍍鉻層的性能和質量穩定。較佳的工藝參數為：CrO3質量濃度230 g/L，溫度55～60 °C，電流密度25～35 A/dm2。

2.2 鍍層結合力

采用彎曲法對上述不同工藝條件下獲得的鍍層進行結合力測試，并在金相顯微鏡下觀察鍍層剝離情況，發現所有樣品的鍍層均無剝離、起皮等不良現象。圖2示出了3種典型工藝條件下的鉻鍍層經彎曲試驗后的表面狀態。另外，采用沖擊法對M12螺栓螺紋處圓弧面上相互呈120°角的3個位置進行試驗后 也均未發現鍍層起皮現象，說明鉻鍍層具有較好的結合力。

圖2 鉻鍍層的結合力測試結果Figure 2 Adhesion test results of chromium coating

2.3 鍍層成分分析

按照設計要求，鍍鉻層中Cr的質量分數應至少為99.9%，Co的質量分數應小于0.05%。從圖3可以看出，在全譜范圍中只檢測到金屬Cr，即使在Co2p的高分辨譜圖中也未觀察到Co的譜峰，這說明鍍層純度較高，滿足要求。

圖3 較優工藝條件下所得鉻鍍層的XPS譜圖Figure 3 XPS patterns for chromium coating electroplated under the optimal conditions

2.4 螺栓表面鉻鍍層性能分析

在較優工藝條件下對M12螺栓鍍鉻，所得的鍍層光滑連續，無分層、起泡、凹坑、燒焦等缺陷(見圖4)。零件鍍鉻前后的表面粗糙度分別為0.4 μm和0.6～0.8 μm，鍍后表面粗糙度是鍍前的1.5～2.0倍。一般鍍鉻前基體表面粗糙度越低，越有利于獲得致密和高硬度的鍍層[8]。

圖4 螺紋鍍鉻金相照片Figure 4 Metallograph of chromium-plated thread

按照設計要求，螺栓的螺紋頂部和中部鍍鉻層厚度應控制在5～15 μm，螺紋底部有可見鍍層即可，但也不宜超過5 μm，否則會使螺紋頂部鍍層厚度大于15 μm。如圖5所示，在鍍鉻過程中，由于螺紋頂部和中部的接觸面積較大，其表面鍍層厚度較容易滿足設計要求，但螺紋底部只能獲得2～3 μm的厚度(見圖5)。這主要與電鍍過程的電流密度分布不均有關。因此，在保證各部位鍍層厚度滿足要求的前提下，可通過合理布置陽極、采用脈沖電流等方式來適當提高螺紋底部鍍層厚度，并確保零件鍍后可通過通止規檢查測試。

圖5 螺紋鍍鉻層厚度示意圖Figure 5 Schematic diagram of thickness of chromium coating on thread

3 結論

鍍液溫度及鉻酸酐質量濃度對核電堆內構件螺栓電鍍鉻的影響較大，電流密度的影響較小，較佳工藝參數為：CrO3質量濃度230 g/L，溫度55～60 °C，電流密度25～35 A/dm2。在該條件下對M12螺栓鍍鉻可獲得硬度、結合力、成分和厚度都合格的鍍層。