改善硬质电镀铬层特征网纹结构的方法及研究进展

胡 波，闫晓锋

(航空工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)

0 前 言

在众多制造领域中,为防止零部件因摩擦磨损造成失效,常采用电镀硬质铬层以提高耐磨性并广泛工程化应用于航空液压作动,内燃机以及气缸-活塞等产品部件[1,2]。尽管目前超音速喷涂(HVOF)、气相沉积(PVD)以及激光熔覆(CMT)等新型替代技术不断发展应用,但是电镀硬铬因技术稳定成熟、耐磨性好以及成本低等优点,仍在军工行业内大量应用[3-6]。传统镀硬铬由于铬层晶格生长过程中体积缩小的同时会随机形成垂直与基体的网纹微结构[7,8],对于气缸、导轨等产品可以起到储存润滑油以及收集磨屑的作用并有效提升其使用寿命。然而对于作动系统部件来说,铬层网纹结构是导致活塞作动筒气缸内高压气体或液体渗漏的主要原因[9-12],使用滚压或金刚石碾压镀铬层表面, 可使铬层产生一定的塑性变形, 减少表面微裂纹, 在一定程度上减少渗漏的发生[13-15]。另外随着我国海军武器装备部署范围逐渐扩大,面对海洋性酸性气候环境,镀铬层会出现不同程度的锈蚀,原因归结于腐蚀介质(含海水、酸性盐雾)自铬层表面通过网纹通道逐渐进入内部,产生锈蚀导致镀层失效[16,17],封孔剂的选择和使用对提高镀铬层耐蚀性显得尤为重要[18]。本文从如何改善电沉积铬层网纹结构并利用其特征在实际工程中取得的应用效果出发,综述了电镀铬前处理、电镀参数优化、后处理以及复合沉积技术在各领域的工程化应用现状,并展望了电沉积镀铬特征网纹结构的新研究思路和方法,以期为同行提供借鉴。

1 影响铬层网纹结构的因素

1.1 基体粗糙度的影响

基体表面状态对硬铬镀层的性能影响很大,因此要获得均匀致密铬层,控制好电镀工艺条件的同时,需要处理好镀前基体表面的粗糙度。顾晶晶等[19]研究了在镀铬前对基体进行抛光对镀层厚度、硬度、网纹结构以及耐蚀性的影响,结果表明,在同等试验条件下,未采用抛光前处理的镀层因为存在孔隙耐盐雾性试验时间仅为336 h,经抛光后镀铬层无明显孔隙,耐盐雾试验可达720 h。分析原因为,经过抛光后,基体表面粗糙度较好,镀铬层较为致密,减缓了在环境中腐蚀。罗进生等[20]认为镀铬过程中存在尖边效应,基体表面粗糙度越高会导致基体微观不平整处的电流尖峰作用严重,随电镀时间延长,镀层会在锋与谷之间存在较大差距,粗糙度也会随之增大(如图1),因此基体镀铬前处理粗糙度的大小是决定铬层能否加工成镜面的重要前提。

图1 不同表面粗糙度基体上镀铬层增厚对比示意图[20]Fig. 1 Comparison diagram of thickening of chrome-plated layer on collective surface with different roughness[20]

1.2 电镀液的影响

镀铬槽液主要由铬酐、硫酸根和三价铬组成,其中铬酐、硫酸根浓度的变化影响镀铬电沉积过程的结晶晶核的形成,从而影响铬层内应力的大小,进而表现为影响网纹的稀疏。苏志国[21]研究发现镀铬槽液中主要成分比(ρCrO3∶ρSO42-)对镀铬层网纹密度与宽度有一定的影响,比值越大,网纹条数越小,宽度越窄;比值越小,网纹条纹越多,宽度越大;但是网纹条数增加会使镀层的结合强度下降,当比值接近100/1时,网纹密度和宽度最接近标准要求。

1.3 电镀参数的影响

在镀铬过程中,影响铬层沉积的因素主要有电镀液成分、电流密度、温度以及添加剂等,其中电流密度对铬层网纹结构的影响最大,其次是镀液成分配比。

高维丽[22]通过正交试验研究电流密度、温度等因素对镀铬层外观及网纹结构的影响发现,当温度及电流密度在下限时,铬层沉积缓慢且松散,当温度及电流密度过高时,铬层呈现灰暗外观,脆性明显,网纹粗大且稀少,没有实际工程利用价值,当温度在56 ℃、电流密度40 A/dm2时,得到了硬度高,耐磨性好且网纹深度具备贮油润滑条件的镀铬层,可满足技术要求。奚兵[23]研究认为电流强度与时间的乘积,即阳极刻蚀密度对镀铬层网纹结构的影响仅次于镀液主成分比值,阳极刻蚀处理可以扩大铬层网纹并且和网纹密度成正比关系,为避免裂纹铬层区的表面过腐蚀,刻蚀时间不宜过长。

1.4 添加剂的影响

众多研究学者发现在镀槽中加入适量添加剂可以有效改善镀铬电流效率低,沉积速度慢以及外观光泽度不佳等问题。侯娟玲等[24]在电镀铬工艺中研究了8种添加剂对镀液的电流密度、沉积速度以及镀层致密度方面有着不同程度的影响,各种添加剂的影响效果如表1。

表1 不同添加剂对镀铬网纹结构影响效果排序Table 1 Ranking of the effects of additives on chrome mesh structure

由表1可以看出,碘化钾对镀液电流密度和沉积速度的提升更为显著,三氯乙酸、甲酰胺因含有具备特性吸附能力的R-C-R’结构的有机化合物,可以在基体界面上形成偶极双电层,使界面能显著降低,界面张力急剧下降,致使阴极极化增加,镀铬层结晶致密。王力强等[25]在研究不同添加剂浓度对镀铬层网纹密度、长度以及宽度的影响时发现,铬层网纹密度随着添加剂的加入呈现先增后减的趋势(如图2),当添加剂质量浓度达到3 g/L 时,网纹密度最高为1 020 条/cm;网纹长度及宽度与添加剂的浓度基本成正比。

图2 不同浓度添加剂下镀铬层网纹微观形貌[25]Fig. 2 Micromorphology of chrome mesh under different concentrations of additives

1.5 柔性挤压工艺的影响

尽管当前对于影响电镀铬网纹结构的因素研究取得了一定成果, 但传统镀铬仍无法消除镀铬层中的裂纹,一些学者将柔性挤压技术引入电镀工艺,能有效阻止电镀液中的氢气泡渗入镀层中, 同时起到细化晶粒、改变晶粒生长状态的作用,从而制备出无裂纹铬层。龚会民等[26]为解决因镀铬网纹引起的飞机起落架缓冲器活塞杆表面渗气问题,研究了柔性挤压工艺对镀铬网纹结构的影响,通过在阴、阳极之间放置球状硬质陶瓷粒子,通电后粒子产生与阴极表面的相对运动并不断摩擦和撞击其表面,促使阴极附近的水化氢离子H3O+远离的同时提高了析氢过电位,这样氢的析出量会大幅度降低, 从而达到减少铬层网纹的目的,试验原理如图3。王淑振等[27]的研究认为相对于传统镀铬而言,柔性挤压电镀铬工艺可以有效减少氢进入铬层引起体积收缩产生的内应力, 所得镀铬层微观表面平整,呈雾状并且无裂纹,如图4、5。

图3 柔性挤压电镀铬工艺原理图[26]Fig. 3 Schematic diagram of flexibe extrusion chromium plating process[26]

图4 传统镀铬层表面形貌及三维轮廓图[26]Fig. 4 Surface morphology and 3D profile of traditional chrome plating[26]

图5 柔性挤压电镀铬层表面形貌及三维轮廓图[27]Fig. 5 Surface morphology and 3D profile of flexible extruded chrome plating[27]

2 改善铬层网纹结构的方法

为解决因铬层网纹结构在实际应用过程产生的渗漏及诱蚀问题,在电镀铬后采用滚压或金刚石挤压的处理方法,可使铬层产生一定的塑性变形, 减少表面微裂纹, 在一定程度上减少渗漏的发生,另外采用单层或双层封孔技术可以再长时间盐雾环境中起到良好的耐蚀作用。

2.1 机械加工技术

李洋等[13]在进行作动部件气密性试验时发现,当气压超过4.9 MPa时,气体会通过活塞杆铬层网纹和气孔由产品的内腔漏到外面, 引发飞行安全。通过研究滚压压力、转速以及进刀量等加工参数对镀铬层网纹的影响,从而优选出了加工参数,经优化后的铬层外观更加光亮、致密,气密性合格率提升到90%,保证了生产质量及交付进度。田禾等[28]研究发现“金刚石碾压+超精”的工艺方法可以消除起落架活塞杆铬层渗漏的故障,满足气密性要求。其原理就是通过专用碾压工具(如图6),可有效对进给量和碾压力进行控制。王晓平[14]的研究表明,在碾压过程中,铬层会产生高密度的位错,当位错数量积累到一定量时会起到强化作用,使表面产生塑性变形,达到使铬层均匀致密的目的。该工艺方法简单、性能稳定,因此,在航空武器装备零部件加工和维修方面具有良好的应用和推广价值。

图6 金刚石碾压铬层原理[14]Fig. 6 Principle of roling chromium layer by diamond[14]

2.2 封闭技术

目前国内外普遍采用有机聚合物封闭的方法来提高镀铬层的耐蚀性,封闭剂可以改善镀铬层在海洋环境中的防护效果[29],根据镀铬层的物理特征及使用封闭涂层的意义,封闭剂的选择应满足低黏度以及与镀层有较好的相容性[30,31]等要求。周燕等[32]在提高液压系统部件耐磨性及耐蚀性的研究中,针对单/双层铬及其封孔技术在多种工况环境中进行了测试试验如表2,结果表明:封孔处理在显著增强作动部件活塞杆镀铬抗腐蚀性能和气密性能的同时,并不会影响活塞杆的其他性能。按GJB 150.11A进行72～1 104 h盐雾试验,结果如表3,结果表明未经封孔的镀铬层耐蚀性较差,经过封孔处理后其耐蚀性明显提高,其中双层镀铬经封孔处理后的耐蚀性效果最好,经过1 104 h, 双层镀铬封孔处理件仍未出现锈蚀现象。

表2 封孔处理后对产品性能影响验证情况[32]Table 2 The effect of sealing hole treatment on product performance verification[32]

表3 不同铬层处理随盐雾时间的腐蚀情况[32]Table 3 Corrosion of different chromium treatments with salt spray time[32]

王浩军等[18]针对某型飞机主起落架活塞杆发生密封部位漏气等问题,利用镀铬网纹毛细作用原理,先对镀铬后的活塞进行加热,排空铬层网纹中的气体,再浸入室温封孔剂中,负压的作用促使封孔剂更易渗入到网纹中,经过封孔处理后,微观表面的裂纹痕迹显著减少(如图7),结果表明:封孔技术可以在不影响铬层硬度、氢脆性以及耐温性的前提下,通过降低铬层孔隙率提高铬镀层的耐蚀性和气密性。

图7 硬铬镀层封孔前后的表面及截面形貌[36]Fig. 7 Surface and cross section morphology of hard caoting before and after sealing hole[36]

2.3 综合改善方法

本公司作为国内最大作动系统部件生产商之一,涉及机械作动系统、液压作动系统和电传作动系统部件等,其中仅液压作动系统就有上百项筒体产品采用内孔镀铬工艺,电镀铬及镀后磨削抛光过程时常出现网纹、裂纹现象如图8,严重影响产品质量。

图8 铬层裂纹及网纹外观形貌 20×Fig. 8 Chrome layer cracks and mesh appearance 20×

基于筒体铬层裂纹、网纹产生机理,通过对产品加工全流程进行分析,找出产生铬层裂纹、网纹的综合影响因素,绘制故障树如图9。

图9 筒体产品镀铬裂纹网纹故障树Fig. 9 Chrome-plated crack mesh fault tree for cylinder products

通过对裂纹网纹产生故障树中各影响因子进行分析,发现影响因素相互之间存在一定的促进和削减关系,需要进行综合评定和控制。铬层裂纹网纹需要最大限度消除基体加工残余应力,控制镀铬槽液状态(镀铬时进行预热和阳极反拔以提高铬层与基体结合力)、改进镀前去应力及镀后除氢温度与时间、优化各阶段(振动强化、镀铬、珩磨)装夹工装及方式以减少装夹应力集中,最后根据综合影响因素制定出针对不同产品的改进措施,从而有效地抑制了铬层裂纹、网纹发生的概率。

3 铬层微结构设计新技术

随着各领域研究的深入,利用表面微结构的特殊功能性来进一步增强耐磨及润滑的改善效果,已成为表面微结构的加工的研究及应用热点,但网纹结构与实际工况具有相应的匹配性,并且只有特定收敛的网纹结构形状和几何参数才能改善摩擦及润滑效果。Yu等[33]通过设计不同的表面网纹形状及深度的凹坑,验证对摩擦副往复运动的影响效果。结果表明:合适的凹坑面积比和凹坑深度相比于无网纹结构试样,可以获得较好的润滑减摩效果。San Jib等[34]采用微细电火花技术,在硬质合金刀具侧面分别加工出圆点和槽型网纹2种微结构,在相同工况条件下,与无微结构硬质合金刀具相比,2种网纹结构刀具加工时的侧翼磨损都较小,并且在降低齿面磨损和表面粗糙度方面,圆点状网纹结构刀具优于槽形网纹结构刀具。董保栋[35]利用激光加工微织构技术在45钢表面制备出不同交叉角度、宽度、深度和间距的交叉沟槽,并分析了结构参数对流体动压润滑效果的影响。结果表明:不同结构参数对润滑油膜厚度和平均油膜压力的影响程度不同,沟槽宽度,深度及交叉角度对微结构表面的流体动压润滑性能影响显著,油膜压力随沟槽宽度和交叉角度的增加而增加。汤勇等[36]分析了表面微结构形状与方向、表面织构分布、速度、载荷及粗糙度参数等因素对流体动压润滑性能的影响,并在表面织构技术发展现状的基础上详细论述了表面微结构的形态特征及作用机制。

4 结语与展望

在当前众多制造领域中,电镀铬层为提高产品耐磨性延长工作寿命做出了重要贡献,但因其特殊的网纹结构带来的气密性低以及耐蚀性差等不利影响,限制了镀铬层的使用范围。目前采用以消除网纹的碾压、喷丸和磨光等方法处理,在气密试验时,可能检测不出渗油(气)现象,但是经过使用,在复杂环境和载荷交替作用下,渗油(气)问题依然未得到有效解决;通过调整电镀参数以及使用添加剂改变电镀铬层网纹密度、宽度可以获得具备储油功能结构,但铬层网纹沟槽密集,裂纹与裂纹交叉阻点多,其间的润滑油在铬层沟槽间无法相互流通,不能形成足够的油膜压力,达不到良好的润滑效果;有学者将表面微结构技术引入到改善摩擦及润滑性能的机械加工领域中,但目前对表面网纹结构减摩、润滑、耐磨机理的认识还不够全面,无法对特定工况的网纹结构做出有效的优化设计,加之纹理加工设计成本高、效率低、无法再利用等情况,现阶段在工程应用中还没有大规模的生产。如何利用镀铬层表面本身网纹结构特点,通过疏通网纹沟槽形成密封的压力油膜状态,以改善零部件摩擦及润滑效果并在更广泛的制造领域应用将成为新的研究方向。