液壓缸活塞桿采用化學(xué)鍍工藝的可行性研究

液壓缸是液壓系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，用于執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動，在工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛。液壓缸活塞桿是液壓缸的重要部件，它通常采用35、45號或無縫鋼管做成實(shí)心桿或空心桿，為了提高耐磨性和防銹蝕，目前國內(nèi)傳統(tǒng)工藝是表面鍍硬鉻（鍍層厚度0.02～0.05 mm）并拋光，其表面粗糙度Ｒａ為1.6～0.4 μｍ。由于鍍鉻對人、環(huán)境污染嚴(yán)重，屬國家環(huán)保限制項(xiàng)目，且鍍層不均勻，孔隙率高，容易起皮，鍍鉻費(fèi)用也比較高，不能滿足生產(chǎn)上的需要，因此采用合適經(jīng)濟(jì)的鍍層取代鍍鉻一直是工程機(jī)械行業(yè)的重要課題。

化學(xué)鍍是利用溶液中的氧化還原化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行金屬沉積的工藝，通常是指沒有外加電流作用下以還原劑將溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在基體表面形成金屬鍍層的表面加工方法，化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ合金非晶態(tài)鍍層，具有優(yōu)異的性能，可明顯地提高硬度、耐磨性和耐蝕性，可替代鍍硬鉻。化學(xué)鍍的特點(diǎn)是設(shè)備簡單，無需電鍍電源，對于各種形狀的工件可取得厚度均勻的鍍層，時效處理溫度低、變形小等。
１ 化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ合金的基本原理
次亞磷酸根離子催化、氧化釋放出活性原子氫是沉積過程的第一步：
Ｈ２ＰＯ２－＋Ｈ２０→ＨＰＯ３２－＋Ｈ＋＋２Ｈｘｉ
Ｎｉ２＋和Ｈ２ＰＯ２－在基體表面上被吸附的氫原子還原而得到Ｎｉ－Ｐ合金沉積層：
Ｎｉ２＋＋２Ｈｘｉ→Ｎｉ＋２Ｈ＋
Ｈ２ＰＯ２－＋Ｈｘｉ→Ｈ２Ｏ＋ＯＨ－＋Ｐ
同時吸附氫原子復(fù)合放出氫氣：
２Ｈｘｉ→Ｈ２↑
由此導(dǎo)出的總反應(yīng)式為：
Ｎｉ２＋＋Ｈ２ＰＯ２－＋Ｈ２Ｏ→Ｎｉ＋Ｐ＋ＨＰＯ３２－＋Ｈ＋＋Ｈ２↑
根據(jù)上述可知，化學(xué)沉積Ｎｉ－Ｐ合金與電鍍不同之處在于：電鍍是利用電能將金屬陽離子還原成金屬并沉積在陰極上，而化學(xué)鍍是在無直流電源條件下，用化學(xué)還原方法使鎳陽離子還原成金屬鎳并沉積在催化金屬表面上。由于鐵、鎳等金屬及合金都具有催化作用，因此上述合金材料都可直接沉積Ni-P合金，而且一旦開始后，由于鎳的自身催化作用，這種氧化還原反應(yīng)就會在鍍件各處均勻地連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，從而獲得一定厚度的Ni-P合金鍍層。當(dāng)鍍層含磷量較高，一般為8%～13.5%時，鍍層結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)。這種結(jié)構(gòu)不存在晶界、位錯等組織缺陷，不會產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。為鍍層提供了比電鍍層好的耐蝕性。由于Ni-P合金鍍層硬度較高，在沉積狀態(tài)下，鍍層硬度為500～650 HV，400℃熱處理后為980～1 100 HV,所以它具有相當(dāng)于或優(yōu)于鍍硬鉻的耐磨性。
化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但在工程機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用比較少，作者嘗試將化學(xué)鍍技術(shù)應(yīng)用于工程起重機(jī)的液壓缸活塞桿，以替代鍍硬鉻，保證了液壓缸的性能，取得滿意的效果。
2 工藝過程及試驗(yàn)方法
２．１ 化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ工藝
試件：35鋼板，厚度1 mm，20×40 (mm)若干。
工藝流程為：化學(xué)除油→水沖洗→活化→水沖洗→活化→化學(xué)鍍→熱水沖洗→皂化。
工藝條件：
NiSO47H2O 0.072～0.11 mol/L
NaH2PO2PH2O 0.28～0.33 mol/L
復(fù)合絡(luò)合劑 0.17～0.20 mol/L
緩沖劑 20～30 g/L
穩(wěn)定劑 適量
添加劑 少許
PH 6.5～8.0
施鍍時鍍液溫度 90 ±5( ℃)
裝載量 1～2.5 dm2/L（dm2為工件的表面積。）
沉積速度 18～30 μｍ/ｈ
２．２ 測試方法
（1）鍍層厚度 通過金相法和量具測定。
（2）鍍層成分 利用TN-5502能譜儀對鍍層進(jìn)行能譜分析，以確定其主要成份及百分含量。
（3）鍍層硬度 利用MICROMEF 型數(shù)顯微硬度計(jì)測定。測定條件為：鍍層厚度大于20 μｍ，載荷１００ ｇ?穴１０－２ Ｎ?雪，時間３０～５０ ｓ。鍍層應(yīng)光滑、平整、無油污。
（4）耐蝕性 應(yīng)用快速硝酸法及孔隙率進(jìn)行測
定。
（5）形貌及斷層 以S-570掃描電鏡觀察測定。
（6）鍍層結(jié)構(gòu)分析 采用D/NQ-Y13 X射線衍
射儀測定。
（7）摩擦磨損試驗(yàn) 利用M-200型試驗(yàn)機(jī)測
定。試驗(yàn)條件：20號機(jī)油，20滴/min,載荷50 N，時間10 min/次，對磨材料：GCr15，直徑Φ ４７ ｍｍ。
（8）結(jié)合力的檢驗(yàn) 分為定性檢驗(yàn)和定量檢驗(yàn)，通常采用定性檢驗(yàn)。定性檢驗(yàn)為：試板經(jīng)化學(xué)鍍Ni-P合金后，分別采用劃痕法、彎曲法、銼刀銼及加熱300 ℃急冷法，然后用目視方法檢查鍍層。定量檢驗(yàn)采用剝離試驗(yàn)法：將T型試棒裝入有機(jī)玻璃套內(nèi)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳（如圖1a），應(yīng)盡量鍍厚些，鍍后將試棒肩部車削掉，注意保留鍍層。然后裝在專用夾具上，在拉力試驗(yàn)機(jī)上對鍍層做剝離試驗(yàn)（如圖1b）。根據(jù)被測鍍層與試棒的結(jié)合面積和剝離鍍層所需拉力計(jì)算鍍層結(jié)合力。
ｐ＝Ｆ/Ｓ
式中： ｐ——鍍層結(jié)合強(qiáng)度 （ＭＰａ）
Ｆ——鍍層自機(jī)體剝離所需的力（Ｎ）
Ｓ——鍍層與機(jī)體結(jié)合面積（ｍｍ２）
3 試驗(yàn)結(jié)果
（1）鍍層厚度 通過金相法測定為0.036～0.054 mm，此為施鍍1h30 min，該結(jié)果與量具測定結(jié)果相一致。
（2）鍍層成分 經(jīng)能譜分析，其結(jié)果是：Ni含量85.15%，P含量13.83%，并含有微量Si和Fe。
（3）鍍層硬度 鍍態(tài)為608.9 HV、566.2 HV、
580.9 HV，平均為585.3 HV。經(jīng)400℃熱處理保溫1 h，硬度為1 072 HV、1 095.4 HV、1 095.4 HV，平均為1 087.6 HV。
（4）耐蝕性 按快速腐蝕硝酸法測試可達(dá)210 s，孔隙率為0.02個孔/cm2，符合技術(shù)要求。
（5）形貌及斷層 測試結(jié)果表明，鍍層由微小顆粒組成，鍍層致密、均勻，無明顯孔隙，鍍層與機(jī)體之間結(jié)合良好。
（6）鍍層的組織結(jié)構(gòu) 鍍層的X射線衍射曲線呈一饅頭狀波峰，該衍射峰向兩側(cè)緩慢降低，呈非晶態(tài)衍射特征，可以確定該鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu) 。
（7）摩擦、磨損試驗(yàn)結(jié)果如表1。
（８）結(jié)合力 化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ鍍層經(jīng)劃痕、彎曲、銼刀、急冷４種方法檢測，結(jié)果良好，未發(fā)現(xiàn)有剝落、起皮等現(xiàn)象，加熱急冷后無起泡現(xiàn)象。采用剝離試驗(yàn)法：測得拉力為６２ ｋＮ?熏試棒直徑Φ ＝２０ ｍｍ，經(jīng)計(jì)算鍍層結(jié)合強(qiáng)度為１９７ ＭＰａ，結(jié)合力優(yōu)于鍍硬鉻。
化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ合金與工業(yè)硬鉻的性能比較如表２?眼３?演。
綜上所述，化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ合金鍍層與鍍硬鉻相比具有硬度高、鍍層均勻、孔隙率低、結(jié)合力好、耐磨抗蝕能力好、污染輕、廢水易處理和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以替代鍍硬鉻。
4 應(yīng)用
選用我廠ＱＹ１２Ｈ汽車起重機(jī)支腿垂直桿４根，其中２根鍍硬鉻，２根化學(xué)鍍Ｎｉ－Ｐ合金，外形尺寸為Φ ８０×６００ ?穴ｍｍ?雪，鍍后裝機(jī)使用，累計(jì)工作３００ ｈ后，拆下檢查，其中化學(xué)鍍件未見異常，使用效果良好。鍍鉻件局部有腐蝕點(diǎn)現(xiàn)象。由此可見，化學(xué)鍍活塞桿優(yōu)于鍍硬鉻活塞桿，另外化學(xué)鍍活塞桿的費(fèi)用也較電鍍活塞桿低１０％～１５％，所以說化學(xué)鍍活塞桿可以替代鍍硬鉻。