一种超高强度钢镀硬铬新工艺研究

赵金航，李 博

（中航飞机起落架有限责任公司，陕西 汉中 723200）

铬是一种微带蓝色的银白色金属，金属铬在空气中极易钝化，表面形成一层极薄的钝化膜，从而显示出贵金属的性质。镀铬层具有很高的硬度，根据镀液成分和工艺条件不同，其硬度可在400～1200 HV 内变化。另外铬镀层有较好的耐热性，在500 ℃时才开始氧化变色。镀铬层的摩擦系数也较小［1］，特别是干摩擦系数在所有金属中最低，所以铬镀层具有较好的耐磨性。同时，镀铬层具有良好的化学稳定性，与酸、碱、盐及大多数有机物均不发生反应。由于镀铬层具有优良的机械性能和防护性能，已在飞机起落架上广泛应用［2］。为满足某型号飞机起落架镀铬层质量要求，开展了镀硬铬新工艺研究，制备的镀层满足质量要求，具有一定的借鉴推广价值［3］。

1 实验部分

1.1 实验材料及表征

硬度、结合力试件材料为300M 钢，尺寸为100 mm ×25 mm × 1 mm，镀层厚度为80～100 μm；氢脆试件材料为AISI 4340，选用ASTM F 519 1a1型试棒，镀层厚度为50±5 μm。

采用DUALSCOPE FMP40 型涂层测厚仪对各试件的镀层厚度进行测量；采用GW1-7 型7 mm 弯折实验器对试件进行结合力检测；用HMV-G-FA-D显微维氏硬度计对镀层硬度进行检测；采用QD-100氢脆实验专用实验机进行试棒氢脆性检测。

1.2 实验流程

基体表面状态检查→蒸汽除油→吹氧化铝→水洗→装挂和保护→冷水洗（30 s，水膜连续性检查）→预热→阳极腐蚀→电镀硬铬→水洗→碱清洗→流动冷水洗→拆卸夹具→压缩空气吹干→除氢→检验。

各工序工艺配方与操作参数如下。

（1）蒸汽除油：介质三氯乙烯、温度86 ℃～92 ℃、时间3～5 min。

（2）吹氧化铝：150 目白刚玉，风压0.2 MPa、距离250 mm。

（3）电镀硬铬：镀液成分 CrO3270～310 g/L、Cr2O31～15 g/L 、H2SO4/CrO30.4% ～ 0.8% 、Fe＜15 g/L、F-3～4 g/L。

电镀过程包括阳极腐蚀、冲击电镀、正常电镀三步，各步的工艺参数如表1所示。

表1 电镀过程工艺参数表Tab.1 Process parameter of electroplating process

（4）碱清洗：碱洗液成分Oakite 90型 45～90 g/L，碱洗温度82～93 ℃，时间3～5 min。

（5）除氢：温度190±5 ℃，时间＞ 23 h，需在电镀后3 h内开始除氢处理。

1.3 铬镀层性能测试要求

（1）厚度：硬度、结合力试片铬层厚度80～100 μm，氢脆试棒铬层厚度45～55 μm。

（2）结合力：待测试件反复弯曲180°直到发生断裂，断裂处镀层应无裂纹或脱落。

（3）硬度：在结合力试件上进行硬度测试，镀层硬度值800～1200 HV。

（4）氢脆性：按照ASTM-F-519 要求进行试棒加载，在75 %荷载拉伸力下至少200 h 不发生断裂。

2 槽液的配制及维护

2.1 溶液的配制

将镀槽清洗干净，使用配制溶液的水作为最后一遍的清洗水。计算铬酐、硫酸和氟硅酸的用量，向镀槽注入约三分之二体积的水，打开抽风，再将计量的铬酐加入镀槽，搅拌至铬酐完全溶解，然后加水至规定的体积，搅拌均匀。取样分析，按分析结果边搅拌边加入计量的硫酸，搅拌均匀。待溶液冷却后向槽内加入计量的氟硅酸。重新取样分析，根据分析结果，通电处理以获得要求的三价铬浓度，并作好配制记录。

2.2 溶液的维护

（1）按要求对溶液进行分析，并按照分析结果调整各组分到控制范围内。

（2）通电处理：将溶液加热至工作温度，通电至溶液含Cr3+（按Cr2O3计）3～8 g/L，通电工艺参数如下：温度40～60 ℃、阴极电流密度1～2 A/dm2、阴极面积/阳极面积≥10。

（3）每次工作前，将溶液调整到工作液面并搅拌均匀。

（4）电镀溶液中硫酸根含量过高时，可用碳酸钡或氢氧化钡除去多余的硫酸，每多1 g 硫酸，需添加碳酸钡2.5 g 或氢氧化钡2 g。处理时，从镀铬槽中取出计量的溶液于沉淀槽中，并在搅拌条件下缓慢加入计量的碳酸钡或氢氧化钡溶液，经过4～5 h 反应后，停止搅拌并使镀铬溶液静置沉降，然后过滤除去硫酸钡沉淀，再将上清液倒回镀铬槽，并搅拌均匀。

（5）电镀溶液中氯离子超标时，按下述参数通电处理，以达到控制要求：温度60～70 ℃、阴极电流密度80～100 A/dm2。

（6）当电镀溶液中的硫酸、Cr3+超标时，允许采用稀释方法调整：从镀铬槽中取出计量的溶液存放于储备槽中，加水稀释镀铬槽液并依据分析结果加入计量的铬酐，搅拌至完全溶解，重新分析、调整，合格后即可使用［4］。

3 结果与分析

3.1 厚度

采用涂层测厚仪对硬度、结合力试件和氢脆试棒的镀层厚度进行测量，结果见表2。测试结果表明各试件的镀层厚度均符合要求，但存在试件边缘及棱边部位镀层较其他部位偏厚的现象。［5］

表2 不同试件的镀层厚度Tab.2 Coating thickness of different test pieces

3.2 外观

电镀硬铬试件照片如图1 所示，可以看出镀层表面光滑、无毛刺、结合力良好，而且无气泡、麻点、结瘤、空隙及尖角部位过厚和烧焦的现象，外观检测合格。在溶液中添加氟硅酸，它兼有活化镀层表面的作用，且可在电流中断或二次镀铬时仍得到光亮的镀层。

图1 电镀硬铬试件的照片Fig.1 Photograph of the electroplated hard chromium specimen

3.3 结合力

采用弯曲法进行结合力检验，将试件用弯折器夹紧，反复弯曲180°，直至基体金属折断，目视或在五倍放大镜条件下检查断口，结果如图2 所示。可以看出，镀层与基体无脱落或剥离的现象，镀层结合力检测合格。

图2 试片结合力检测结果Fig.2 Test result of test piece binding force

3.4 硬度

采用显微维氏硬度计进行铬镀层硬度检测，测点 1 检测结果为硬度 841 HV0.2，测点 2 为 859 HV0.2。基本可以推断，试样铬镀层硬度满足800～1200 HV要求，铬层硬度检测合格。

随着铬酐和硫酸含量的增加，槽液浓度升高，电镀铬后铬层更加致密，且在电镀槽液中用氟离子作为催化剂（氟硅酸）后，铬层硬度较大。

3.5 氢脆性

采用QD-100型号拉伸试验机按ASTM F519要求对试棒氢脆性进行检测，氢脆试棒在75%荷载拉伸力下200 h未发生断裂，氢脆测试合格。槽液中游离的F-可与电镀过程中产生的H+结合，生成弱酸性的HF，进而减少氢离子与电子结合成原子氢的机会，使渗透到金属中的氢原子减少，从而改善了镀层的氢脆性［6］。

4 结论

（1）新配方的镀铬溶液稳定，分散能力和覆盖能力与原溶液相当，维护方便。

（2）新镀铬工艺制备的镀层外观、硬度、铬层致密性优于原镀铬溶液，氢脆性能与原镀铬工艺相当，产品性能不亚于原镀铬工艺。

（3）新镀铬工艺与原镀铬工艺均适用于抗拉强度σb≥1300 MPa的钢铁零件的电镀铬。