鍍前處理對GH4169電鍍鉻的影響

郭敏智，謝煥鈞，李立群

（中國航發中傳機械有限公司，湖南 長沙 410200）

GH4169合金是過去40年廣泛運用于飛機發動機上的鎳基高溫合金，其被大量使用于飛機發動機部件，如臨界旋轉零件、機翼、支撐結構（墊片）和壓力艙等，年產量占據整個變形高溫合金總量的45%以上［1］。該合金是一種沉淀強化的鐵鎳基合金，具有較好的高溫力學性能、良好的熱工藝和焊接性能。而隨著航空發動機和燃氣輪機對部件性能要求的不斷提高，對GH4169 合金的性能條件也提出了更高的要求。

鉻電極電位雖然很負，但它有很強的鈍化性能，在大氣中很快鈍化，顯示出具有貴金屬的性質。鉻層硬度高（HV800～1100），耐磨性好，反光能力強，具有較好的耐熱性，被廣泛用作鋼鐵零件防護-裝飾性鍍層體系的外表層和機能鍍層。在GH4169 合金表面鍍鉻，可有效提高基體硬度及耐蝕性能。但是GH4169 合金材料因鉻含量較高，給鍍鉻帶來很大難度［2］，鉻層與基體結合力差且易起皮，并且鍍鉻溶液的分散和覆蓋能力差，形狀復雜的零件需采用象形陽極才能得到厚度均勻的鍍層［3］。而高溫合金鍍鉻技術在國內研究較少，馬建鐵等［4］研究了高溫合金（GH696）活塞環的鍍鉻方法，其采用硫酸與氫氟酸、鹽酸腐蝕的預處理方法，在活塞環表面沉積7～10 μm鉻層，但零件形狀較為簡單，且厚度較薄。

本文通過探索鍍鉻前處理方法，并利用特定的輔助陽極和保護陰極，在GH4169 合金表面以及錐形塊墊片上得到結合力良好、形貌均勻，能滿足實際生產需求的鉻層。

1 實驗

1.1 GH4169合金鍍鉻層的制備

錐形塊墊片使用材料為GH4169 合金（質量分數：C≤0.08 %，Cr 17.0 %～21.0 %，Ni 50.0 %～55.0 %，Mo 2.80 %～3.30 %）。前期研究在試棒上進行，試棒規格?10 mm×100 mm，鍍鉻前需除凈試棒表面油脂。后期驗證在錐形塊墊片上進行，具體尺寸和形狀見圖1所示。

圖1 錐形塊墊片尺寸及形貌圖Fig.1 Dimensions and morphology of the conical block gasket

鍍鉻層制備工藝流程如下：除油→熱水洗→冷水洗→鍍前處理→鍍鉻→冷水洗→熱水洗→干燥→除氫→檢驗，其中鍍前處理包括陰極活化、陽極腐蝕、酸洗、吹砂、預鍍鎳、吹砂與預鍍鎳結合等方式。電鍍鉻實驗以鉛銻合金作為陽極，GH4169 工件作為陰極，鍍鉻后鉻層結合力好壞主要由鍍前處理方式決定，本文通過改變鍍前處理方式對GH4169 合金進行鍍鉻試驗，鍍鉻槽液參數如下：CrO3200～250 g/L；H2SO4（ρ=1.84 g/mL） 2.0～2.5 g/L；Cr3+3～5 g/L；CrO3/H2SO4為（95～105）∶1。

1.2 鍍鉻層外觀、結合力表征

鍍鉻層外觀在天然散射光線或無反射光的白色透射光線下目視檢查，鍍層應結晶細致、均勻，顏色為亮灰色；鍍鉻層結合力檢查則按HB 5041的規定，用空氣爐加熱零件或試樣至300±10°C，保溫1 h，然后在冷水中驟冷，并用目視方法檢查鍍層有無起泡、脫落現象來表征結合力。

2 結果與討論

通過改用不同的活化方法進行鍍前處理，摸索適宜的活化方法，且每組用3 個試樣進行平行試驗得到結果如表1，具體情況見圖2。

圖2 基體鍍鉻表面結合力Fig.2 The adhesion of the chromium-plated surface

將吹砂活化與吹砂后再預鍍鎳處理，然后進行鍍鉻的試樣放入空氣爐加熱至300 °C，保溫1 h，然后在冷水中驟冷，目視檢查，鍍層無起泡、脫落現象，具體見圖3，表明吹砂活化與吹砂后再預鍍鎳處理，均可顯著提高GH4169合金鉻層結合力。

圖3 結合力檢查后基體鍍鉻表面Fig.3 The surface of chromium plated matrix after adhesion test

3 錐形塊墊片零件鍍鉻工藝探索

鍍鉻使用的CrO3和H2SO4混合溶液作為電解液，但是該種溶液存在不足之處，如陰極電流效率很低，工業化生產中僅為12 %～15 %；鍍液的分散能力差，欲獲得均勻的鍍層，則需要進行人工干預，比如設計象形陽極或保護陰極［5］。本文涉及的錐形塊墊片，零件表面要求鍍鉻（15～35）μm，但R0.2 mm處鄰近區域受形狀影響是低電流區，在電鍍時因沉積速度慢有重新鈍化的風險；?114.2 mm 外圓和?77.2 mm 內圓尖角處電力線集中，鍍層易粗糙。通過采用鍍前吹砂處理和吹砂后再預鍍鎳處理兩種方式，設計不同的象形陽極和保護陰極，對GH4169 合金錐形塊墊片鍍鉻工藝進行探索。

3.1 吹砂鍍前處理對錐形塊墊片鍍鉻的影響

選取（砂粒：100 目的棕剛玉，壓力：≤0.2 MΡa，噴嘴距離：（150～300）mm）吹砂方式，通過設計不同的象形陽極和保護陰極夾具，對錐形塊墊片進行鍍鉻工藝探索，具體如表2。由表2 可以看出，僅吹砂活化，通過改變輔助陽極、掛具和輔助陰極，均無法在錐形塊墊片表面完整沉積電鍍鉻層，特別是內直角邊，由于為低電流區，在電鍍時因沉積速度慢而重新鈍化，導致該區域無法成膜。

表2 吹砂鍍前處理的鍍鉻試驗Tab.2 Chromium plating test of sand blowing pretreatment

3.2 吹砂+預鍍鎳鍍前處理對錐形塊墊片鍍鉻的影響

表3為吹砂+預鍍鎳鍍前處理的鍍鉻試驗情況，可以看出，通過調整輔助陽極、掛具和輔助陰極，用帶有彈性的卡子撐住零件內圈、零件外圈套一個輔助陰極能均勻地在錐形塊墊片表面完整沉積電鍍鉻層，特別是內直角邊，鍍層均勻，且外鍍層無結瘤，鍍層均勻性好。

表3 吹砂+預鍍鎳鍍前處理的鍍鉻試驗Tab.3 Chromium plating test of sand blowing&nickel pre-plating pretreatment

3.3 錐形塊墊片鉻層檢測結果

在天然散射光線或無反射光的白色透射光線下目視檢查。錐形塊墊片上檢查外觀，全部表面都有鍍層，包括內R0.2 mm處低電流區，也覆蓋有鍍層。

按HB 5041 的規定，用空氣爐加熱零件或試樣至300±10 °C，保溫1 h，然后在冷水中驟冷，用目視方法檢查，鍍層不應起泡脫落。在與錐形塊墊片同槽電鍍的試驗件上進行了測試，鍍層沒有起泡脫落，表明錐形塊墊片鍍鉻層結合力合格。

4 結論

（1）鍍前陽極活化或陰極活化、鍍前酸洗和鍍前預鍍鎳處理活化方法，無法在GH4169 試棒材料表面鍍鉻成膜或者均勻成膜；吹砂活化、吹砂后再預鍍鎳處理均能在GH4169 試棒材料表面均勻成膜，且結合力好。

（2）僅鍍前吹砂活化，通過調整裝夾方式、改變輔助陽極和輔助陰極，無法在GH4169 材料錐形塊墊片表面均勻成膜，特別是內直角邊無鍍鉻層。

（3）通過吹砂活化和預鍍鎳相結合的鍍前處理方式，通過調整裝夾方式、改變輔助陽極和輔助陰極，能在GH4169 材料錐形塊墊片表面均勻成膜，特別是內直角邊鉻層均勻，且結合力好。