徐鶴 ( 德馬格塑料機(jī)械(寧波)有限公司，浙江 寧波 315800)
鉻是帶青光的銀白色金屬。鍍鉻層是一種高硬度、 高耐磨性的鍍層，它具有較好的耐熱性及良好的化學(xué) 穩(wěn)定性。鍍鉻根據(jù)工藝要求不同有以下幾種 :裝飾性 鍍鉻、滾鍍鉻、鍍硬鉻、黑鉻鍍層、鍍?nèi)榘足t等。
由于鍍鉻層的良好性能，它在工業(yè)上獲得了廣泛 應(yīng)用。一臺(tái)注塑機(jī)由上千個(gè)零件組裝而成，其中采用 鍍鉻零件有拉桿、活塞桿、導(dǎo)向桿、螺桿、頂出桿等。 根據(jù)工況要求，注塑機(jī)上的油缸活塞桿都需要鍍硬鉻 處理。以下以直壓式液壓注塑機(jī)的鎖模活塞桿為例來(lái) 具體說(shuō)明油缸活塞桿的鍍硬鉻工藝。
1 鍍鉻工藝分析
1.1 鍍鉻零件圖紙分析
圖 1 是該活塞桿的尺寸簡(jiǎn)圖，從簡(jiǎn)圖上可以看出， 該活塞桿材料要求為 45# 鋼調(diào)質(zhì)，Ф120 f7(-0.036/- 0.071)段需鍍鉻處理，其表面粗糙度為 Ra1.6，長(zhǎng)度為 530 mm，鍍鉻厚度要求 0.02~0.04 mm。同時(shí)，鍍鉻 段有較高的尺寸要求(f7)和形狀公差要求(圓柱度 0.02)，表面還需淬火處理。
1.2 鍍鉻前處理
1.2.1 鍍鉻前表面淬火
根據(jù)圖紙要求，該活塞桿鍍鉻表面需要表面淬火 處理。表面淬火是為了讓金屬硬度形成階梯狀，芯部 軟，越往表面越硬，這樣鍍層的附著力，性能會(huì)很好; 而且表面淬火能提高工件的表面硬度，這樣磨出來(lái)的 表面更光亮，粗糙度會(huì)低，會(huì)有更好的電鍍效果。
表面淬火是將工件放入感應(yīng)器中，是工件表面產(chǎn) 生感應(yīng)電流，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱到淬火溫度后，立 即噴水冷卻，使工件表層淬火，從而獲得非常細(xì)小的 針狀馬氏體組織。根據(jù)電流頻率不同，表面淬火分為 高頻淬火、中頻淬火和工頻淬火。一般零件淬透層深 度在半徑的 1/10 左右時(shí)可得到強(qiáng)度、耐疲勞性及韌性 的最好配合，結(jié)合表 1 及實(shí)際生產(chǎn)情況，該零件基材 采用電流頻率為 1~10 kHz 的中頻感應(yīng)淬火，其淬透 層深度為 3~5 mm，淬火后表面硬度為 50±5 HRC。 中頻淬火后，需要將零件冷卻至常溫，使零件內(nèi)部應(yīng) 力得到釋放。
圖 1 活塞桿尺寸簡(jiǎn)圖
生感應(yīng)電流，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱到淬火溫度后，立 即噴水冷卻，使工件表層淬火，從而獲得非常細(xì)小的 針狀馬氏體組織。根據(jù)電流頻率不同，表面淬火分為 高頻淬火、中頻淬火和工頻淬火。一般零件淬透層深 度在半徑的 1/10 左右時(shí)可得到強(qiáng)度、耐疲勞性及韌性 的最好配合，結(jié)合表 1 及實(shí)際生產(chǎn)情況，該零件基材 采用電流頻率為 1~10 kHz 的中頻感應(yīng)淬火，其淬透 層深度為 3~5 mm，淬火后表面硬度為 50±5 HRC。 中頻淬火后，需要將零件冷卻至常溫，使零件內(nèi)部應(yīng) 力得到釋放。
1.2.2 鍍鉻前打磨拋光處理
在中頻淬火工序完成后，對(duì)該零件基材進(jìn)行車(chē)削、半精磨和精磨處理，鍍鉻段外徑尺寸達(dá)到 Ф120 (-0.111/-0.116), 此外還需要拋光處理，以達(dá)到圖紙要求的粗糙度要求。一般來(lái)說(shuō)，采用顆粒較細(xì)的砂 帶或砂輪(如 400# 或 600#)進(jìn)行拋光處理。拋光后 使零件表面粗糙度 (Ra) 在 1.6 um 內(nèi)，同時(shí)清除零件表 面明顯的毛刺、氧化皮等缺陷。
根據(jù)零件使用工況，對(duì)該活塞桿鍍鉻處理后對(duì)它 的耐磨性要求較高。對(duì)零件拋光后表面微觀形狀進(jìn)行 分析，當(dāng)對(duì)給定水平位置 c 輪廓實(shí)體材料長(zhǎng)度 Ml(c) 如圖 2(a) 所示時(shí)，鍍鉻后的耐磨性較好。
圖 2 活塞桿拋光后表面微觀形狀
1.3 鍍鉻處理
1.3.1 鉻酐濃度的選擇與測(cè)定
鉻酐 (CrO3) 是鍍鉻液的主要成分之一，其濃度可在很大范圍(50~600 g/L)內(nèi)變化。然而，鉻酐濃 度的高低對(duì)鍍鉻液性能和鍍層性質(zhì)有較大的影響。根 據(jù)鉻酐濃度的不同，可分為高濃度(350~500 g/L)、 中濃度(150~250 g/L)和低濃度(50~150 g/L)鍍 鉻液。
在不同工藝條件下鉻酐濃度不同的鍍鉻液的電流 效率和分散能力也不同。隨著鉻酐的質(zhì)量濃度的增加， 鍍液的電導(dǎo)率和覆蓋能力均有所提高，但電流效率降 低，分散能力也稍有降低。圖 3 為鉻酐的質(zhì)量濃度對(duì) 電流效率的影響。由圖 3 可知 :當(dāng)鉻酐的質(zhì)量濃度大 于 300 g/L 時(shí)，電流效率的下降趨勢(shì)明顯 ;當(dāng)鉻酐的 質(zhì)量濃度小于 150 g/L 時(shí)，電流效率大于 22%，但較 低的鉻酐的質(zhì)量濃度會(huì)導(dǎo)致電鍍槽電壓升高，大大增 加鍍液對(duì)雜質(zhì)離子(如 Fe3+)的敏感性，直接影響鍍 液的穩(wěn)定性，同時(shí)鍍液的覆蓋能力也變得很差。而且， 在 CrO3/SO42- 恒定的條件下，雖鉻酐濃度增加，鍍鉻 層硬度有一定程度的減少。所以，采用較稀的鍍液， 能獲取較硬的鉻層，從而增加鉻層的耐磨性。
結(jié) 合 實(shí) 際 經(jīng) 驗(yàn)， 該 活 塞 桿 采 用 鉻 酐 濃 度 在 220~250 g/L 范圍的電鍍液。采用這個(gè)范圍的電鍍液， 電流效率能達(dá)到 20% 左右，且變化緩慢，易于控制。
圖 3 鉻酐的質(zhì)量濃度對(duì)電流效率的影響
表 2 20°C電鍍液鉻酐濃度、密度、波美度換算
在實(shí)際生產(chǎn)中，常通過(guò)量波美度來(lái)了解電鍍液中 鍍鉻槽中鉻酐的含量。取電鍍槽中一定量的電鍍液， 冷卻至 20°C，用婆梅氏比重計(jì)(波美度比重計(jì))測(cè)量 其波美度，然后通過(guò)表 2 換算出鉻酐的含量。根據(jù)實(shí) 際經(jīng)驗(yàn)，鉻酐含量與波美度存在一定的線性關(guān)系，因 此能判斷出電鍍液中鉻酐含量是否符合要求。
1.3.2 硫酸含量的選擇 硫酸是鍍鉻液的催化劑，其質(zhì)量濃度對(duì)鍍層質(zhì)量
影響很大。當(dāng)硫酸含量過(guò)低時(shí)，得不到鍍層或得到的 鍍層很少，主要是棕色氧化物。若硫酸過(guò)量時(shí)，會(huì)造 成覆蓋能力差、電流效率下降，并可能導(dǎo)致局部或全 部沒(méi)有鍍層。在確定了鉻酐的質(zhì)量濃度的基礎(chǔ)上，探 索合理的鉻酐與硫酸的質(zhì)量濃度比。圖 4 為鉻酐與硫 酸的質(zhì)量濃度比對(duì)電流效率的影響。從圖中可知，當(dāng) CrO3/SO42- 為 100:1 時(shí)，電流效率最高，且鍍層外觀 質(zhì)量和性能均較好 ;當(dāng) CrO3/SO42- 小于或等于 50:1 時(shí)，由于催化劑含量偏高，使陰極膠體膜的溶解速度 大于生成速度，陰極電位也達(dá)不到鉻的析出電位，導(dǎo) 致局部、乃至全部沒(méi)有鉻的沉積，鍍液的電流效率降 低，分散能力明顯惡化 ;當(dāng) CrO3/SO42- 大于 100:1 時(shí)， SO42- 含量不足，鍍層的光亮性和鍍液的電流效率降 低，得到的鍍層不均勻，有時(shí)發(fā)花，特別是凹處還可 能露出基體金屬。
結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及生產(chǎn)廠家實(shí)際能力，在對(duì)該活 塞桿電鍍時(shí)，選取 CrO3/SO42- 為 80:1~100:1。
1.3.3 溫度及陰極電流密度的選擇
在鍍鉻過(guò)程中陰極電流密度與溫度之間存在著相互依賴(lài)的關(guān)系。當(dāng)電流密度不變時(shí)，電流效率隨溫度 升高而下降 ;若溫度固定，則電流效率隨電流密度的 增大而增加。因此鍍硬鉻時(shí)，在滿(mǎn)足鍍層性能的前提 下，通常采用較低的溫度和較高的陰極電流密度，以 獲得較高的鍍層沉積速度。溫度一定時(shí)，隨電流密度 增加，鍍液的分散能力稍有改善;相反，電流密度不變， 鍍液的分散能力隨鍍液溫度升高而有一定程度的減小。
圖 4 CrO3/SO42- 對(duì)電流效率的影響
實(shí) 際 生 產(chǎn) 上 一 般 采 用 溫 度 為 50~60 °C( 常 用 55°C)和 30~45 A/dm2(常用 45 A/dm2)的陰極電流 密度。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)得知，設(shè)置溫度在 55°C，陰極電流 密度在 45 A/dm2 時(shí)，能獲得較高耐磨性的鍍鉻層。工 藝條件一經(jīng)確定，在整個(gè)過(guò)程中，盡可能保持工藝條 件的恒定，特別是溫度，變化不要超過(guò) ±1°C。
1.3.4 鉻霧的抑制
鍍鉻過(guò)程中，由于使用不溶性陽(yáng)極，陰極電流效 率又很低，致使大量氫氣和氧氣析出，當(dāng)氣體逸出液 面時(shí)，帶有大量的鉻酸，形成鉻霧造成嚴(yán)重的污染。 目前抑制鉻霧的方法有兩種。
(1)浮體法 :將泡沫或塑料球或碎塊放
入電鍍液的液面上(如圖 5 所示)，這些浮體可阻滯鉻霧的逸出。但零件出槽時(shí)，操作不方便。另外， 鉻酸氧化能力很強(qiáng)，對(duì)加入的碎塊有浸蝕作用，使分 解產(chǎn)物在鍍液中積累，也會(huì)影響鍍層質(zhì)量。
圖 5 浮體法除鉻霧
(2)加入鉻霧抑制劑 :鉻霧抑制劑是一 種表面活性劑，能降低鍍液的表面張力，產(chǎn)生穩(wěn) 定的泡沫層，覆蓋在鍍液表面。目前，最常用的是 F-53
和 F-95 兩種鉻霧抑制劑。 1.4 電鍍后處理 1.4.1 鍍后除氫處理
由于鍍鉻的電流效率低，在陰極上大量析出氫氣， 對(duì)于該活塞桿，應(yīng)在電鍍完后保持 180~200°C的溫度， 除氫 3 h，以避免發(fā)生氫脆。
1.4.2 鍍后拋光處理
按照上述工藝完成電鍍后，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，活塞桿 表面的粗糙度(Ra)一般控制在 1.6±1 um。為保證 最終活塞桿的鉻鍍層厚度均勻及粗糙度要求，電鍍完 成后還需要進(jìn)行拋光處理。目前使用的方法是用 600# 或 600# 以上較細(xì)顆粒的砂帶或砂輪來(lái)回拋光 1~2 次， 使其表面粗糙度(Ra)小于 1.6 um，同時(shí)控制因拋光 減少的鉻鍍層厚度在 0.005 mm 以?xún)?nèi)。
圖 6 鍍鉻后拋光
2 鍍鉻質(zhì)量檢測(cè)
2.1 鍍鉻層厚度檢測(cè)
活塞桿電鍍后可用鍍層測(cè)厚儀直接在成品上檢 測(cè)，測(cè)厚儀讀出值即為被測(cè)處實(shí)際鍍鉻層厚度。根據(jù) 圖紙要求，鍍層厚度要求控制在 0.02~0.04 mm 內(nèi)。
2.2 鍍鉻層硬度檢測(cè)
一般來(lái)說(shuō)，鍍鉻層的硬度在 HV800~1 000 內(nèi)。 截取一段電鍍后成品式樣，根據(jù) GB 9790—1988，用 維氏硬度計(jì)測(cè)量表面鉻層硬度，試驗(yàn)力為 0.2 kgf。
圖 7 鍍鉻層硬度測(cè)量
2.3 鍍層結(jié)合力檢測(cè)
割下一段成品式樣，根據(jù) GB5270—2005，用挫 刀法測(cè)試鍍層結(jié)合力。將它固定在臺(tái)虎鉗上，用粗的 研磨挫沿從基體金屬到覆蓋層的方向，與鍍層表面約 45° 夾角進(jìn)行銼削，鍍層應(yīng)無(wú)起皮脫落。
2.4 鍍層耐腐蝕性檢測(cè)
該零件耐腐蝕性主要通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)(NSS) 測(cè)定。取式樣在鹽霧箱連續(xù)噴霧 48 h 后取出，根據(jù) GB10125—2012 進(jìn)行評(píng)級(jí)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文以注塑機(jī)活塞桿為例介紹了鍍硬鉻工藝過(guò)程及質(zhì)量檢測(cè)方法。由于注塑機(jī)上鍍硬鉻零件應(yīng)用十分普 遍，其他鍍硬鉻零件電鍍及檢測(cè)工藝可以此作為參考。
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