鋁鐵鎳青銅襯套鍍硬鉻工藝研究及其應用

杜 宇

（國營川西機器廠，四川 彭州 611936）

鋁鐵鎳青銅襯套內孔需鍍硬鉻，鋁鐵鎳青銅合金中鋁較活潑，是兩性金屬，遇酸堿或熱水都會發生反應，而銅為惰性金屬，鹽酸、硫酸不能使其表面達到活化或腐蝕的效果[1]。本文采用新工藝對零件進行前處理及預熱，使零件下槽后立即處于陰極保護狀態，防止零件表面出現氧化、鈍化膜，影響鍍層與基體的結合力，使鉻層達到很好的工程鍍鉻[2]效果，并對鍍層進行外觀形貌、顯微硬度、沉積速度及結合力等進行了測試及試驗，通過試驗及分析篩選出最佳工藝參數值。

1 工藝準備

1.1 試驗材料及設備

實驗采用材料為QA110-4-4的鍍內孔試件進行電化學沉積。

采用HH-4型數顯恒溫水浴鍋控制鍍液溫度。采用EVO MA15金相顯微鏡對鍍層表面和截面形貌進行觀察。采用顯微硬度計進行鍍層硬度檢測。采用熱震試驗及機械加工法進行結合力檢測。采用鍍層厚度及電鍍時間計算鍍層沉積速度。

1.2 工藝流程

汽油除油→手工打磨→汽油清洗→A溶液活化及預熱→B溶液活化及預熱→鍍鉻→回收清洗→冷水清洗→干燥。

1.3 工藝配方

A溶液：硝酸+水；B溶液：硫酸+水；鍍鉻夜：標準鍍鉻液。

2 試驗與討論

2.1 原理分析與試驗

2.1.1 除油

經分析及試驗，該材料在汽油中不會與航空洗滌汽油產生化學反應，使用常用的有機溶劑除油方法——航空洗滌汽油浸泡，利用有機溶劑的相似相容原理進行除油，達到良好的除油效果。

2.1.2 除氧化膜及活化預熱

通過試驗，除去零件鍍鉻表面氧化物等最好的方法是機械方法，鋁鐵鎳青銅合金襯套，在空氣中表面極易鈍化或生銹，產生一層致密的氧化膜，所以鍍鉻前應用80～120#氧化鋁細砂布打磨零件或對零件進行拋光處理，除去零件表面的氧化膜。

經過大量的實驗研究，確認出能夠滿足鋁鐵鎳青銅合金鍍鉻前活化預熱要求的工藝方法，具體工藝如下：

第一步：硝酸溶液預熱活化（A）。

近代科學沒有在中國產生的原因，除了前面所說的社會史(即外史)因素之外，還有思想史(即內史)的因素。其中包括：我國古代沒有發展出嚴格的形式邏輯的推理方法；古代數學的表述形式較落后，數學應用于自然科學中的程度較低；實驗理性不夠發達等。

溶液成份：硝酸HNO3（20 g/L～35 g/L）+水 ；工作溫度：50℃～60℃；嚴格控制活化時間，防止腐蝕零件。

第二步：硫酸溶液預熱活化（B）。

溶液成份：硫酸H2SO4（1.5 g/L～2.5 g/L）+水 ；工作溫度：50℃～60℃；嚴格控制預熱活化時間，防止腐蝕零件。

化學反應：

Al2O3+6H+＝ 2Al3++3H2O

CuO+2H+＝Cu2++H2O

2Al+6H+＝2Al3++3H2↑

3Cu+8HNO3(熱稀)＝3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

通過這些化學反應，零件表面氧化物全部被處理干凈，而零件帶電下槽，下槽后階梯式給電[3]，使零件下槽后就處于[H][3]的保護下，避免零件表面再次產生氧化物。

2.2 鍍鉻試驗與測試結果分析

2.2.1 鍍鉻溶液選擇

經查閱大量相關資料，進行對比分析及總結歸納，常用鍍鉻工藝見表1。

表1 常用鍍鉻工藝

2.2.2 鍍鉻液及溫度影響試驗

為研究溫度對鉻層的影響及不同鍍鉻液電鍍后鉻層情況，現在相同電流密度（根據標準HB/Z 5072-92選擇電流密度為35A·dm-2）下采用不同鍍鉻液在不同溫度下分別進行鍍鉻處理。試樣鉻層外觀質量見表2。

表2 槽液及溫度外觀質量影響試驗

2.2.3 電流密度影響試驗

為確定最佳鍍鉻電流密度，在固定槽液（鍍鉻液C）及溫度（53℃）情況下進行鍍鉻試驗，在電流密度Dk為20A/dm2～45A/dm2的電流范圍內開展鋁鐵鎳青銅鍍鉻電流密度研究。針對該青銅零件狀況，現采用以下幾組電流密度進行工藝試驗，確定鋁鐵鎳青銅最佳鍍鉻電流密度。

表3 標準鍍鉻溶液電流密度影響試驗

根據試驗情況，在20A/dm2～45A/dm2的不同電流密度下，電鍍時間相同，鉻層厚度隨電流密度的增加而增加，即沉積速度隨電流密度的增加而增大，電流密度在25A/dm2～35A/dm2時的沉積速度比較適中。

2.2.4 測試結果分析

（1）在標準鍍鉻液中，將電流密度固定在35A/dm2，溫度對鍍層外觀質量及鉻層顯微硬度的影響。

隨著溫度的升高，鍍層外觀質量有所改善，當溫度達到50℃時，外觀質量較好，當達到56℃時，鍍層外觀質量達最好，但溫度達到56℃以上時，外觀質量反而下降。鉻鍍層顯微硬度隨溫度增加而降低。分析認為，在低溫時，鉻層呈灰白色，無光澤；當溫度升高時，增加鹽類的溶解度和導電度，同時增加鉻離子向陰極的擴散速度，沉積速度加快，鍍層均勻光亮，但沉積過快，則出現顆粒型沉積，表面粗糙呈現乳白色鉻層，脆性大。

根據試驗情況，確定采用C標準濃度及50℃～56℃的溫度條件下，鉻層質量滿足需求。

（2）在標準鍍鉻液中，將溫度固定在53℃，考察電流密度對鍍層外觀質量及鉻層顯微硬度的影響。

隨著電流密度的增大，鍍層外觀質量有所改善，在電流密度在30A/dm2～40A/dm2時，外觀質量較為穩定，呈現稍帶淺藍色光澤的亮灰色，鍍層均勻細致，但隨著電流密度的增大，出現顆粒狀沉積，零件表面出現鉻鎦等表面粗糙的現象，外觀質量降低。隨著電流密度的增大，鉻層硬度逐漸增大。

2.3 驗證試驗與測試

按照“汽油除油→手工打磨→汽油清洗→A溶液活化及預熱→B溶液活化及預熱→鍍鉻→回收清洗→冷水清洗→干燥”的工藝流程，采用標準鍍鉻液，在溫度50℃～56℃、電流密度30A/dm2～40A/dm2下，進行試驗件生產。結果表明，鉻層外觀為稍帶天藍色的亮灰色，結晶細致；經測試，顯微硬度都在800HV以上。

3 結論

綜上所述，通過對鉻層厚度、硬度及SEM表面形貌、外觀等從沉積速度、鉻層質量、鉻層沉積狀態等分析，確定了鋁鐵鎳青銅材料零件鍍鉻溶液配方確定采用A、B溶液進行零件活化及預熱處理，采用標準鍍鉻溶液C進行鍍鉻，先帶電下槽、再階梯式給電至電流密度為30A/dm2～40A/dm2，在溫度為50℃～56℃的條件下，鉻層沉積速度滿足生產情況，鉻層與基體的結合力良好，鉻層顯微硬度大于800 HV，鉻層具有良好的形貌和較好的結晶，鉻層外觀為稍帶天藍色的亮灰色，結晶細致。