不銹鋼鍍鉻層結(jié)合力提升研究

王晴晴，王涌翰，李 濤，蘆業(yè)祥

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

金屬鉻是一種帶天藍(lán)色的銀白色金屬，具有硬度高、耐磨性好、反光能力強(qiáng)、耐熱性好的特點(diǎn)，一般用于裝飾、防護(hù)、功能性鍍層[1,2]。加厚鍍鉻修復(fù)技術(shù)作為一種再制造修復(fù)技術(shù)，可修復(fù)產(chǎn)品的尺寸，還可提高其硬度、耐磨性和耐蝕性，有效提高產(chǎn)品使用壽命[3,4]。不銹鋼具有優(yōu)良的抗氧化性，在空氣中很容易鈍化，但其電鍍鉻的結(jié)合力相對較差。部分不銹鋼航空產(chǎn)品在使用過程中，由于發(fā)生磨損消耗，基體尺寸減小，不能滿足配合及使用要求。因此，采用加厚鍍鉻的方式使產(chǎn)品恢復(fù)原有尺寸的需求越來越大。但是不銹鋼產(chǎn)品的加厚鍍鉻存在的最明顯問題就是結(jié)合力差。本文通過改變鍍鉻前處理方式，使不銹鋼材料產(chǎn)品表面可鍍覆一定厚度的鉻層，通過測試結(jié)合力、硬度、孔隙率等性能，以確定不同的前處理方式對鍍層結(jié)合力的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料為1Cr18Ni9Ti 的固溶狀態(tài)，主要成分為：w(C)≤0.12%，w(Мn)≤2%，w(S i) ≤0.8%，1 7% ≤w(C r) ≤1 9%，8% ≤w(N i) ≤11%，w(S) ≤0.0 2 5%，w(Р)≤0.035%，5[w(C)-0.02%]≤w(Ti)≤0.8%，余量為Fe。試樣制成直徑為20 mm、長度為80 mm的棒狀，表面粗糙度Ra為0.4 μm 左右。

1.2 樣品制備

試樣的鍍鉻工藝流程為：綁扎→除油→熱水洗→前處理→腐蝕→鍍鉻→干燥→測試。每道工序之間均用去離子水清洗干凈后再進(jìn)行下一道工序。除油用溶液主要成分為氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、硅酸鈉，除油溫度為60 ～80 ℃，除凈為止。前處理分別為吹砂、拋光、活化、預(yù)鍍鎳等，鉻層目標(biāo)厚度為100 μm。各組試樣前處理安排見表1。腐蝕采用一定濃度的硫酸溶液，浸泡時間不大于5 min。

表1 各組試樣前處理安排

1.3 性能檢測

（1）外觀。采用目測方式觀察，鍍層的外觀呈帶藍(lán)色色調(diào)的亮灰色，鍍層均勻、連續(xù)。

（2）厚度。按照GВ/T 6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層 厚度測量 顯微鏡法》中的方法，從試件上切割一塊試樣，鑲嵌后對橫斷面進(jìn)行研磨、拋光和浸蝕，用校正過的標(biāo)尺測量覆蓋層橫斷面的厚度。厚度根據(jù)需要鍍覆。

（3）硬度。按GВ/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》中的方法測試鍍鉻層硬度，將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕對角線長度。維氏硬度值與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比，壓痕被視為具有正方形基面并與壓頭角度相同的理想形狀。顯微硬度計型號為HМV-2T。顯微硬度不小于700 HV。

（4）結(jié)合力。按GВ/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評述》中的熱震法、銼刀法測試鍍鉻層的結(jié)合力。熱震法將鍍覆后的試樣加熱至（300±10）℃，然后驟然冷卻，基體和鍍鉻層的熱膨脹系數(shù)不同，結(jié)合力差時會出現(xiàn)鍍層與基體剝離現(xiàn)象，加熱爐型號為DTS-100。銼刀法是將試樣鋸下一塊，夾在臺鉗上，用一種粗的研磨銼進(jìn)行銼削，沿基體到鍍層的方向，與鍍層表面約成45°的夾角，觀察鍍層與基體是否出現(xiàn)分離。鍍層與基體金屬結(jié)合牢固，不起皮、脫落或起泡，方為合格。

（5）孔隙率。按HВ 5041-92《硬鉻、乳白鉻鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》中規(guī)定的貼濾紙法或浸漬法測試鍍層的孔隙率，測試溶液的成分為鐵氰化鉀(10 g/L)、氯化鈉(20 g/L)、氯化銨(60 g/L)，觀察表面藍(lán)色斑點(diǎn)的數(shù)量，應(yīng)滿足在每平方分米面積上孔隙不得多于5 個。

（6）粗糙度。使用德國馬爾的粗糙度儀測試鍍層的粗糙度，設(shè)備的型號為РS10，粗糙度根據(jù)需要確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層外觀

鍍鉻層外觀如圖1 所示，外觀呈帶藍(lán)色色調(diào)的亮灰色，鍍層均勻、細(xì)密。從圖中可以看出經(jīng)吹砂處理的3 號試樣和預(yù)鍍鎳的7 號試樣相較于其他試樣表面亮度稍暗，經(jīng)過拋光的4 號試樣表面相對更光亮，說明吹砂會降低基體的光亮度，拋光可增加其光亮度，進(jìn)而影響鍍鉻層的亮度。

圖1 鍍層外觀

2.2 鍍層厚度

圖2 為采用顯微法檢測的鍍鉻層厚度情況，表2 所示為各組試樣的鍍層狀態(tài)。從圖2 和表2 可以看出，各試樣鍍層厚度均達(dá)100 μm 左右，但隨著電流密度和活化時間的改變，不銹鋼鍍鉻層厚度可適當(dāng)增加。根據(jù)電流密度、鍍層厚度及電鍍時間計算的電流效率如表2 所示，計算公式為：電流效率ηk=60×ρ×d/（100×k×Dk×t） [k是鉻的電化學(xué)當(dāng)量，為0.324 g/ (A·h)；ρ為鉻的密度，為7.14 g/cm3；d為鍍層厚度；Dk和t分別是電流密度和電鍍時間][5]。表中電流效率均較低，說明鍍鉻的電流利用率不高。其中1 號試樣的電流效率明顯比其他試樣偏小，3號和7 號的相對較大，說明電流密度越大其電流效率越高，同時說明吹砂后的電流效率要高于未吹砂的。另外，計算了各組的沉積速率（厚度與時間的比值），如表2 所示。從沉積速率來看，3 號試樣最大，7 號其次，1 號最小，其他相差不多，說明電流密度小的沉積速率也較小，相同電流密度下，經(jīng)過吹砂的和預(yù)鍍鎳的沉積速率較快，拋光和活化時間對沉積速率幾乎無影響。

圖2 鍍鉻層的厚度

表2 各組試樣的鍍層狀態(tài)

2.3 鍍層的硬度

通過顯微法測試的硬度如表2 所示。從表中可以看出，所有組的硬度相差不大，且均滿足不小于700 HV 的要求。

2.4 鍍層的結(jié)合力

（1）熱震法。圖3 所示為熱震法試驗(yàn)后的鍍層表面狀態(tài)，通過熱震法檢測，各組試樣表面均未出現(xiàn)起皮、脫落或起泡現(xiàn)象。

（2）銼刀法。圖4 所示為銼刀法試驗(yàn)后的表面狀態(tài)，其中，5 號和7 號試樣表面鍍層出現(xiàn)脫落，其余試樣表面完整。5 號試樣的活化時間為工藝的下限，基體活化不良，結(jié)合力較差，故鍍層出現(xiàn)脫落。7 號試樣的前處理為預(yù)鍍鎳，由此可見預(yù)鍍鎳不能用于提高鍍鉻層與基體的結(jié)合力。

圖4 銼刀法試驗(yàn)結(jié)果

2.5 鍍層的孔隙率

孔隙率測試結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，各組試樣的表面均未出現(xiàn)藍(lán)色斑點(diǎn)，即孔隙率均滿足要求。

圖5 孔隙率測試結(jié)果

2.6 鍍層的粗糙度

粗糙度測試結(jié)果如表2 所示。未進(jìn)行處理的試樣基體的粗糙度Ra為0.433 μm，與此對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過吹砂和預(yù)鍍鎳的試樣表面粗糙度增加較多，同時從圖1 外觀質(zhì)量中可以看出兩者的光亮度明顯下降；拋光后的試樣表面粗糙度明顯下降，其他試樣變化不大，說明鍍鉻層的粗糙度主要由基體的粗糙度決定。

3 結(jié)論

（1）鍍鉻層的粗糙度主要取決于基體的粗糙度，吹砂和拋光分別能提高和降低其粗糙度。

（2）鍍鉻的電流效率較低，電流利用率較低，且電流密度越小電流效率越小。前處理吹砂能夠在一定程度上提高鍍鉻的電流效率。

（3）預(yù)鍍鎳不能夠提高鍍鉻層的結(jié)合力，增加活化時間可提高鍍鉻層的結(jié)合力。