异形零件表面多镀种工艺技术研究

刘群*，付明，杜楠

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471003）

随着空军装备的跨越式发展，在产品的制造过程中，某些零部件由于功能上的需求，需要在同一零件的不同部位进行2 种或以上的表面处理。如某型号发射装置上的液压缸外筒(见图1)，其内腔直径75 mm处要求镀硬铬10～15 μm，内腔其余部分要求发蓝，所有外表面要求镀镉8～12 μm，零件多处连接部位和内槽也需要进行发蓝。

由于该零件的表面处理涉及多个不同镀种，因此加工起来工步复杂、难度较大，且容易产生质量问题。加工时需要解决的主要问题是，如何避免在进行下道工序时上道工序的镀层被破坏而导致返工。另外，由于零件内孔较深，镀铬区长度约290 mm，如何保证深孔镀硬铬的质量也比较棘手。

图1 某液压缸外筒的多镀种加工示意图Figure 1 Schematic diagram showing multiple plating process for outer tank of a hydraulic cylinder

因此，此类在同一零件上进行多种表面处理的加工，首先要根据镀层的性能和保护的难易程度来确定处理顺序，再认真设计各工序的绝缘保护工装和装挂工装。

1 难点分析

1.1 各镀种之间的冲突

由于此零件需要进行镀铬、镀镉和发蓝3 种表面处理，为避免在加工下一个镀种时将上一镀层破坏，需结合各镀层的特点和加工难点，从整体上考虑加工时保护的难易程度，以便合理安排3 个镀种的加工顺序。

1.1.1 各镀种的特点及难点

1.1.1.1 镀铬

铬是一种微带天蓝色的银白色金属。铬层在大气中能快速钝化，在其表面形成一层致密的氧化层；能耐许多化学介质腐蚀，在多种环境中具有优良的耐蚀性，而且硬度高(维氏硬度可达800～1 100 HV)和耐磨性好。因此，铬常作为防护–装饰性镀层和功能性镀层而被广泛使用。

目前所使用的镀铬工艺是以铬酸为基础、硫酸作催化剂的槽液，二者的体积比为100∶1，溶液呈酸性。工艺流程为：电解除油─装挂、保护─硫酸活化─镀铬─除氢。

由于电镀铬槽液具有分散能力较差、阴极电流效率很低、阴极电流密度较高等特点，故镀铬用挂具有较严格的特殊要求。为获得均匀的镀铬层，对于一些形状复杂的零件，常常需要使用带有辅助阳极和保护阴极的挂具，用以弥补镀铬电解液分散能力不好的缺点。镀铬电流效率低，电镀时有大量气体析出，这就要求挂具和工件的悬挂位置应利于气体的逸出，防止因气体滞留造成镀层不连续、麻坑或波纹等缺陷。由于电流效率低，镀铬时要使用较高的电流密度，这就要求镀铬挂具要有足够的截面能够承受大电压，并且要求工件、挂具与极杠间均必须紧密接触。

1.1.1.2 镀镉

镉是灰色有光泽的软质金属，可塑性好，易于锻造和辗压。镉层耐碱，不耐硝酸，在稀硫酸和稀盐酸中溶解很慢。在海洋和高温大气环境中，镉镀层属阳极性镀层，其耐蚀性较好，尤其是钝化后的镉镀层，可耐盐雾试验360 h，故航空工业中的零件大多使用镀镉作为防护层。

目前采用的是氰化物镀镉，镀液的主要成分是氧化镉和氰化钠，溶液呈碱性。工艺流程为：电解除油─装挂─盐酸酸洗─镀镉─除氢─活化─钝化。

为了提高镉镀层的耐蚀性，一般镀镉后要进行钝化处理，使其表面生成一层化学稳定性较高的铬酸盐膜。目前使用的是彩色钝化，一般在除氢后进行。由于高温下镉层表面会形成一层氧化膜，因此在钝化前需要先在硫酸中活化。活化和钝化槽液均呈酸性。

1.1.1.3 发蓝

发蓝是将钢在空气中加热或直接浸于浓氧化性溶液中，使其表面生成一层极薄的氧化膜。钢铁零件的发蓝可在亚硝酸钠和硝酸钠的熔融盐中进行，也可在高温热空气及500°C 以上的热蒸汽中进行。发蓝的溶液成分、处理温度和处理时间依零件材料不同而变化。发蓝膜的成分为磁性氧化铁，厚度为0.5～1.5 μm，颜色与材料成分和工艺条件有关。单独的发蓝膜抗腐蚀性较差，但经皂化、封闭或浸油后，抗蚀性和抗摩擦性都有所改善。

目前使用的是传统的碱性高温发蓝。槽液的主要成分是氢氧化钠和亚硝酸钠，溶液呈碱性。工艺流程为：电解除油─装挂─盐酸酸洗─发蓝─除氢─封闭─浸油。

发蓝的温度范围较宽，在135～155°C 区间都可得到不错的表面，只是所需时间不同而已。加工过程中需要注意的是，工件发蓝前除锈和除油的质量，以及发蓝后的封闭浸油。

1.1.2 各镀种之间的矛盾点

根据上述的介绍，结合3 种镀层的加工工艺流程，总结3 种镀层各自的特点、难点，列于表1。

表1 不同镀种的特点和工艺难点Figure 1 Features and operation difficulties of different plating processes

由于电镀的先后顺序关系着各镀层的加工质量，而顺序的安排一般主要考虑镀层性质和镀层加工的难易程度。

考虑到此零件是内腔局部镀铬，加工时需要加装特定的内阳极，故加工难度最大。根据加工的难易程度，应最先加工镀铬层。由于镀铬层不耐盐酸，而另外两种镀层前处理都有盐酸酸洗工步，故加工其余镀种时应进行保护或者不进行酸洗。整个外圆要求镀镉，镉层在高温发蓝溶液中会被腐蚀，且由于外圆面积大，保护难度较大，稍有不慎就会破坏表面镀镉层；而发蓝部位是连接孔和内腔未镀铬处，因为是孔，保护起来比较容易。考虑到保护的难易程度，将发蓝放在镀铬后进行，镀镉层放在最后加工。总的工艺顺序就是：镀铬─发蓝─镀镉。

1.2 工装设计

该零件内腔局部镀硬铬需制作专用夹具装挂。制作时选用大小合适的不溶性阳极，且要保证阳极与内孔同心，以减少镀层的椭圆度；阳极长短要适当，保证排气畅通和镀液能顺利流过，阴阳极之间的绝缘要可靠。不需镀铬的部位要进行绝缘保护，选取的保护材料要能耐酸碱、耐高温，易剥离、易操作。

镀镉和除完氢钝化时都需要将发蓝膜和镀铬层保护起来，故制作保护工装选用的材料要耐酸碱，容易拆卸，不污染槽液。由于发蓝膜不耐磨，因此制作工装的材料要有一定的弹性，但变形量又不能太大。

2 试验及讨论

2.1 工艺流程的确定

根据以上分析结果，初步确定该零件表面处理的工艺流程为：来件验收─电解除油─装挂、保护─硫酸活化─镀铬─除氢─研磨─电解除油─发蓝─封闭─保护─电解除油─盐酸酸洗─镀镉─除氢─保护─钝化─检验。

该零件内腔镀硬铬要求厚度为10～15 μm，由于是局部镀铬，且是内腔深孔镀铬，故镀层厚度的均匀性很难保证，为了保证镀层的厚度在整个内腔表面能够均匀一致，在与设计沟通后，明确图纸上规定的镀铬层厚度仅作为参考值，在镀铬后增加研磨工步，用机加工的方法达到镀后尺寸，以此来控制零件的圆度和镀层的均匀性。

发蓝时考虑到镀铬层耐碱，故未进行保护，但由于盐酸会腐蚀镀铬层，因此取消了前处理的盐酸酸洗；发蓝后由于后续还有镀镉工步，因此发蓝后的浸油工步也取消了。

2.2 夹具及保护工装制作

根据1.2 对内阳极和保护工装的要求，制作了如图2 所示的镀铬内阳极。选取直径8 mm 的铅棒，将铅棒、铜丝和固定挂钩用绝缘胶带固定在一起，固定时应确保铅棒在2 个挂钩中间。铜丝钩起导电作用。固定挂钩有两个作用，一是固定零件，二是确保零件内孔和内阳极同心。装挂好的零件如图3 所示。

图2 镀铬内阳极Figure 2 Inner anode for chromium plating

不需要镀铬的部位，包括孔口的螺纹处和底部的连接孔，采用进口绝缘漆保护。均匀地将绝缘漆涂抹3 遍，以确保保护的完整性。此方法操作简单，去保护时仅需置于丙酮溶液中浸泡。保护好的零件如图4 所示。

图3 装挂好的待镀零件Figure 3 Hanged parts to be plated

图4 用绝缘漆保护的零件Figure 4 Part protected by insulating paint

对于镀镉时的保护工装，大的螺纹孔、连接孔选择了橡胶塞，橡胶耐酸碱，且有弹性，在进行保护时不会损伤发蓝膜，且便于装卸；剩下一个孔口直径3 mm的螺纹孔本打算用相同尺寸的氟塑料螺钉进行保护，但由于制作需要时间，而零件的加工节点紧，便试着用缠有生胶带的螺钉来替代。装保护的过程相对复杂一些：先将底部和侧面的连接孔用橡胶塞塞紧，再把孔口直径3 mm 的螺纹孔保护好，然后在内腔注入4/5纯水。最后用橡胶塞堵塞孔口，注入清水的目的是当微量酸液渗入内腔后，酸液可被水稀释而减少对铬层和发蓝膜的腐蚀。

2.3 镀镉后除氢方法的确定

镀镉后的除氢一般在烘箱中进行，但由于该零件局部还有发蓝膜，故理论上除氢应该在油槽中进行。但由于生产条件有限，生产现场没有油槽，也没有适合除氢的油，唯一可行的只有烘箱除氢。从机理上分析，发蓝膜的成分为氧化铁，在(190 ± 10)°C 的烘箱中，热空气和钢铁表面发生反应，生成的也是氧化铁，因此，烘箱除氢在理论上应该对发蓝膜的质量无影响。为了验证这一假设，进行了如下工艺试验。

加工3 个与零件同材料的试片，尺寸为50 mm ×100 mm × (1～2)mm。将3 个试片按正常发蓝工艺处理后，取其中2 个放入烘箱，温度为(190 ± 10)°C，时间为18 h，此温度和时间与镀镉后除氢的温度和时间一致。到时间后取出试片，与未除氢试样进行对比，按工艺规范考察膜层外观和膜层耐蚀性。

在自然光下目视，对比除氢前后的试样外观发现，除氢前后的膜层外观无差异，对比照片见图5a(A 为未除氢试样)。

耐蚀性：在15～20°C 下，将试片浸入3%(质量分数)的硫酸铜溶液中，保持20 s 后，取出检查膜层。试验后发现，除氢前后的膜层均完好，表面无接触铜存在。对比照片见图5b。

图5 除氢前后试片的外观和耐蚀性Figure 5 Appearance and corrosion resistance of the sample before and after hydrogen exhaustion

2.4 试加工及存在的问题

按照以上工艺流程，先试加工了一件零件以验证工艺的可行性。加工后的零件主要存在以下几个问题：

(1)内腔上下端的镀铬层厚度差异较大，上端电流集中的部位较厚，下端小电流密度区的镀层厚度则刚刚达到规定值。

(2)内腔保护部位有铬层，尤其是螺纹部位，本不应该有铬层，却镀上了一部分。

(3)外圆有铬层，这给后序的发蓝工步带来了极大的不便，且直接影响到镀镉层的质量，外圆有铬层，发蓝前又不能进行酸洗，故外圆几乎没有发蓝膜，若铬层不清理干净，镀镉时就会起皮、起泡，严重影响镉层质量，因此外圆有没有发蓝膜是检验铬层是否去除干净的标准之一。

(4)镀镉时，保护的橡胶塞在热水和冷水的交替作用下，由于热胀冷缩，自行掉落了一个，导致一个连接孔的发蓝膜不完整。

(5)镀铬结束后发现内阳极已被熔断。

试加工暴露出来的问题，表明上述工艺流程还不够完善，还有很多地方需要改进。

3 工艺方法改进及固化

根据以上试加工呈现出来的问题，一一分析了可能的原因：

(1)由于孔口的螺纹处是保护起来的，而该部分内阳极保护的长度不够，导致过多的电流集中在镀铬区的上端，最终使镀铬区上下两端的厚度差异较大。

(2)内腔非镀铬区有铬层是因为保护漆在电镀过程中存在鼓起，而鼓起的原因是前处理清洗不干净和结合力不好。

(3)由于外圆不镀铬，故在电镀时已将镀槽里的阳极全部取出，只剩下内腔的内阳极，由于镀铬的分散能力差，因此理论上外圆是不会有铬层的。造成这现象的可能原因是未受保护的内阳极暴露在槽液中使其外表面闪镀上了一层薄铬层。

(4)试加工证明用橡胶塞保护发蓝膜是可行的，但尚需改进橡胶塞的形状，以确保塞子在加工过程中不会脱落。

(5)内阳极熔断是因为内阳极直径偏小，承受不了所需的电流。

3.1 工艺改进

改进后的工艺流程为：来件验收─电解除油─装挂、保护─硫酸活化─镀铬─除氢─研磨─电解除油─酸洗─发蓝─封闭─保护─电解除油─酸洗─镀镉─除氢─保护─钝化─检验。新工艺在发蓝前增加了酸洗，目的是活化零件表面，以获得质量较好的发蓝膜。因为内腔有铬层，所以在进行酸洗时不能将整个零件浸泡在酸液中，而是用浸过酸液的抹布擦洗零件外表面和需要发蓝的部位。一定要注意这个工步不能让酸液接触到镀铬层。镀铬前还要加强清洗，保证保护漆的结合力。

镀铬工装的改进：加粗内阳极，并将内阳极上端不需要镀铬的部位用绝缘胶带保护，长度要略低于镀铬区；电镀时要降低电流密度，延长电镀时间，以防止内阳极再次熔断；增加外圆的绝缘保护，用绝缘袋将外表面紧紧包扎。另外，在螺纹处增加了新的仿形夹具，仿形夹具的制作材料为钢，起保护阴极的作用：一来可以吸收螺纹附近的电流，再次保证螺纹处无镀层，二来可以吸收上端部分的电流，保证内腔上下端镀层厚度一致。安装夹具时，先在螺纹处非镀铬区加装仿形夹具，再在内腔加装内阳极。

橡胶塞的改进：将原有的圆柱形橡胶塞加工成圆锥形。增加一定的锥度以便使塞子塞得更紧、更牢。

3.2 工艺固化

用改进的工艺和工装加工了2 个零件，加工过程中再无出现前述问题，表明改进后的工艺和工装适用于该零件，用此工艺加工出的零件质量合格，可满足使用要求。

4 应用

用上述固化后的工艺对某型号的液压缸内筒进行加工，产品合格，加工后的零件如图6 所示。

5 结语

类似这种异形零件表面多镀种的复杂表面处理，首先要分析各镀种的难点和特点，并合理安排表面处理的先后顺序，这是重中之重，直接关系到零件的加工成败。在处理过程中，还要根据各镀种的特点制作专用的工装夹具，这些都直接影响零件的加工质量，尤其是电镀铬，工装的适用性直接关系到铬层质量的好坏。将所有这些考虑周全后，不管多复杂的零件，多复杂的表面处理，总能找出合适的处理方法，并得到合格的零件。

图6 采用改进工艺加工后的零件Figure 6 Parts treated by improved process