GH2132高溫合金鋼電鍍硬鉻工藝改進及監管重點

章 偉 ，夏 媛 ，鄒天嘉 ，李 豐 ，周玉成

（1空軍裝備部駐南昌地區軍事代表室 江西 南昌 330001）

（2江西洪都航空工業集團有限責任公司 江西 南昌 330001）

0 引言

高溫合金鋼GH2132（0Cr15Ni26MoVTi2B）是一種時效硬化鐵基高溫合金，以Fe-25Ni-15Cr為基體，具有良好的組織穩定性和使用可靠性，適合制造能在長期高溫（≤650 ℃）承力工作的部件上[1]。隨著航空航天事業的快速發展，高溫合金鋼GH2132在航空航天領域的運用越來越廣泛。同時對高溫合金鋼GH2132表面處理的加工要求越來越嚴苛。國內對GH2132材料的零件電鍍硬鉻一般是依據不銹鋼電鍍硬鉻工藝，但GH2132材料中鉻、鎳含量比一般不銹鋼高，造就了其表面易鈍化的特性會致使零件電鍍鉻高頻發生起皮、脫鉻等鍍層不合格現象。這種低效率的生產工藝已不能滿足實際大批量的生產需求。因此，結合實際生產需求，本文主要研究對GH2132材料零件電鍍硬鉻工藝的改進及監管重點，如選擇陽極電解除油、改進浸蝕方式、非必要加入預鍍鎳中間鍍層、調整電鍍硬鉻工藝參數、設計專用工裝等。

1 實驗方法

1.1 試樣的制備和工藝流程

按圖1制作GH2132棒狀材料試樣，圖中試樣的光桿區域表面粗糙度均要求在Ra0.8 μm以下。表面處理要求為：光桿區域電鍍硬鉻。

實驗工藝流程為：鍍前驗收→拋光→裝掛→電解除油→浸蝕→超聲波清洗→預鍍鎳（必要時）→電鍍硬鉻→干燥→除氫→拆卸→檢驗。試樣拋光能進一步降低試樣表面的粗糙度，去除基體金屬的氧化層[2]。而電解除油是保持表面無油污、油脂、銹蝕及氧化物，前處理能獲得潔凈的施鍍表面，這是決定鍍層質量的重要部分[3]。由于GH2132高溫合金鋼材料表面易鈍化，浸蝕工序是整個工藝流程的重要工序之一，也是產品質量監管的重點。文中將對比4種浸蝕法的電鍍效果，利用化學溶解原理能達到去除零件表面氧化皮、鈍態薄膜等目的。預鍍鎳工序也是保證試樣電鍍硬鉻前表面無鈍化態。兼顧鉻鍍層質量與實際生產工藝流程復雜性，文中也探究了在電鍍鉻前加入預鍍鎳中間層的必要性。

1.2 電解除油組成及工藝參數

電解除油液配方：NaOH：30～50 g/L、Na2CO3·10H2O：20 ～ 30 g/L、Na3PO4·12H2O：20 ～ 30 g/L、Na2O·SiO2：3～5 g/L；工作溫度：60～80 ℃；電流密度：3～10 A/dm2。

電解除油有陽極除油與陰極除油，電鍍的前處理過程普遍采用陰極－陽極聯合，部分研究[4]表明先陰極除油、再短時間陽極除油的操作方法既可利用陰極除油速度快的優點，同時也可消除“氫脆”。在陰極除油時滲入金屬中的氫氣，可以在陽極除油的很短時間內幾乎全部除去，零件表面也不至于氧化或腐蝕。但由于陰極除油有發生電沉積的可能，故基于GH2132高溫合金鋼材料表面易鈍化的特性，本實驗只采用陽極電解除油1～5 min，析出的氧氣既能促使加速除油及去除污物，又能有效地利用電化學溶解剝離基體金屬表面氧化膜[4-5]。

1.3 浸蝕液組成及工藝參數

浸蝕1：槽液成分含量：H2SO4(1.84)：100～150 g/L；工作溫度：室溫；時間：2 min。

浸蝕2：槽液成分含量：H2SO4(1.84)：100～150 g/L、HCl：100～150 g/L、若丁：3～5 g/L；工作溫度：室溫；時間：5 min。

浸蝕3：槽液成分含量：HNO3(69%)：75～262.5 g/L、HF(40%)；45～90 g/L；工作溫度：27～54 ℃；以實驗室31 ℃下0.012 mm/h/surface的腐蝕速率計算，按去除量（2 μm）需要腐蝕 10 min。

浸蝕4：槽液成分含量：HCl：60～80 g/L、HNO3：250～300 g/L、HF：100～20 g/L；工作溫度：室溫；時間：20 ～ 30 s[6]。

1.4 預鍍鎳組成及工藝參數

nucl2·6H2O：200 ～ 250 g/L、HC1（p=1.19）：150～185 mL/L、電流密度：5～10 A/dm2；工作溫度：室溫；時間：先不通電1～4 min，再通電3～5 min。

1.5 電鍍硬鉻組成及工藝參數

電鍍硬鉻配方：fro3：200～250 g/L，Cr2O3：3～8 g/L，H2SO4(1.84)：2～2.5 g/L。工作溫度：55～60 ℃。陽極材料為含銻6%～8%的鉛銻合金。

通用電鍍硬鉻過程需要進行預熱過程和陽極腐蝕，但為保持零件表面持續無鈍化膜的狀態，將電鍍硬鉻工藝參數進行了以下調整，簡便操作更能適應生產需求，見圖2。

1.6 方法

按HB5041《硬鉻、乳白鉻鍍層質量檢驗》，檢驗通過4種改進方式后電鍍硬鉻層鍍后鍍層質量（鍍層外觀、結合力測試）。鍍層外觀應細致均勻，不允許鍍層粗糙、粒子、燒焦、裂紋、起泡、脫落。通過彎曲法檢測鍍層結合力，結合力測試是將100 mm×25 mm×1 mm的GH2132試樣沿一直徑等于板材厚度的軸反復彎曲180°，直至基體斷裂。此時鍍層不與基體分離為合格。

模擬批量生產實驗：將改進方法分別運用于批量試樣（≥20根）上，檢驗并統計電鍍的合格率，分析其改進實驗方法的生產可行性。

2 結果與討論

2.1 浸蝕實驗效果對比

圖3展示了經過4種浸蝕方法前后試樣的外觀狀態，再結合浸蝕方式前后重量損失量，得出表1中4種浸蝕效果。實驗發現浸蝕一與浸蝕二是能用于溶解試樣表面上的鈍化薄膜，使表面活化，不允許浸蝕后在空氣中停留太久。而浸蝕三與浸蝕四工藝能達到一般浸蝕難以達到的腐蝕目的，能去除試樣上的厚層氧化皮。觀測4種浸蝕過程的化學反應狀態、工藝前后外觀的改變，并對試樣的減重進行對比，判斷4種浸蝕法腐蝕程度：浸蝕四＞浸蝕三＞浸蝕二＞浸蝕一。為適應復雜的生產情況，浸蝕三與浸蝕四是比較具有適用性的。

表1 各浸蝕實驗效果

2.2 預鍍鎳中間鍍層加入的必要性

通常不銹鋼電鍍工藝中需加入預鍍鎳中間打底層，這是為防止在不銹鋼表面生產接觸置換層而設立的[7]。本實驗在前處理（陽極電鍍解除油+浸蝕三）優化的基礎上，研究了在電鍍鉻工序前加入預鍍鎳與否的鉻鍍層實驗效果，實驗結果見表2與圖4。

表2 對比預鍍鎳工序加入與否的鉻鍍層質量

從表2與圖4中可知，預鍍鎳的加入與否對鍍鉻層的外觀和結合力影響不大。雖然中間打底預鍍鎳層可在一定程度上能杜絕由于試樣表面鈍化而造成的結合力不良的情況，但考慮到實際生產工藝流程復雜性以及預鍍鎳層在較大電流密度下長時間沉積存在鍍層厚度不均勻的隱患，故在保證試樣表面無鈍化態的基礎上，預鍍鎳工序的加入是非必需的。實驗將浸蝕與電鍍鉻工序之間的時間間隔控制在2 min之內，不加入預鍍鎳中間鍍層仍可獲得較優的鉻鍍層，簡化了復雜的電鍍生產加工過程，用以保證鍍層結合力合格。

2.3 對比4種浸蝕實驗后電鍍硬鉻層質量

4種浸蝕方式處理后電鍍硬鉻效果對比圖具體見圖5，從圖5看出經過浸蝕一后電鍍硬鉻試樣（a），光桿鍍鉻區域根部鍍層有局部脫落的現象。浸蝕二、三處理的電鍍硬鉻試樣（b）（c）光桿鍍鉻區域鍍層完好，且鍍層細膩。而浸蝕四電鍍硬鉻試樣光桿鍍鉻區域鍍層完好，但鍍層粗糙。這可能與浸蝕四槽液具有一定的銑切深度有關，能腐蝕試樣使基體材料表面外露。

經過4種浸蝕方式得到的鍍鉻試樣均進行了結合力試驗測試，測試結果：采用浸蝕一方式的電鍍硬鉻試片結合力測試不合格，其他均合格通過測試。由此可知，浸蝕槽液成分和浸蝕時間也是影響產品質量的關鍵因素。浸蝕一方式不適合作為GH2132高溫合金鋼電鍍硬鉻的前處理工序。

2.4 專用電鍍硬鉻工裝夾具的設計

依據航空器通條零件光桿部分電鍍硬鉻的表面處理要求，增加可操作性，減少生產輔料的浪費。為批量電鍍生產實驗提供便利，本文設計專用的電鍍工裝夾具見圖6。

根據圖6所示，工裝中遮蔽套使用低碳鋼薄壁板制作，將其套入零件六角螺帽的端部，精密配合將零件的六角螺帽處掩蔽，在電鍍硬鉻過程中遮蔽套能有效地吸收六角螺帽處的電力線，使六角螺帽處不鍍硬鉻。依靠支桿上配套的定位螺紋孔，將零件逐個旋緊裝夾在支桿上。一方面，支桿與零件旋緊接觸起導電作用；另一方面，定位螺紋孔能保護不需鍍硬鉻的螺紋區域。通過使用這種工裝，達到光桿部分局部電鍍硬鉻的要求，并且能有效提高生產效率，增加零件一次性交付率，提升產品批產質量。

2.5 批量電鍍硬鉻生產能力

為驗證本文工藝改進實驗運用于批量電鍍硬鉻零件的能力，運用上文設計的專用工裝夾具，將60件試樣分別進行前處理（侵蝕二、侵蝕三、侵蝕四）+電鍍硬鉻的工藝實驗。將鉻鍍層質量達到HB5041《硬鉻、乳白鉻鍍層質量檢驗》外觀和結合力合格標準，視為合格，統計合格數量，具體見表3所列。

表3 各批量實驗合格率

可以得出，序號1批量實驗雖可有較大的合格率，但不能滿足嚴格“零返工”和快速生產流轉的需求，故選擇序號2、序號3的改進實驗方案更為適用。

而在槽液維護方面，浸蝕四槽液表現出較強腐蝕性、易揮發性，容易使基材發生過腐蝕，周邊電器元件、槽體及內部裝置也會快速的腐蝕損毀。浸蝕三溶液性能穩定、去除氧化物效果明顯，并且可根據具體的單面腐蝕速率來量化浸蝕量，能為后期的尺寸電鍍硬鉻提供工藝參數上的把握。綜上所述，陽極電解除油、選擇改進的浸蝕三方式，通過調整的電鍍硬鉻工藝，設計及運用專用的電鍍工裝夾具能批量獲得合格的鉻鍍層，能高效地應用于實際批量生產。

3 結語

本實驗通過選擇陽極電解除油、改進浸蝕方式、非必要加入預鍍鎳中間鍍層、調整電鍍硬鉻工藝參數、設計專用工裝及對應的質量監管措施，使GH2132光桿零件電鍍硬鉻質量得到改進，創新高溫合金鋼GH2132的電鍍鉻工藝方式，為今后高溫合金鋼GH2132電鍍其他鍍種（電鍍鋅、電鍍銀等等）提供參考依據。