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液压缸活塞杆采用化学镀工艺的可行性研究
 
慧聪网   2005年6月16日15时8分   信息来源:《工程机械》    

本文作者: 黑龙江省机械科学研究院  张放

  液压缸是液压系统中重要的执行元件,用于执行往复运动,在工程机械中应用广泛。液压缸活塞杆是液压缸的重要部件,它通常采用35、34号或无缝钢管做成实心杆或空心杆,为了提高耐磨性的防锈蚀,目前国内传统工艺是表面镀硬铬(镀层厚度0.02~0.05mm)并抛光,其表面粗糙度Ra为1.6~0.4μm。由于镀铬对人、环境污染严重,属国家环保线值项目,且镀层不均匀,孔隙率高,容易起皮,镀铬费用也比较高,不能满足生产上的需要,因此采用合适经济的镀层取代镀铬一直是工程机械行业的重要课题。
 化学镀是利用溶液中的氧化还原化学反应进行金属沉积的工艺,通常是指没有外加电流作用下以还原剂将溶液中的金属离子还原为金属并沉积在机体表面形成金属镀层的表面加工方法,化学镀Ni-P合金非晶态镀层,具有优异的性能,可明显的提高硬镀、耐磨性和耐蚀性,可代替镀硬铬。化学镀的特点是设备简单,无需电镀电源,对于各种形状的工件可取得厚度均匀的镀层,时效处理温度低、变形小等。
 1 化学镀Ni-P合金的基本原理
 次亚磷酸根离子催化、氧化释放出活性原子氢是沉积过程的第一步:
 H2PO2-+H2O→HPO32+H++2Hxi
 Ni2+和H2PO2-在机体表面上被吸附的氢原子还原而得到Ni-P合金沉积层:
 Ni2++2Hxi→Ni+2H+
 H2PO2-+Hxi→H2O+OH-+P
 同时吸附氢原子复合放出氢气:
 2Hxi→H2↑
 由此导出的总反应式为:
 Ni2++H2PO2-+H2O→Ni+P+HPO32+H+H2↑
 根据上述可知,化学沉积Ni-P合金与电镀不同之处在于:电镀是利用电能将金属阳离子还原成金属并沉积在阴极上,而化学镀是在无直流电源条件下,用化学还原方法使阳离子还原成金属镍并沉积在催化金属表面上。由于铁、镍等金属及合金都具有催化作用,因此上述合金材料都可和沉积Ni-P合金,而且一旦开始后,由于镍的自身催化作用,这种氧化还原反应就会在镀件各处均匀的连续不断的进行下去,从而获得一定厚度的Ni-P合金镀层。当镀层含磷较高,一般为8%~13.5%时,镀层结构为非晶态。这种结构不存在晶界、位错等组织缺陷,不会产生晶间腐蚀和应力腐蚀。为镀层提供了比电镀层好的耐蚀性。由于Ni-P合金镀层硬度较高,在沉积状态下,镀层硬度为500~600HV,400°C热处理后为980~1100HV,所以它具有相当于或优于镀硬铬的耐磨性。
 化学镀Ni-P合金镀层在工业中应用广泛,但在工程机械行业中应用比较少,作者尝试将化学镀技术应用于工程起重机的液压缸活塞杆,以代替镀硬铬的耐磨性。
 2 工艺过程及实验方法
 2.1 化学镀Ni-P工艺
 试件:35钢板,厚度mm,20×40(mm)若干。
 工艺流程为:化学除油→水冲洗→活化→水冲洗→活化→化学镀→热水冲洗→皂化。
 工艺条件:
 NiSO47H2O 0.072~0.11mol/L
 NaH2PO2OH2O 0.28~0.33mol/L
 复合络合剂 0.17~0.11mol/L
 缓冲剂 20~30g/L
 稳定剂 适量
 添加剂 少许
 PH 6.5~8.0
 施镀时镀液温度 90±5(°C)
 装载量 1~2.5dm2/L(dm2为工件的表面积)
 沉积速度 18~30m/h
 2.2测试方法
 (1)镀层厚度 通过金相法和量具测定。
 (2)镀层成分 利用TN-5502能谱仪对镀层进行能谱分析,以确定其主要成分及百分含量。
 (3)镀层硬度 利用MICROMEF型数据显微硬度计测定。测定条件为:镀层厚度大于2μm,载荷100g(10-2N)30~50s。镀层应光滑、平整、无油污。
 (4)耐蚀性 应用快速硝酸法及孔隙率进行测定。
 (5)形貌及断层 以S-570扫描电镜观察测定。
 (6)镀层结构分析 采用D/NQ-Y13X射线衍射仪测定。
 (7)摩擦磨损试验 利用M-200型试验机测定。实验条件:20号机油,20滴/min,载荷50N,时间10min/次,对磨材料:GCr15,直径φ47mm。
 (8)结合力的检验 分为定性检验和定量检验,通常采用定性检验。定性检验为:试板经化学镀Ni-P合金后,分别采用划痕法、弯曲法、锉刀锉及加热300°C急冷法,然后用目视方法检查镀层。定量检验采用剥离试验法:将T型试棒装入有机玻璃套内进行化学镀镍(如图1a),应尽量镀厚些,镀后将试棒肩部削掉,注意保留镀层。然后装在专用夹具上,在拉力试验机上对镀层做剥离试验(如图1b)。根据被测镀层与试棒的结合面积和剥离镀层所需拉力计算镀层结合力。
 p=F/S
 式中:P——镀层结合强度(MPa)
 F——镀层自机体剥离所需的力(N)
 S——镀层与机体结合面积(mm2)


  3 试验结果
 (1)镀层厚度 通过金相法测定为0.036~0.054mm,为此施镀1h30min,该结果与量具测定结果相一致。
 (2)镀层成分 经能谱分析,其结果是:Ni含量85.15%,P含量13.83%,并含有微量Si和Fe。
 (3)镀层硬度 镀态为608.9HV、566.2HV、58.09HV,平均为585.3HV。经400°C热处理保温1h,硬度为1072HV、1095.4HV、1095.4HV,平均为1087.6HV。
 (4)耐蚀性 按快速腐蚀硝酸法测试可达210s,孔隙率为0.02个孔/cm2,符合技术要求。
 (5)形貌及断层 测试结果表明,镀层由微小颗粒促成,镀层致密、均匀,无明显孔隙,镀层与机体治安结合良好。
 (6)镀层的组织结构 镀层的X射线衍射曲线呈一馒头状波峰,该衍射峰向两侧缓慢降低,呈非晶态衍射特征,可以确定该镀层为非晶态结构。
   (7)结合力 化学镀Ni-P镀层经划痕、弯曲、锉刀、急冷4种方法检测,结果良好,未发现有削落、起皮等现象,加热急冷后无起泡现象。采用剥离试验法:测得拉力为62kN,试棒直径φ20mm,经计算镀层结合强度为197MPa,结合力优于镀硬铬。
 化学镀Ni-P合金镀层与镀硬铬相比具有硬度高、镀层均匀、孔隙率低、结合力好、耐磨抗蚀能力好、污染轻、废水易处理和成本低等优点,可以替代镀硬铬。
   4 应用
 选用我厂QY12H汽车起重机支腿垂直杆4根,其中2根镀硬铬,2跟化学镀Ni-P合金,外形尺寸为φ80×600mm,,镀后装机使用,累计工作300h后,拆下检查,其中化学镀件未见异常,使用效果良好。镀铬件局部有腐蚀点现象。由此可见,化学镀活塞杆优于镀硬铬活塞杆,另外化学镀活塞杆可以代替镀硬铬。
 
 
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