不銹鋼鍍鉻層結合力提升研究

王晴晴，王涌翰，李 濤，蘆業祥

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

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

1 試驗

1.1 材料

試驗材料為1Cr18Ni9Ti 的固溶狀態，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、預鍍鎳等，鉻層目標厚度為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，鍍層的外觀呈帶藍色色調的亮灰色，鍍層均勻、連續。

（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，鑲嵌后對橫斷面進行研磨、拋光和浸蝕，用校正過的標尺測量覆蓋層橫斷面的厚度。厚度根據需要鍍覆。

（3）硬度。按GВ/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》中的方法測試鍍鉻層硬度，將頂部兩相對面具有規定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗力壓入試樣表面，保持規定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。維氏硬度值與試驗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）結合力。按GВ/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學沉積層 附著強度試驗方法評述》中的熱震法、銼刀法測試鍍鉻層的結合力。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不同，結合力差時會出現鍍層與基體剝離現象，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分離。鍍層與基體金屬結合牢固，不起皮、脫落或起泡，方為合格。

（5）孔隙率。按HВ 5041-92《硬鉻、乳白鉻鍍層質量檢驗》中規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)，觀察表面藍色斑點的數量，應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，設備的型號為РS10，粗糙度根據需要確定。

2 結果與分析

2.1 鍍層外觀

鍍鉻層外觀如圖1 所示，外觀呈帶藍色色調的亮灰色，鍍層均勻、細密。從圖中可以看出經吹砂處理的3 號試樣和預鍍鎳的7 號試樣相較于其他試樣表面亮度稍暗，經過拋光的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。從圖2 和表2 可以看出，各試樣鍍層厚度均達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增加。根據電流密度、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是鉻的電化學當量，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，經過吹砂的和預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

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 鍍層的結合力

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

（2）銼刀法。圖4 所示為銼刀法試驗后的表面狀態，其中，5 號和7 號試樣表面鍍層出現脫落，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，結合力較差，故鍍層出現脫落。7 號試樣的前處理為預鍍鎳，由此可見預鍍鎳不能用于提高鍍鉻層與基體的結合力。

圖4 銼刀法試驗結果

2.5 鍍層的孔隙率

孔隙率測試結果如圖5 所示。從圖中可以看出，各組試樣的表面均未出現藍色斑點，即孔隙率均滿足要求。

圖5 孔隙率測試結果

2.6 鍍層的粗糙度

粗糙度測試結果如表2 所示。未進行處理的試樣基體的粗糙度Ra為0.433 μm，與此對比可以發現，經過吹砂和預鍍鎳的試樣表面粗糙度增加較多，同時從圖1 外觀質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）預鍍鎳不能夠提高鍍鉻層的結合力，增加活化時間可提高鍍鉻層的結合力。