橡胶模具化学镀镍磷合金替代镀铬的应用研究

李成龙 曲晓东 张起富 李文胜/大连长丰实业总公司

0 引言

橡胶模具制造和修理时，曾出现复杂模具镀铬厚度不均匀、深孔或凹槽镀层尺寸不达标甚至无镀层的情况。传统镀铬通过象形阳极和工装设计，基本可以满足生产要求，但诸如前处理准备复杂、周期较长、厚度均匀性仍需依靠抛光来保证等问题无法避免，目前还没有明确的替代应用方法。

通过查阅电镀技术资料、科技论著等文献发现，化学镀镍磷合金（含磷7%～15%，简称化学镀镍）热处理后具有较高的硬度、结合强度、耐磨性和抗腐蚀性，可以抛光，镀层均匀，在工程塑料、陶瓷加工等领域可以替代镀铬，已开展应用。为此，本文对模具硫化所需的镀层特性进行深入的应用对比分析。

1 镀层特性检测分析

橡胶模具硫化时，作为模具的底层，镀层必须具有较高的耐磨性和硬度，以保证多次硫化时模具不被损伤，并持续提供较低的粗糙度值。所以，镀层的显微硬度值及摩擦系数是两个重要的指标。

1.1 镀层硬度分析

选用三组45#钢试片，分别进行镀铬、化学镀镍、厚度为30 ～40μm 的化学镀镍+温度为300℃的热处理，显微硬度的对比数值见表1。按照镀硬铬的工艺要求，硬铬的显微硬度不应低于700HV。从表1 看出，化学镀镍后显微硬度不低于400HV，化学镀镍热处理后显微硬度不低于700HV，热处理后的硬度值与铬层接近。部分文献采取450℃的热处理温度，硬度值更高于普通镀铬（约1000HV）。

1.2 镀层耐磨性分析

相关资料表明，化学镀镍的摩擦系数较小，在润滑条件下，化学镀镍层相对钢的摩擦因素约为0.13，在非润滑条件下，干摩擦系数约为0.4。由于含有磷元素，镍磷合金镀层提供了自然的平滑性，摩擦性能与硬铬层类似，可以满足抛光的粗糙度要求。同时，磷含量和热处理温度的轻微变化对镀层的摩擦性能影响不大，从原理上可以满足硫化加工要求。

对镀层的磨损体积和摩擦系数进行测试分析。利用磨粒磨损试验机，选取转速100rpm、磨损时间10min，在不同载荷（1N、2N、3N、4N）条件下确定热处理后的化学镀镍与硬铬层、基体模具钢的耐磨性。磨损体积的计算公式为V=πa4/64R，其中V 为磨损体积（mm3），a 为磨斑直径（mm），R 为磨球的半径（mm）。

表1 化学镀镍与镀铬的硬度值对比（HV）

从图1 可以看出，不同载荷下，基体磨损体积远高于镀层磨损体积，但是硬铬和镍磷合金并无较大差别。

在转速100rpm、载荷3N 的摩擦条件下，对热处理后的化学镀镍与硬铬层、基体模具钢进行干摩擦的摩擦系数的测定。图2 为三者的摩擦系数对比，无镀层的基体模具钢摩擦系数在0.8 ～1.0间波动，硬铬和镍磷合金的摩擦系数随时间不断增加，变化趋势较为接近。

从上述分析可以得出，硬铬和镍磷合金的耐磨性无较大差别，可以满足抛光要求，提供较高的镀层光洁度。由于镍磷合金与硬铬一样具有较高的硬度值和较低的摩擦系数，在工艺原理上可以满足橡胶硫化过程的压胶、脱模，不会出现粘膜、划伤等缺陷。

2 硫化应用检测分析

按照与镀铬相同的《橡胶模压件制造》工艺方法进行生产，选择6 种模具、10 种胶料开展化学镀镍橡胶硫化试验，检测镀层分散能力、镀层高温防粘性、多次抛光后粗糙度变化、硫化次数以及橡胶硫化性能，分析化学镀镍的实际应用性能。具体硫化试验参数及结果见表2。

2.1 高温防粘性及硫化次数分析

通过试验得出，胶圈（大）、胶圈（中）使用的45°单式模具，分别累计硫化56次和85 次，波纹管模具硫化35 次，不同模具硫化均未出现粘胶现象，仍可继续使用，说明模具的化学镀镍层在硫化高温下仍保持自然的平滑性，具有满足的硫化高温防粘性。

上述模具在化学镀镍后，均在未进行热处理的状态下较好地完成了硫化，说明硬度状态并不是硫化需要的关键因素，热处理可以进一步提升使用性能，但增加了工序。并且，实际生产是通过常用的硫酸、丙三醇的阳极电解方式退镀，多个模具重复2 次及以上的退镀未出现腐蚀情况，生产质量过程可控。

图1 三种材料的磨损体积

图2 三种材料的摩擦系数

表2 化学镀镍模具的硫化试验结果

2.2 粗糙度变化分析

采用目视、粗糙度对比试块进行检查，模具硫化前后模腔粗糙度均不超过Ra1.6μm。根据胶件的不同用途，Ⅰ类活动密封胶件模腔粗糙度可达到Ra0.2μm，其他用途的橡胶零件模腔粗糙度达到Ra0.4μm ～Ra1.6μm。说明模具镀覆前若粗糙度符合工艺要求，化学镀镍后不会影响粗糙度，简单的抛光甚至在不抛光条件下即可满足硫化要求。实际生产中，按照表2 进行了多次硫化和不同程度的压胶后抛光，化学镀镍层仍可保证光亮性、防粘性和结合力。

2.3 橡胶件性能分析

按照橡胶件技术要求，开展化学镀镍模具硫化后的性能检测，从表3 中可以看出，胶圈（大）和胶圈（中）的拉伸强度、扯断伸长率、RP-3 煤油抗介质溶胀质量变化率以及HH-20 滑油质量变化率均满足技术条件要求。

2.4 镀层分散能力分析

实际生产制造、修理中，必须为模具提供良好、可行的表面处理工艺方法，镀层分散能力是关键指标。利用X 射线测厚仪对模具的平面位置、深槽位置进行厚度检测。按电镀3 ～8μm 的厚度要求，对45°单式胶模和波纹管模具进行镀铬及化学镀镍，分别进行平面位置、深槽位置（15mm 和25mm）的厚度检测对比，每项测试5 个点，取平均值，如表4、表5所示。从中可以看出，化学镀镍厚度均匀性明显高于镀铬，且深孔零件直接镀铬无法保证厚度。实际生产时，要对带内腔的模具设计工装、象形阳极，并增大电流冲击才能将镀铬厚度控制在5 ～20μm，再对相对粗糙的位置进行抛光，最终满足工艺要求，工序相对复杂。

3 综合对比分析

对模具化学镀镍和镀铬进行综合性能对比和应用分析，如表6 所示。化学镀镍可以胜任橡胶硫化的防护过程，因无需制作工装和阳极而操作相对简单，可以缩短生产周期，并能替代分散能力差的镀铬工序解决厚度不均匀问题，为无法制作阳极或制作十分困难的产品提供修理经验。另外，由于化学镀镍相对镀铬孔隙少，更致密，理论上有更高的耐蚀性，使模具的防腐性更好，更适合于不同条件下的存放。

表3 丁腈橡胶5860橡胶件性能检测

表4 波纹管模具

表5 45º单式胶模

表6 综合比较及应用分析

4 结论

1）化学镀镍在硬度、耐磨性、高温防粘性、粗糙度以及硫化次数等方面不低于铬层，尤其是与镀铬一样有较低的摩擦系数，硫化过程中脱模顺畅，可避免高温粘黏，使用性能满足 要求。

2）化学镀镍无需制作工装和象形阳极，操作简单，且镀层质量优于镀铬层，完全可保证模具各个位置都得到均匀镀层，应用于实际生产可提升合格率和生产效率。

3）模具化学镀镍后的橡胶件的拉伸强度、扯断伸长率、抗介质溶胀质量变化率等性能均满足要求。

综上，针对波纹管、连接管等复杂形状模具（带深孔或凹槽），可以利用化学镀镍合金替代镀铬层。