焦貴生，杜慶新，李小翻，魏開龍，李巖，李佳芯，陳濤，郭紀(jì)磊，吳茂盛，黃洪福，程鑫宇

（1.天津市貴豐表面技術(shù)有限公司，天津 300250； 2.揚(yáng)中市永新鍍業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)中 212299；3.德州聯(lián)合石油科技股份有限公司，山東 德州 253007； 4.首顧（天津）表面處理科技有限公司，天津 300480； 5.東莞碩方精密工業(yè)科技科技有限公司，廣東 東莞 523131； 6.本溪市通寶冶金設(shè)備制造有限公司，遼寧 本溪 117110）

電鍍硬鉻鍍層具有其它一些金屬鍍層所不具有的優(yōu)良綜合性能，如硬度高、微裂紋、耐磨性、耐腐蝕性、耐重載性等，廣泛應(yīng)用于汽車減震桿、煤礦液壓支架、石油鉆桿、液壓桿、活塞環(huán)等行業(yè)。電鍍硬鉻鍍層與基體金屬的結(jié)合力是鍍層的主要檢測(cè)指標(biāo)之一。鍍層結(jié)合力不良會(huì)直接影響鍍件的使用狀況和壽命。通過長(zhǎng)期在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷探索和對(duì)客戶的售后服務(wù)過程中，總結(jié)出了提高電鍍硬鉻鍍層與基體金屬結(jié)合力的方法。

1 提高結(jié)合力的方法

1.1 基體材料因素

1.1.1 基體表面

低碳鋼鍍硬鉻時(shí)，按照制定的工藝流程規(guī)范操作，硬鉻鍍層和基體金屬的結(jié)合力不會(huì)出現(xiàn)問題。當(dāng)合金鋼鍍硬鉻時(shí)，特別是合金鋼中含鉻、錳、鎳、鎢、鉬、釩、鋁等化學(xué)元素時(shí)，合金鋼表面容易產(chǎn)生一層鈍化膜。如果鈍化膜處理不徹底，就會(huì)影響結(jié)合力了。

鑄鐵件有砂眼、孔隙高、含碳量高，鍍硬鉻時(shí)容易析氫，如前處理不徹底，也會(huì)影響結(jié)合力。

1.1.2 基體應(yīng)力

基體的應(yīng)力對(duì)鍍硬鉻后的結(jié)合力有一定的影響。對(duì)鋼的最大抗拉強(qiáng)度Rm在1050 MPa以上，并經(jīng)機(jī)械加工、磨削、冷成形和冷矯正的工件，在清洗和鍍硬鉻之前應(yīng)消除基體應(yīng)力。實(shí)際操作見表1［1］。

表1 鍍前消除應(yīng)力Fig.1 Stress relief before plating

1.2 基體表面前處理不佳

工件鍍前磨光、除油、除銹、除氧化膜是否徹底，直接影響到鍍硬鉻后的結(jié)合力［2］。要加強(qiáng)前處理每一道工序的質(zhì)量控制。

1.2.1 磨 光

磨光的目的在于除去金屬表面的毛刺、氧化皮、腐蝕痕、劃痕、砂眼及氣孔等，使工件表面平整、光滑。電鍍硬鉻對(duì)基體的粗糙度要求比較高，一般工件要求Ra為0.4 μm。要視工件的材料、形狀及表面狀態(tài)來決定磨光使用的磨輪組織、磨輪直徑、磨輪圓周速度及冷卻方法等。

工件的性狀決定磨輪的硬度及轉(zhuǎn)速。若工件的硬度較大，形狀簡(jiǎn)單，則選用較硬的磨輪，轉(zhuǎn)速也需高些；相反工件較軟，形狀較復(fù)雜，為了防止工件變形，應(yīng)選用較軟的磨輪，轉(zhuǎn)速也應(yīng)低些。

根據(jù)工件外形狀況，可選用不同寬度和粒度的磨光輪，磨輪的圓周速度應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。過高時(shí)，磨輪損壞快，使用壽命短；過低時(shí)，生產(chǎn)效率低，故磨輪的圓周速度一定要適當(dāng)。金屬材料鑄鋼、合金鋼磨光時(shí)的最佳圓周速度為18 ～ 30 m/s。

1.2.2 除油、除銹

電鍍前的除油、除銹是保證鍍層質(zhì)量最基本的條件。個(gè)別的操作者對(duì)鍍硬鉻前的除油不太重視，認(rèn)為鍍前有一道陽極除油，就能將油污除凈，然而有的拋光膏是很難除掉的。除不掉的拋光膏帶入到鍍液中去，會(huì)造成鍍液有機(jī)物污染。

對(duì)于低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、各種類牌號(hào)不銹鋼（如304不銹鋼不含鉬元素，316不銹鋼含鉬元素）、合金鋼、鑄鐵件，電鍍硬鉻之前必須采取不同的前處理方法，以保證硬鉻鍍層與基體的結(jié)合力。

對(duì)于超高強(qiáng)度鋼材料、氫脆敏感材料、受高負(fù)荷零件、薄鋼鋼片、彈簧片等，為了避免由滲氫而產(chǎn)生的氫脆，只能進(jìn)行陽極電解除油，嚴(yán)禁陰極電解除油。

檢驗(yàn)除油效果要看工件表面是否完全親水，如完全親水，即工件表面有一層完整的水膜（要求在30 s內(nèi)無水膜斷裂即無水珠掛留），而不允許有不親水部分或掛有水珠。在操作時(shí)，若發(fā)現(xiàn)有不親水現(xiàn)象，則不能入槽電鍍，而應(yīng)重新除油。

2 電鍍硬鉻使用的特殊方法

2.1 預(yù) 熱

預(yù)熱對(duì)于保證工件硬鉻鍍層與基體金屬結(jié)合力是一個(gè)重要的操作步驟。如不采取預(yù)熱工序，工件進(jìn)入鍍槽后，工件與工藝要求的溫度相差很大，這時(shí)立即送電施鍍，那么這時(shí)就可能因?yàn)槌蹂儠r(shí)工件表面溫度太低（偏離工藝要求）而產(chǎn)生黑色粗糙的鍍層。在此鍍層表面繼續(xù)加厚的硬鉻鍍層就會(huì)顯得鍍層更加粗糙，而且結(jié)合力也受到影響。鋼鐵工件可在鍍硬鉻鍍槽中預(yù)熱，銅和銅合金件可在熱水槽中預(yù)熱。為了保證工件的預(yù)熱效果，在實(shí)際操作時(shí)，可根據(jù)工件的壁厚來確定預(yù)熱時(shí)間。壁薄的工件預(yù)熱時(shí)間可短一些，壁厚的工件預(yù)熱時(shí)間可常一些，一般工件預(yù)熱時(shí)間控制在2～ 5min就可以了。

2.2 陽極處理

陽極處理（也稱為反拔、反刻、反鍍）目的就是從工件表面除去氧化膜，使基體金屬的結(jié)晶組織暴露出來并顯現(xiàn)活化狀態(tài)并形成一定的粗糙度。陽極處理是提高硬鉻鍍層與基體金屬結(jié)合力的有效措施之一。陽極處理的電流通?？刂圃谡Ｊ╁冸娏鞯囊话耄喈?dāng)于25～ 30 A/dm2。陽極處理的時(shí)間隨工件材料而定。一般碳素鋼30 ～ 60 s，合金鋼宜適當(dāng)延長(zhǎng)，一般控制在60～120 s，高碳鋼時(shí)間不宜太長(zhǎng)，通?？刂圃?0 s以內(nèi)。實(shí)際操作見表2［1］。

表2 鍍層厚度與陽極處理時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between coating thickness and anodic treatment time

2.3 階梯式給電

工件在小電流密度下電鍍硬鉻時(shí)，工件上只有氫原子在陰極上放電，由于初生態(tài)的氫原子具有很強(qiáng)的還原能力，它能把金屬基體的氧化膜中的金屬元素還原成金屬，即由鈍態(tài)變成活化狀態(tài)。合金鋼（含鉻、錳、鎳、鎢、鉬、釩、鋁） 、不銹鋼表面極其容易鈍化，階梯式給電對(duì)于易鈍化金屬來說是提高硬鉻鍍層結(jié)合力的一種有效方法之一［3］。操作步驟如下：

（1）0～2 min之內(nèi)電流逐漸調(diào)至工藝要求的20%；

（2）2～3 min之內(nèi)電流逐漸調(diào)至工藝要求的40%；

（3）3～4 min之內(nèi)電流逐漸調(diào)至工藝要求的60%；

（4）4～5 min之內(nèi)電流逐漸調(diào)至工藝要求的80%；

（5）5～ 6 min之內(nèi)電流逐漸調(diào)至工藝要求的100%；

隨后鍍至厚度要求結(jié)束。

階梯式給電也可作為電鍍硬鉻過程中因停電而繼續(xù)加厚鍍鉻層的補(bǔ)救辦法。

2.4 大電流沖擊

大電流沖擊的目的是用以改善鍍硬鉻液的覆蓋能力，并使鍍層均勻，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件及粗糙表面鍍硬鉻尤其重要［4］。

鑄鐵可分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。鑄鐵件一般含2.2% ～ 2.8%的碳和0.8% ～ 3%的硅。鑄鐵件導(dǎo)電性差，表面含有較多的游離石墨和碳化物，由于氫在碳（石墨）上析出的過電位較在鐵上析出的過電位低，使氫在碳表面析出，造成電流效率下降，妨礙鉻金屬的沉積。鑄鐵件表面粗糙，組織結(jié)構(gòu)疏松，微觀表面積比需電鍍的表面積大許多，用正常電流密度施鍍，往往鉻層覆蓋不全或無鍍層。

因此，在鑄鐵件上鍍硬鉻時(shí)，必須采取大電流沖擊電鍍。具體操作方法為：鑄鐵件入槽鍍鉻時(shí)，先進(jìn)行1～2 min大電流沖擊電鍍，沖擊電流密度比正常電流密度大2～3倍。這樣的電流密度使鑄鐵件陰極極化增大，在其表面迅速沉積上一層鉻，然后在恢復(fù)到正常的電流密度施鍍。

大電流沖擊電鍍是鑄鐵件鍍硬鉻不可缺少的一個(gè)操作方法，這種方法也可用來提高復(fù)雜的工件鍍硬鉻低區(qū)覆蓋能力。

3 嚴(yán)格按工藝規(guī)范操作，加強(qiáng)鍍液的維護(hù)與管理

現(xiàn)代電鍍硬鉻溶液一般采用標(biāo)準(zhǔn)的鍍鉻溶液：鉻酐220～270 g/L，硫酸2.2～2.7 g/L，三價(jià)鉻3～4 g/L。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鍍鉻液一般溫度控制在60 ℃，波動(dòng)范圍不超過±2 ℃，溫度太高或太低都會(huì)對(duì)鍍鉻層的結(jié)合力產(chǎn)生影響。加入添加劑的鍍硬鉻液一般電流密度要達(dá)到50～60 A/dm2。但當(dāng)遇到鍍液組分失調(diào)，鍍液溫度失控，工藝方法變更，基體材料更換，鍍件的幾何形狀過于復(fù)雜，應(yīng)設(shè)置而未設(shè)置輔助陽極或屏蔽陰極等各種因素時(shí)［5-8］，按工藝文件規(guī)定的電流密度配送電流時(shí)就可能難以獲得理想的硬鉻鍍層了。為此，要根據(jù)鍍件和鍍液的實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整電流密度。

鍍硬鉻溶液在長(zhǎng)期的使用過程中，由于工件掉入槽內(nèi)而未及時(shí)撈出造成工件基體腐蝕溶解、工件進(jìn)行陽極處理時(shí)表面雜質(zhì)的化學(xué)溶解、工件在受鍍過程中內(nèi)腔、盲孔、及其他低電流密度區(qū)的腐蝕溶解，這都會(huì)使鍍鉻溶液的鐵雜質(zhì)、銅雜質(zhì)、氯離子雜質(zhì)、有機(jī)物雜質(zhì)、硝酸根雜質(zhì)逐步積累，當(dāng)這些雜質(zhì)積累到一定量時(shí)，就會(huì)使鍍硬鉻溶液的顏色變渾、變黑、導(dǎo)電率下降、槽電壓升高、電流不穩(wěn)定、分散能力下降、光亮范圍縮小、鍍層的結(jié)合力和硬度下降。為此，要必須加強(qiáng)鍍鉻液的維護(hù)與管理，把故障現(xiàn)象消滅在萌芽狀態(tài)［9-10］。

4 鍍層厚度的控制

在設(shè)計(jì)工件鍍硬鉻時(shí)，要考慮鍍鉻層厚度要符合實(shí)際需求。較厚的鍍層雖然可以保證工件有更高的耐磨、耐熱、耐壓、耐沖擊性，但鍍層的脆性也隨之增加，結(jié)合力變差。稍受一些外力沖擊，便會(huì)使鍍層崩落。為了保證鉻層質(zhì)量，對(duì)鍍鉻層的厚度有一定的限定，尤其是受力的重要結(jié)構(gòu)件，應(yīng)特別注意。硬鉻鍍層最好保持在0.15 mm以內(nèi)，并包括磨加工余量。

5 鍍后加工

5.1 磨 削

有些工件鍍硬鉻后因?yàn)榫鹊囊筮€要進(jìn)行磨削加工。當(dāng)磨削加工時(shí)出現(xiàn)了鍍層剝落現(xiàn)象，這時(shí)需要調(diào)整磨削的速度不要太高、過刀量不要太大。要加強(qiáng)磨削區(qū)域的冷卻，避免產(chǎn)生因局部溫度過高而引起鍍鉻層結(jié)合力下降［11-12］。

一般鍍鉻層的磨削條件為［11］：一往返行程橫向進(jìn)給量0.002～0.005 mm/臺(tái)面，每轉(zhuǎn)工件縱向進(jìn)給量2～5 mm/min，磨輪圓周速度30～50 m/s，工件圓周速度不少于5～25 m/min，冷卻液量20～30 L/min。此條件磨削的鉻層硬度變化量為2% ～ 5%，對(duì)鍍層結(jié)合力的影響可忽略不計(jì)。

5.2 熱處理

鍍硬鉻后的熱處理主要是為了除去電鍍過程中吸附在硬鉻鍍層及鋼件中的氫氣。這是因?yàn)榇蟛糠蛛娏飨脑跉涞奈龀錾?，而氫在析出時(shí)，很容易擴(kuò)散到硬鉻層和基體金屬中去，這會(huì)使工件鍍層表面脆性增加、疲勞強(qiáng)度降低。材料強(qiáng)度越大，其氫脆敏感性越大。因此規(guī)定HRC大于40以上的高強(qiáng)度鋼材料，在電鍍硬鉻后4 h內(nèi)進(jìn)行除氫處理。具體熱處理操作要根據(jù)鋼的最大抗拉強(qiáng)度來確定除氫的溫度和時(shí)間，見表3。

表3 電鍍鉻層鋼件熱處理Fig.3 Heat treatment of chromium plated steel parts

6 結(jié) 語

通過分析影響電鍍硬鉻鍍層與基體金屬的結(jié)合力的因素，找到了提高鍍層結(jié)合力的有效方法。在電鍍硬鉻生產(chǎn)過程中，有較多質(zhì)量問題是沒有按照操作工藝執(zhí)行才出現(xiàn)問題的。因此有必要將鍍硬鉻的整個(gè)過程納入質(zhì)量控制體系中，并結(jié)合必要的設(shè)備、儀器加強(qiáng)管理與監(jiān)督，以保證工藝的嚴(yán)格執(zhí)行。

（1） 制定工藝流程時(shí)要充分考慮工件的材料牌號(hào)、熱處理情況以及材料應(yīng)力、磁性等因素。

（2） 保證入槽時(shí)工件表面的清潔度等表面狀態(tài)符合要求。

（3） 按工件的材料牌號(hào)、幾何形狀的復(fù)雜程度、硬鉻鍍層要求的厚度來確定鍍硬鉻操作工藝（預(yù)熱、陽極處理、階梯式給電、大電流沖擊）。

（4） 加強(qiáng)鍍硬鉻液的維護(hù)與管理。鍍液的雜質(zhì)要控制在工藝范圍之內(nèi)，盡量將因雜質(zhì)過高而影響結(jié)合力的問題消除在萌芽狀態(tài)中。

（5） 根據(jù)鋼材的抗拉強(qiáng)度做好鍍硬鉻后的除氫工藝。