核電控制棒驅動機構零件鍍鉻與磨削工藝研究

王 方,薛 松,米大為

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

硬鉻鍍層由于具有較高的硬度、較低的摩擦因數、較好的耐熱性、良好的化學穩定性和耐輻照性能,被廣泛應用于航空航天、電子電器、汽車制造、機械儀表、工模具及核島主設備零部件表面的防護及修復[1-8]。控制棒驅動機構是核電站核島內關鍵的運動主設備之一,其部分零件處在高溫、高壓、強輻照的工況下,為了保證該類零件的使用壽命,需要在要求耐磨的表面鍍硬鉻。

在電鍍生產中,由于鍍鉻溶液的分散能力較差而導致鍍層厚度不均勻,隨著鍍層厚度的增加,不均勻性現象更加嚴重。對于鍍層較厚的情況,為了使鍍鉻后的尺寸滿足設計的要求,常常需要對零件的鍍鉻層進行磨削加工。控制棒驅動機構要求部分零件的平面、內孔和外圓的鍍層較厚,最終鍍層厚度不小于70μm,且最終零件表面的尺寸精度要求較高,因此需要對這些零件的鍍層進行磨削加工以滿足設計的尺寸要求。

控制棒驅動機構磨削類零件要求在最終狀態,即鍍層磨削后進行著色滲透檢查,驗收準則為不允許出現紅色顯示,包括圓形顯示或線性顯示,且不允許出現任何一片紅色背景。目前行業普遍存在的問題是鍍鉻層磨削后容易出現紅色顯示或紅色背景,從而使鍍鉻磨削后著色滲透檢查合格率較低,因此提高磨削類零件鍍層的合格率成為迫切需要解決的問題。

針對控制棒驅動機構產品鍍鉻層磨削后著色滲透檢查合格率低的問題,選取控制棒驅動機構典型零件,對鍍鉻工藝、磨削工藝及拋光工藝進行了分析和研究,旨在確定一套完整的工藝方法,從而提高產品的合格率。

2 鍍層著色滲透檢查與分析

2.1 鍍層磨削前著色滲透檢查

為了分析造成著色滲透檢查合格率低的影響因素,首先對鍍鉻后磨削前的零件平面、內孔和外圓進行了著色滲透檢查,檢查結果如圖1、圖2及圖3所示。圖1為平面部位鍍鉻后磨削前的檢查結果,從圖1可知,整個平面均有紅色網狀顯示。圖2為內孔部位鍍鉻后磨削前的檢查結果,從圖2可知,整個內孔表面均有紅色顯示,紅色顯示呈網狀分布。圖3為外圓部位鍍鉻后磨削前的檢查結果,從圖3可知,外圓大部分表面均分布著紅色的網狀顯示。

圖1 平面鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

圖2 內孔鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

圖3 外圓鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

這些網狀顯示是鍍鉻過程中產生的微裂紋所形成的顯示。硬鉻鍍層在電鍍過程中會產生大量的氫化鉻,導致鍍層出現裂紋[9]。裂紋是由鍍鉻時吸氫和晶格變化所致。通常隨著鍍鉻層厚度的增加,內應力增大,裂紋的數量增多。由于這種微裂紋屬于網狀裂紋,不僅對鍍層的結合力沒有不良影響,微裂紋反而可以釋放鍍層內的應力,但是這種微裂紋的存在使著色滲透檢查時容易出現紅色顯示。

在航空材料標準SAE AMS 2440B《鍍鉻磨削后的探傷檢測》中,對鍍鉻層進行熒光滲透檢查時,也發現了由鍍層內應力造成的網狀裂紋,如圖4所示。在航空材料標準SAE AMS 2440B中,由于鍍層內應力產生的網狀裂紋出現的顯示能被接受。

圖4 鍍鉻層中的網狀裂紋

2.2 鍍層磨削后著色滲透檢查

鍍層磨削后著色滲透檢查結果如圖5、圖6和圖7所示。從圖5可知,平面上的鍍層磨削后著色滲透檢查結果主要呈現斷續、短小的線狀顯示。內孔和外圓鍍層磨削后主要呈現帶狀顯示,如圖6和圖7所示。鍍層磨削后的顯示均無明顯的網狀分布,而是呈現砂輪的磨削痕跡,這些痕跡是誤磨削產生的微小裂紋呈現的顯示。誤磨削是由于磨削時選用的砂輪不當或者磨削參數不合理,磨削過程中產生了微小裂紋,這種裂紋通常伴隨著磨削砂輪的痕跡。在航空材料標準SAE AMS 2440B中提到了這種裂紋,如圖8所示,SAE AMS 2440B標準規定由于誤磨削產生的這種微小裂紋出現的顯示不能接受。除了砂輪的磨削痕跡,控制棒驅動機構鍍鉻零件著色滲透檢查結果還可見紅色背景,紅色背景是由于網狀裂紋結構的鍍鉻層經磨削后檢查時呈現的現象。控制棒驅動機構零件鍍鉻層著色滲透檢查的驗收準則為不允許出現任何顯示及紅色背景。

圖5 平面磨削后著色滲透檢查顯示

圖6 內孔磨削后著色滲透檢查顯示

圖8 誤磨削產生的微裂紋

從核電控制棒驅動機構鍍鉻零件的著色滲透檢查與非核行業如航空材料標準SAE AMS 2440B對比可以看出:航空材料標準SAE AMS 2440B對于鍍層內應力產生的網狀裂紋出現的顯示可以接受,而對于磨削不當造成的磨削裂紋視為不合格。核電控制棒驅動機構鍍鉻層的著色滲透檢查的驗收標準要求更高,其不允許鍍層中出現任何顯示,包括由于鍍鉻過程中產生的微裂紋出現的顯示,高要求的著色滲透檢查驗收準則以及硬鉻鍍層特殊的網狀裂紋結構使其對鍍鉻工藝和磨削加工工藝均提出了更高的要求。

2.3 鍍層著色滲透檢查合格率低的影響因素

通過試驗研究分析,發現鍍鉻磨削后鍍層著色滲透檢查合格率低產生的主要原因有以下幾點:鍍層質量問題及鍍層厚度嚴重超差,用于鍍層磨削的砂輪及磨削參數不合理,著色滲透檢查不合格部位的拋光方式不恰當。

2.3.1 鍍層質量問題及厚度超差

鍍鉻時零件的預熱是否充分、待鍍表面的活化程度、零件及鍍液的清潔度等對鍍層的性能尤其是鍍層的結合力有著重要的影響。鍍液溫度、電流密度、鉻酐及硫酸的濃度及比例對鍍層的質量和性能,如鍍層硬度、外觀質量及致密度(包括裂紋數量及寬度)等起著決定性的作用。由于之前電鍍時各種電鍍參數的搭配不夠合理,因此鍍層的裂紋數量較多且尺寸較粗大,磨削后著色滲透檢查時即出現紅色背景。

由于鍍鉻溶液分散能力差,對于施鍍時間較長、電流較大的鍍硬鉻,電鍍時臺階、倒角、邊緣、開槽處由于尖端放電或邊緣放電效應容易造成電流分布不均勻,在這些部位產生鍍層堆積,隨著鍍層厚度的增加,邊角部位甚至出現毛刺或鉻瘤等缺陷。實際生產過程中產品電鍍時臺階、倒角、零件邊緣及開槽處的鍍層厚度容易超差,最厚的部位超出圖紙規定尺寸0.2 mm左右。由于這些部位的鍍層過厚,鍍鉻層磨削加工過程中,如果這些鍍層堆積部位磨削參數不合理,容易在這些部位引起應力集中,從而導致磨削裂紋的產生,在隨后的著色滲透檢查時該部位即出現紅色顯示。

2.3.2 砂輪及磨削參數不合理

磨削鍍鉻層時,對所使用的砂輪型號及磨削參數均應有嚴格規定。如選用的砂輪粒度、硬度等屬性與鍍鉻層性能不匹配,會在鍍鉻層表面產生磨削裂紋。硬鉻鍍層需經粗磨和精磨加工,如果磨削工藝不當,如每道磨削量過大及冷卻效果不佳等因素也會在鍍層表面產生磨削裂紋,在隨后的著色滲透檢查時會出現紅色顯示。

2.3.3 拋光方式不恰當

在以前的著色滲透檢查時,對出現紅色顯示的部位均采取手工拋光方式,即將零件固定在鉗床上采用拋輪對局部區域進行拋光,且直接采用粒度較粗的拋輪進行拋光處理。如果某區域經多次拋光后仍然有紅色顯示,需要反復拋光直至著色滲透檢查時無紅色顯示為止。采用粒度較粗的拋輪反復拋光容易導致局部區域產生新的裂紋或者已有裂紋進一步延伸、擴展,甚至發展成宏觀裂紋,嚴重時會引起鍍層脫落,最終需要進行退鍍。

3 鍍鉻及磨削工藝的優化

針對以上造成著色滲透檢查合格率低的影響因素,采取了如下解決措施:優化鍍鉻工藝及工裝掛具以提高鍍層質量及控制鍍層厚度均勻性;選用合適的砂輪及磨削參數以防止磨削裂紋的產生;采取合理的拋光方式及拋光參數以避免局部區域過分拋光。

3.1 優化鍍鉻工藝及工裝掛具

鍍鉻時工藝參數的合理與否決定著鍍層的質量。通過對鍍液進行定期過濾以確保鍍液清潔,根據不同零件制定相應預熱時間以保證零件充分預熱,對零件待鍍表面進行充分活化以保證鍍層的結合力,加強零件清洗檢驗確保被鍍零件的清潔度。通過大量的試驗,確定了最佳的鍍鉻工藝參數范圍:鉻酐為220～300 g/L,硫酸為2.2～3 g/L,且鉻酐與硫酸的比例在100∶1左右;鍍液溫度為50～60 ℃;電流密度為20～46 A/dm2。在該參數范圍內的鍍層外觀質量均勻、鍍層硬度較高及鍍層致密度良好。

鍍鉻時工裝掛具設計的合理性和安裝的準確性決定了鍍層厚度的均勻性。通過調整鍍鉻工裝和陽極的形狀、尺寸,使其盡可能合理,在安裝工裝時注意仔細檢查安裝是否到位,陽極擺放是否均勻以及輔助陽極的定位是否準確,非電鍍部位的保護是否恰當,電鍍時做好陰極屏蔽,降低尖端放電效應的影響,減少鍍層在整個表面上的不均勻性。通過以上措施,可避免臺階、倒角、零件邊緣及開槽處的鍍層過厚,從而保證這些部位鍍后尺寸在圖紙規定范圍之內。

3.2 選用合適的砂輪及磨削參數

原工藝采用的砂輪粒度較粗、硬度較高,且砂輪的自銳性較差。通過大量的砂輪選型試驗,采用紅剛玉砂輪、綠色碳化硅砂輪、白剛玉砂輪、單晶剛玉砂輪,試驗表明白剛玉砂輪和單晶剛玉砂輪的粒度、硬度及自銳性最適合磨削鍍鉻層。采用磨料粒度較細、硬度較軟的白剛玉砂輪和單晶剛玉砂輪對鍍鉻層進行粗磨和精磨,磨削時冷卻應充分,并采用過濾裝置對循環使用的冷卻劑進行過濾處理,以保證冷卻劑的清潔及無鐵屑等雜質。通過對砂輪及磨削參數的調整,以確保磨削后鍍層無裂紋產生。

3.3 拋光工序的調整及優化

對經著色滲透檢查不合格的零件鍍層進行拋光處理時,對于內孔和外圓,采用在車床上拋光,零件以一定的速度旋轉,以便對零件進行均勻地拋光,避免局部區域過分拋光。對于平面部位,采用在鉗床上進行手工拋光。拋光工具均為磨料粒度較細的砂紙或砂布磨頭。拋光時固定拋光參數,確保拋光僅提升鍍層的表面質量。

4 工藝優化后的結果

針對控制棒驅動機構零件鍍鉻磨削后著色滲透檢查時出現紅色顯示的問題,通過對鍍鉻工藝參數的調整,以及對電鍍后磨削類零件進行了砂輪選型、磨削參數的調整、拋光方式及拋光參數的調整與優化,確定了合適的鍍鉻工藝參數、鍍層磨削參數、拋光方式及拋光參數。采用優化后的工藝對控制棒驅動機構零件進行鍍鉻及磨削處理后,磨削類零件的平面、內孔、外圓只有局部輕微泛紅。對有顯示的部位采用優化后的拋光參數進行拋光處理后,著色滲透檢查零件合格率均能達到90%以上。工藝改進后的著色滲透檢查結果如圖9、圖10及圖11所示。

圖9 平面磨削后著色滲透檢查合格

圖10 內孔磨削后著色滲透檢查合格

圖11 外圓磨削后著色滲透檢查合格

5 結束語

通過對鍍鉻層磨削用砂輪類型、磨削參數、拋光方式以及拋光參數進行合理選用,并嚴格控制及工裝掛具的調整,有效地避免了鍍鉻層產生磨削裂紋及出現脫落現象,解決了控制棒驅動機構零件鍍鉻層磨削后著色滲透檢查合格率低的問題。獲得了質量良好及厚度均勻的硬鉻鍍層。