一種改善防滲碳性能的脈沖鍍銅工藝優(yōu)化

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，沈陽 110043）

軍用航空發(fā)動機對多種零件具有較為苛刻的性能要求，為增強某些零件的局部耐磨性、抗氧化性等特殊性能，使局部滲（碳、氮）技術成為一項應用廣泛的工藝技術之一。由于是局部性能增強，對于無需滲（碳、氮）部位的防護成為影響零件整體質量的關鍵因素之一，理論與實踐證明[1]，致密的銅層可有效阻止碳、氮等元素的滲入，因此在軍品生產中普遍采用局部鍍銅工藝實施零件的防護。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，采用普通直流鍍銅工藝需鍍敷600min以上，鍍厚達到30μm以上時，才可有效降低鍍層孔隙率，取得良好的防滲效果，因此直流鍍銅技術在浪費資源的同時，過厚的鍍層極易出現(xiàn)結合力不好、粗糙等質量問題[2-3]。

脈沖電鍍是國內外應用成熟的電鍍技術之一，具有增強結合力、降低孔隙率、改善鍍層質量的顯著優(yōu)點[4-6]。本文通過正交試驗，考察了脈沖電鍍工藝電流密度、正負向工作比等因素對銅層防滲性能的影響，確定了具有良好零件防滲作用的脈沖鍍銅工藝。該工藝技術在提高生產效率的同時改進了零件的防滲效果。

試驗

1 試驗材料與試劑

試驗材料為某軍用發(fā)動機常用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti。試驗所用化學試劑包括NaCN、NiSO4·7H2O等均為分析純。

2 試驗方案

鍍銅槽液選用軍品氰化鍍銅槽液，槽液成分及工藝參數(shù)為：CuCN（20～40）g/L，KCN（10～20）g/L，Na2SO3（1.5～3） g/L，Na2CO3≤100 g/L，溫度＜35℃，陽極材料鉛板鍍銅工藝流程為：除油→水洗→腐蝕→水洗→脈沖鍍銅→水洗→檢查氣孔→水洗→吹干→檢驗。

本研究首先以直流鍍銅的工藝參數(shù)為參考，設計制定3因素3水平的L9（33）正交試驗方案，并以孔隙率作為考核指標，確定適用于防滲碳用的脈沖鍍銅工藝參數(shù)，并對比直流電鍍與脈沖電鍍在防滲性能上的優(yōu)劣。

3 檢測方法

鍍層試樣尺寸為50mm×50mm×5mm。通過將鍍后的試件完全浸入由K3[Fe（CN）6]10 g/L與NaCl 20 g/L組成的溶液中5min，取出后以察看藍色斑點的方式考察孔隙率。通過使用掃描電鏡觀察鍍層表面形貌及滲碳后截面形貌，分析工藝參數(shù)對鍍層質量及鍍層防滲性能的影響。

試驗結果與討論

1 正交試驗結果及鍍層形貌

1.1 正交試驗結果及分析

以單位面積（dm2）上的藍色斑點數(shù)作為考核指標，對以1Cr18Ni9Ti合金為基體材料的試片進行脈沖鍍銅，其正交試驗結果及級差分析結果見表1。可以看出：對于防滲鍍銅層來說，正向工作比的級差與負向工作比的級差值相等，且大于電流密度。由級差分析結果可知，在選擇的影響防滲鍍銅層防滲效果的3個因素中，正向工作比與負向工作比為主要影響因素，電流密度為次要影響因素，即在所考察的3個因素中，正向工作比與負向工作比對鍍層的防滲效果影響最大，其次是電流密度。此外，比較各因素不同水平的平均效果值，可得出各因素不同水平的影響趨勢及最優(yōu)水平組合。

表1 正交試驗結果及級差分析

從圖1可以看出，對于正向工作比影響因素，開始時隨著其比值的增加孔隙數(shù)減小，即防滲效果先呈改善趨勢，在20%點以上則孔隙數(shù)又增加，使防滲效果變差，負向工作比對鍍層的影響效果變化趨勢與之類似。

對于電流密度影響因素，從圖1可以看出隨著電流密度值從初始值增加，鍍層孔隙數(shù)也增加，說明鍍層致密性或防滲效果變差。

圖1 鍍層表面內孔隙數(shù)與不同因素的水平關系Fig.1 Dependence of the porosity in the plating surface on levels of different factors

綜合考慮3個因素不同水平對鍍層防滲效果的影響，最優(yōu)處理工藝的3個影響因素的水平值確定為：正向工作比為20%、負向工作比為10%、電流密度為0.6 A/dm2。

1.2 脈沖工作比對鍍層形貌的影響

為了了解不同脈沖工作比對鍍層微觀形貌的影響，本文對不同鍍層的外觀表面狀態(tài)進行了對比，見圖2（1∶100）。從圖 2中（a）～（d）可以看出，采用單向正脈沖的幾組工藝參數(shù)得到的銅層外觀均不理想，尤其是表面銅層較粗糙，且有明顯的粒子流跡象。而在正向占空比為60%時，試片鍍層工作效率低，雖然鍍層表面結晶相顆粒較為細致，但也存在粒子流現(xiàn)象，且有個別的金屬離子吸附，如圖 2（e）、（f）所示。

在電鍍中引入負向脈沖參數(shù)，從圖2（g）～（j）中可以看出，鍍銅層表面形貌得到明顯改善。采用直流電鍍的鍍層表面晶粒粗大，吸附夾雜較多，而雙脈沖鍍銅表面平整、細致、光亮。這是因為大幅度、短時間的負向脈沖所引起的高度不均勻陽極電流分布會使鍍層凸處被強烈溶解，鍍層表面得到整平。

表2為鍍覆效率和鍍層外觀為評定指標的分析結果。可以看出當正向占空比為20%和40%，負向占空比為10%、20%時，鍍層的表面狀態(tài)最佳。

圖2 不同脈沖工作比及直流條件下的鍍層微觀形貌對比Fig.2 Comparison of surface morphologies of the plating deposited with different pulse duty ratios and a direct current of 1.5A/dm2

2 雙脈沖電鍍對鍍層性能的影響

2.1 對鍍層孔隙率的影響

將濾紙貼于銅層上，停留20min，揭去濾紙，觀察濾紙上有無藍色斑點。如果有孔隙，則會在濾紙上出現(xiàn)藍色斑點。通過試驗可以看到，相對于直流電鍍，脈沖電鍍后試樣表面沒有明顯的藍色斑點，而使用直流電鍍得到的試樣鍍層表面有明顯的微小藍色斑點。這說明使用脈沖電鍍工藝得到的銅鍍層孔隙率明顯降低。

雙脈沖電鍍方式使金屬離子在通電瞬間首先被還原，而氫離子及其他雜質離子未來得及還原時電流就中斷，從而保證了得到析氫少、純度較高的金屬銅鍍層。又由于較大峰值電流的沖擊，使陰極表面各部位的電流密度都遠大于直流鍍電流密度，使得陰極表面同時出現(xiàn)無數(shù)排列緊密的細小晶核，且在晶核未來得及長大時電流即被關斷，隨后又施加短時間的反向電流沖擊。這種周期性雙脈沖電鍍過程使鍍層晶體顯微組織結構細密、孔隙率低。同時由于脈沖電鍍具有比直流電鍍高的活化過電位，因而鍍層生長過程中結晶較容易，覆蓋能力強，不易形成孔隙。

2.2 對鍍層防滲碳性能的影響

根據正交試驗分析結果確定脈沖電鍍的工藝參數(shù)為：電流密度0.6A/dm2、頻率 1000Hz、正向占空比20%、負向占空比10%，文獻7給出了這種工藝的脈沖波形示意圖并進行了詳細描述。采用直流電鍍和脈沖電鍍工藝各制備2個試片（鍍層厚度約20μm），然后帶一個空白試片一起進行滲碳試驗，得到滲層深度最大值約1.3～1.4mm，在滲碳后進行金相顯微鏡觀察。

從圖3可以看出，脈沖鍍銅試片表面沒有出現(xiàn)漏滲現(xiàn)象，而直流鍍銅層試片表面則有輕微的漏滲現(xiàn)象，圖3（a）為沒有進行防滲鍍銅的全裸合金試片截面形貌。在脈沖鍍銅層的厚度達到20μm時，就可以起到防滲的作用。由于脈沖鍍的鍍層晶粒細小，單位覆蓋量所覆蓋的面積必然較大，因此脈沖電鍍層比直流電鍍層組織致密、表面平整、觀察到的孔隙率小，使鍍層防滲碳能力更強，且電鍍速度明顯提高，鍍液分散能力好。

表2 正負不同占空比及直流鍍層條件下表面的外觀對照

2.3 對鍍層均勻性的影響

對于結構復雜的航空發(fā)動機零件，如果零件的深鍍能力和均鍍能力較差，則在進行滲層熱處理時極易出現(xiàn)漏滲現(xiàn)象，所以對鍍層的均勻性也進行了測試。采用兩種方法在相同的時間（120min）內各鍍1個試片，然后用200倍金相顯微鏡進行鍍層截面的厚度均勻性評定。

圖4 防滲直流與脈沖鍍層橫斷面形貌Fig.4 Cross section morphologies of the anti-carburizing plating deposited respectively using direct current and pulse powers

圖4 為防滲直流與脈沖鍍層的橫截面形貌（1∶200）。可以看出脈沖電鍍的零件鍍層均勻，表面比較平整，而直流電鍍零件鍍層較薄且凸凹不平。涂層截面的厚度顯微計算結果表明，相同時間內脈沖鍍銅層的平均厚度為22μ m，直流鍍銅層平均厚度僅為15μ m。由于脈沖電鍍時陰極表面電流或電位的分布是動態(tài)的，在每一個脈沖周期開始時鍍層表面的電流都重新分布一次，從而改善了鍍層厚度的均勻分布，鍍層組織也更均勻，因此脈沖鍍銅工藝的鍍覆效率及均鍍能力明顯優(yōu)于直流電鍍。

2.4 對鍍層抗氧化性的影響

銅是一種柔軟且具有良好的延展性、導電性和導熱性的金屬，其具有較高的化學穩(wěn)定性。但長期暴露于空氣時，易受空氣中各種揮發(fā)性硫化物(如H2S)和鹵化物等污染物的腐蝕，使其表面發(fā)暗變色，不僅影響銅制品或鍍銅制品的外觀色澤，降低裝飾性能，而且更為嚴重的是影響鍍銅件的防粘接性能。因此對于防粘接作用的銅鍍層，增強銅鍍層的抗腐蝕變色能力尤為重要。

將沒有進行鈍化處理的直流和變極性脈沖鍍銅試片分別放置于室溫腐蝕性較大的大氣環(huán)境中，結果直流鍍銅試片表面在第二天就出現(xiàn)變色現(xiàn)象，而脈沖鍍銅試片表面在放置5天之后仍然沒有變色現(xiàn)象，說明雙脈沖鍍銅的抗氧化性優(yōu)于直流鍍銅。

結論

（1）進行1Cr18Ni9Ti表面脈沖鍍銅參數(shù)的正交試驗和鍍層孔隙率極差分析，結果表明正向工作比與負向工作比為主要影響參數(shù)，電流密度對孔隙率影響最小。

（2）通過以鍍層表面形貌為考察指標的正交試驗優(yōu)選脈沖鍍銅參數(shù)，確定正向脈沖鍍銅的頻率1000Hz，工作比為 20%～40%，平均電流密度1.5A/dm2；負向脈沖的頻率1000Hz，工作比為 10%～20%，平均電流密度 0.1～0.2A/dm2。

（3）脈沖鍍層結合力良好，表面形貌、孔隙率及相應的防滲效果均優(yōu)于直流鍍銅層。

（4）通過降低鍍層孔隙率，可以將零件的鍍銅厚度由50～70μm降低到20μm，節(jié)約鍍銅成本，且提高鍍層的鍍覆效率。

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