液壓缸活塞桿采用化學鍍工藝的可行性研究

液壓缸是液壓系統中重要的執行元件，用于執行往復運動，在工程機械中應用廣泛。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心桿或空心桿，為了提高耐磨性和防銹蝕，目前國內傳統工藝是表面鍍硬鉻（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、環境污染嚴重，屬國家環保限制項目，且鍍層不均勻，孔隙率高，容易起皮，鍍鉻費用也比較高，不能滿足生產上的需要，因此采用合適經濟的鍍層取代鍍鉻一直是工程機械行業的重要課題。
化學鍍是利用溶液中的氧化還原化學反應進行金屬沉積的工藝，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，化學鍍Ｎｉ－Ｐ合金非晶態鍍層，具有優異的性能，可明顯地提高硬度、耐磨性和耐蝕性，可替代鍍硬鉻。化學鍍的特點是設備簡單，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
同時吸附氫原子復合放出氫氣：
２Ｈｘｉ→Ｈ２↑
由此導出的總反應式為：
Ｎｉ２＋＋Ｈ２ＰＯ２－＋Ｈ２Ｏ→Ｎｉ＋Ｐ＋ＨＰＯ３２－＋Ｈ＋＋Ｈ２↑
根據上述可知，化學沉積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，而化學鍍是在無直流電源條件下，用化學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，這種氧化還原反應就會在鍍件各處均勻地連續不斷地進行下去，從而獲得一定厚度的Ni-P合金鍍層。當鍍層含磷量較高，一般為8%～13.5%時，鍍層結構為非晶態。這種結構不存在晶界、位錯等組織缺陷，不會產生晶間腐蝕和應力腐蝕。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,所以它具有相當于或優于鍍硬鉻的耐磨性。
化學鍍Ni-P合金鍍層在工業中應用廣泛，但在工程機械行業中應用比較少，作者嘗試將化學鍍技術應用于工程起重機的液壓缸活塞桿，以替代鍍硬鉻，保證了液壓缸的性能，取得滿意的效果。
2 工藝過程及試驗方法
２．１ 化學鍍Ｎｉ－Ｐ工藝
試件：35鋼板，厚度1 mm，20×40 (mm)若干。
工藝流程為：化學除油→水沖洗→活化→水沖洗→活化→化學鍍→熱水沖洗→皂化。
工藝條件：
NiSO47H2O 0.072～0.11 mol/L
NaH2PO2PH2O 0.28～0.33 mol/L
復合絡合劑 0.17～0.20 mol/L
緩沖劑 20～30 g/L
穩定劑 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 型數顯微硬度計測定。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。鍍層應光滑、平整、無油污。
（4）耐蝕性 應用快速硝酸法及孔隙率進行測
定。
（5）形貌及斷層 以S-570掃描電鏡觀察測定。
（6）鍍層結構分析 采用D/NQ-Y13 X射線衍
射儀測定。
（7）摩擦磨損試驗 利用M-200型試驗機測
定。試驗條件：20號機油，20滴/min,載荷50 N，時間10 min/次，對磨材料：GCr15，直徑Φ ４７ ｍｍ。
（8）結合力的檢驗 分為定性檢驗和定量檢驗，通常采用定性檢驗。定性檢驗為：試板經化學鍍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。定量檢驗采用剝離試驗法：將T型試棒裝入有機玻璃套內進行化學鍍鎳（如圖1a），應盡量鍍厚些，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，在拉力試驗機上對鍍層做剝離試驗（如圖1b）。根據被測鍍層與試棒的結合面積和剝離鍍層所需拉力計算鍍層結合力。
ｐ＝Ｆ/Ｓ
式中： ｐ——鍍層結合強度 （ＭＰａ）
Ｆ——鍍層自機體剝離所需的力（Ｎ）
Ｓ——鍍層與機體結合面積（ｍｍ２）
3 試驗結果
（1）鍍層厚度 通過金相法測定為0.036～0.054 mm，此為施鍍1h30 min，該結果與量具測定結果相一致。
（2）鍍層成分 經能譜分析，其結果是：Ni含量85.15%，P含量13.83%，并含有微量Si和Fe。
（3）鍍層硬度 鍍態為608.9 HV、566.2 HV、
580.9 HV，平均為585.3 HV。經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210 s，孔隙率為0.02個孔/cm2，符合技術要求。
（5）形貌及斷層 測試結果表明，鍍層由微小顆粒組成，鍍層致密、均勻，無明顯孔隙，鍍層與機體之間結合良好。
（6）鍍層的組織結構 鍍層的X射線衍射曲線呈一饅頭狀波峰，該衍射峰向兩側緩慢降低，呈非晶態衍射特征，可以確定該鍍層為非晶態結構 。
（7）摩擦、磨損試驗結果如表1。
（８）結合力 化學鍍Ｎｉ－Ｐ鍍層經劃痕、彎曲、銼刀、急冷４種方法檢測，結果良好，未發現有剝落、起皮等現象，加熱急冷后無起泡現象。采用剝離試驗法：測得拉力為６２ ｋＮ?熏試棒直徑Φ ＝２０ ｍｍ，經計算鍍層結合強度為１９７ ＭＰａ，結合力優于鍍硬鉻。
化學鍍Ｎｉ－Ｐ合金與工業硬鉻的性能比較如表２?眼３?演。
綜上所述，化學鍍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、結合力好、耐磨抗蝕能力好、污染輕、廢水易處理和成本低等優點，可以替代鍍硬鉻。
4 應用
選用我廠ＱＹ１２Ｈ汽車起重機支腿垂直桿４根，其中２根鍍硬鉻，２根化學鍍Ｎｉ－Ｐ合金，外形尺寸為Φ ８０×６００ ?穴ｍｍ?雪，鍍后裝機使用，累計工作３００ ｈ后，拆下檢查，其中化學鍍件未見異常，使用效果良好。鍍鉻件局部有腐蝕點現象。由此可見，化學鍍活塞桿優于鍍硬鉻活塞桿，另外化學鍍活塞桿的費用也較電鍍活塞桿低１０％～１５％，所以說化學鍍活塞桿可以替代鍍硬鉻。