核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件鍍鉻與磨削工藝研究

王 方,薛 松,米大為

上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

硬鉻鍍層由于具有較高的硬度、較低的摩擦因數(shù)、較好的耐熱性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐輻照性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電器、汽車(chē)制造、機(jī)械儀表、工模具及核島主設(shè)備零部件表面的防護(hù)及修復(fù)[1-8]?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電站核島內(nèi)關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)主設(shè)備之一,其部分零件處在高溫、高壓、強(qiáng)輻照的工況下,為了保證該類(lèi)零件的使用壽命,需要在要求耐磨的表面鍍硬鉻。

在電鍍生產(chǎn)中,由于鍍鉻溶液的分散能力較差而導(dǎo)致鍍層厚度不均勻,隨著鍍層厚度的增加,不均勻性現(xiàn)象更加嚴(yán)重。對(duì)于鍍層較厚的情況,為了使鍍鉻后的尺寸滿足設(shè)計(jì)的要求,常常需要對(duì)零件的鍍鉻層進(jìn)行磨削加工?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求部分零件的平面、內(nèi)孔和外圓的鍍層較厚,最終鍍層厚度不小于70μm,且最終零件表面的尺寸精度要求較高,因此需要對(duì)這些零件的鍍層進(jìn)行磨削加工以滿足設(shè)計(jì)的尺寸要求。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨削類(lèi)零件要求在最終狀態(tài),即鍍層磨削后進(jìn)行著色滲透檢查,驗(yàn)收準(zhǔn)則為不允許出現(xiàn)紅色顯示,包括圓形顯示或線性顯示,且不允許出現(xiàn)任何一片紅色背景。目前行業(yè)普遍存在的問(wèn)題是鍍鉻層磨削后容易出現(xiàn)紅色顯示或紅色背景,從而使鍍鉻磨削后著色滲透檢查合格率較低,因此提高磨削類(lèi)零件鍍層的合格率成為迫切需要解決的問(wèn)題。

針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品鍍鉻層磨削后著色滲透檢查合格率低的問(wèn)題,選取控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型零件,對(duì)鍍鉻工藝、磨削工藝及拋光工藝進(jìn)行了分析和研究,旨在確定一套完整的工藝方法,從而提高產(chǎn)品的合格率。

2 鍍層著色滲透檢查與分析

2.1 鍍層磨削前著色滲透檢查

為了分析造成著色滲透檢查合格率低的影響因素,首先對(duì)鍍鉻后磨削前的零件平面、內(nèi)孔和外圓進(jìn)行了著色滲透檢查,檢查結(jié)果如圖1、圖2及圖3所示。圖1為平面部位鍍鉻后磨削前的檢查結(jié)果,從圖1可知,整個(gè)平面均有紅色網(wǎng)狀顯示。圖2為內(nèi)孔部位鍍鉻后磨削前的檢查結(jié)果,從圖2可知,整個(gè)內(nèi)孔表面均有紅色顯示,紅色顯示呈網(wǎng)狀分布。圖3為外圓部位鍍鉻后磨削前的檢查結(jié)果,從圖3可知,外圓大部分表面均分布著紅色的網(wǎng)狀顯示。

圖1 平面鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

圖2 內(nèi)孔鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

圖3 外圓鍍鉻后磨削前著色滲透檢查顯示

這些網(wǎng)狀顯示是鍍鉻過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋所形成的顯示。硬鉻鍍層在電鍍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氫化鉻,導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)裂紋[9]。裂紋是由鍍鉻時(shí)吸氫和晶格變化所致。通常隨著鍍鉻層厚度的增加,內(nèi)應(yīng)力增大,裂紋的數(shù)量增多。由于這種微裂紋屬于網(wǎng)狀裂紋,不僅對(duì)鍍層的結(jié)合力沒(méi)有不良影響,微裂紋反而可以釋放鍍層內(nèi)的應(yīng)力,但是這種微裂紋的存在使著色滲透檢查時(shí)容易出現(xiàn)紅色顯示。

在航空材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 2440B《鍍鉻磨削后的探傷檢測(cè)》中,對(duì)鍍鉻層進(jìn)行熒光滲透檢查時(shí),也發(fā)現(xiàn)了由鍍層內(nèi)應(yīng)力造成的網(wǎng)狀裂紋,如圖4所示。在航空材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 2440B中,由于鍍層內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂紋出現(xiàn)的顯示能被接受。

圖4 鍍鉻層中的網(wǎng)狀裂紋

2.2 鍍層磨削后著色滲透檢查

鍍層磨削后著色滲透檢查結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。從圖5可知,平面上的鍍層磨削后著色滲透檢查結(jié)果主要呈現(xiàn)斷續(xù)、短小的線狀顯示。內(nèi)孔和外圓鍍層磨削后主要呈現(xiàn)帶狀顯示,如圖6和圖7所示。鍍層磨削后的顯示均無(wú)明顯的網(wǎng)狀分布,而是呈現(xiàn)砂輪的磨削痕跡,這些痕跡是誤磨削產(chǎn)生的微小裂紋呈現(xiàn)的顯示。誤磨削是由于磨削時(shí)選用的砂輪不當(dāng)或者磨削參數(shù)不合理,磨削過(guò)程中產(chǎn)生了微小裂紋,這種裂紋通常伴隨著磨削砂輪的痕跡。在航空材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 2440B中提到了這種裂紋,如圖8所示,SAE AMS 2440B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定由于誤磨削產(chǎn)生的這種微小裂紋出現(xiàn)的顯示不能接受。除了砂輪的磨削痕跡,控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鍍鉻零件著色滲透檢查結(jié)果還可見(jiàn)紅色背景,紅色背景是由于網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)的鍍鉻層經(jīng)磨削后檢查時(shí)呈現(xiàn)的現(xiàn)象?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件鍍鉻層著色滲透檢查的驗(yàn)收準(zhǔn)則為不允許出現(xiàn)任何顯示及紅色背景。

圖5 平面磨削后著色滲透檢查顯示

圖6 內(nèi)孔磨削后著色滲透檢查顯示

圖8 誤磨削產(chǎn)生的微裂紋

從核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鍍鉻零件的著色滲透檢查與非核行業(yè)如航空材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 2440B對(duì)比可以看出:航空材料標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 2440B對(duì)于鍍層內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂紋出現(xiàn)的顯示可以接受,而對(duì)于磨削不當(dāng)造成的磨削裂紋視為不合格。核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鍍鉻層的著色滲透檢查的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求更高,其不允許鍍層中出現(xiàn)任何顯示,包括由于鍍鉻過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋出現(xiàn)的顯示,高要求的著色滲透檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則以及硬鉻鍍層特殊的網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)使其對(duì)鍍鉻工藝和磨削加工工藝均提出了更高的要求。

2.3 鍍層著色滲透檢查合格率低的影響因素

通過(guò)試驗(yàn)研究分析,發(fā)現(xiàn)鍍鉻磨削后鍍層著色滲透檢查合格率低產(chǎn)生的主要原因有以下幾點(diǎn):鍍層質(zhì)量問(wèn)題及鍍層厚度嚴(yán)重超差,用于鍍層磨削的砂輪及磨削參數(shù)不合理,著色滲透檢查不合格部位的拋光方式不恰當(dāng)。

2.3.1 鍍層質(zhì)量問(wèn)題及厚度超差

鍍鉻時(shí)零件的預(yù)熱是否充分、待鍍表面的活化程度、零件及鍍液的清潔度等對(duì)鍍層的性能尤其是鍍層的結(jié)合力有著重要的影響。鍍液溫度、電流密度、鉻酐及硫酸的濃度及比例對(duì)鍍層的質(zhì)量和性能,如鍍層硬度、外觀質(zhì)量及致密度(包括裂紋數(shù)量及寬度)等起著決定性的作用。由于之前電鍍時(shí)各種電鍍參數(shù)的搭配不夠合理,因此鍍層的裂紋數(shù)量較多且尺寸較粗大,磨削后著色滲透檢查時(shí)即出現(xiàn)紅色背景。

由于鍍鉻溶液分散能力差,對(duì)于施鍍時(shí)間較長(zhǎng)、電流較大的鍍硬鉻,電鍍時(shí)臺(tái)階、倒角、邊緣、開(kāi)槽處由于尖端放電或邊緣放電效應(yīng)容易造成電流分布不均勻,在這些部位產(chǎn)生鍍層堆積,隨著鍍層厚度的增加,邊角部位甚至出現(xiàn)毛刺或鉻瘤等缺陷。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品電鍍時(shí)臺(tái)階、倒角、零件邊緣及開(kāi)槽處的鍍層厚度容易超差,最厚的部位超出圖紙規(guī)定尺寸0.2 mm左右。由于這些部位的鍍層過(guò)厚,鍍鉻層磨削加工過(guò)程中,如果這些鍍層堆積部位磨削參數(shù)不合理,容易在這些部位引起應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生,在隨后的著色滲透檢查時(shí)該部位即出現(xiàn)紅色顯示。

2.3.2 砂輪及磨削參數(shù)不合理

磨削鍍鉻層時(shí),對(duì)所使用的砂輪型號(hào)及磨削參數(shù)均應(yīng)有嚴(yán)格規(guī)定。如選用的砂輪粒度、硬度等屬性與鍍鉻層性能不匹配,會(huì)在鍍鉻層表面產(chǎn)生磨削裂紋。硬鉻鍍層需經(jīng)粗磨和精磨加工,如果磨削工藝不當(dāng),如每道磨削量過(guò)大及冷卻效果不佳等因素也會(huì)在鍍層表面產(chǎn)生磨削裂紋,在隨后的著色滲透檢查時(shí)會(huì)出現(xiàn)紅色顯示。

2.3.3 拋光方式不恰當(dāng)

在以前的著色滲透檢查時(shí),對(duì)出現(xiàn)紅色顯示的部位均采取手工拋光方式,即將零件固定在鉗床上采用拋輪對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行拋光,且直接采用粒度較粗的拋輪進(jìn)行拋光處理。如果某區(qū)域經(jīng)多次拋光后仍然有紅色顯示,需要反復(fù)拋光直至著色滲透檢查時(shí)無(wú)紅色顯示為止。采用粒度較粗的拋輪反復(fù)拋光容易導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生新的裂紋或者已有裂紋進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展,甚至發(fā)展成宏觀裂紋,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鍍層脫落,最終需要進(jìn)行退鍍。

3 鍍鉻及磨削工藝的優(yōu)化

針對(duì)以上造成著色滲透檢查合格率低的影響因素,采取了如下解決措施:優(yōu)化鍍鉻工藝及工裝掛具以提高鍍層質(zhì)量及控制鍍層厚度均勻性;選用合適的砂輪及磨削參數(shù)以防止磨削裂紋的產(chǎn)生;采取合理的拋光方式及拋光參數(shù)以避免局部區(qū)域過(guò)分拋光。

3.1 優(yōu)化鍍鉻工藝及工裝掛具

鍍鉻時(shí)工藝參數(shù)的合理與否決定著鍍層的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)鍍液進(jìn)行定期過(guò)濾以確保鍍液清潔,根據(jù)不同零件制定相應(yīng)預(yù)熱時(shí)間以保證零件充分預(yù)熱,對(duì)零件待鍍表面進(jìn)行充分活化以保證鍍層的結(jié)合力,加強(qiáng)零件清洗檢驗(yàn)確保被鍍零件的清潔度。通過(guò)大量的試驗(yàn),確定了最佳的鍍鉻工藝參數(shù)范圍:鉻酐為220～300 g/L,硫酸為2.2～3 g/L,且鉻酐與硫酸的比例在100∶1左右;鍍液溫度為50～60 ℃;電流密度為20～46 A/dm2。在該參數(shù)范圍內(nèi)的鍍層外觀質(zhì)量均勻、鍍層硬度較高及鍍層致密度良好。

鍍鉻時(shí)工裝掛具設(shè)計(jì)的合理性和安裝的準(zhǔn)確性決定了鍍層厚度的均勻性。通過(guò)調(diào)整鍍鉻工裝和陽(yáng)極的形狀、尺寸,使其盡可能合理,在安裝工裝時(shí)注意仔細(xì)檢查安裝是否到位,陽(yáng)極擺放是否均勻以及輔助陽(yáng)極的定位是否準(zhǔn)確,非電鍍部位的保護(hù)是否恰當(dāng),電鍍時(shí)做好陰極屏蔽,降低尖端放電效應(yīng)的影響,減少鍍層在整個(gè)表面上的不均勻性。通過(guò)以上措施,可避免臺(tái)階、倒角、零件邊緣及開(kāi)槽處的鍍層過(guò)厚,從而保證這些部位鍍后尺寸在圖紙規(guī)定范圍之內(nèi)。

3.2 選用合適的砂輪及磨削參數(shù)

原工藝采用的砂輪粒度較粗、硬度較高,且砂輪的自銳性較差。通過(guò)大量的砂輪選型試驗(yàn),采用紅剛玉砂輪、綠色碳化硅砂輪、白剛玉砂輪、單晶剛玉砂輪,試驗(yàn)表明白剛玉砂輪和單晶剛玉砂輪的粒度、硬度及自銳性最適合磨削鍍鉻層。采用磨料粒度較細(xì)、硬度較軟的白剛玉砂輪和單晶剛玉砂輪對(duì)鍍鉻層進(jìn)行粗磨和精磨,磨削時(shí)冷卻應(yīng)充分,并采用過(guò)濾裝置對(duì)循環(huán)使用的冷卻劑進(jìn)行過(guò)濾處理,以保證冷卻劑的清潔及無(wú)鐵屑等雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)砂輪及磨削參數(shù)的調(diào)整,以確保磨削后鍍層無(wú)裂紋產(chǎn)生。

3.3 拋光工序的調(diào)整及優(yōu)化

對(duì)經(jīng)著色滲透檢查不合格的零件鍍層進(jìn)行拋光處理時(shí),對(duì)于內(nèi)孔和外圓,采用在車(chē)床上拋光,零件以一定的速度旋轉(zhuǎn),以便對(duì)零件進(jìn)行均勻地拋光,避免局部區(qū)域過(guò)分拋光。對(duì)于平面部位,采用在鉗床上進(jìn)行手工拋光。拋光工具均為磨料粒度較細(xì)的砂紙或砂布磨頭。拋光時(shí)固定拋光參數(shù),確保拋光僅提升鍍層的表面質(zhì)量。

4 工藝優(yōu)化后的結(jié)果

針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件鍍鉻磨削后著色滲透檢查時(shí)出現(xiàn)紅色顯示的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)鍍鉻工藝參數(shù)的調(diào)整,以及對(duì)電鍍后磨削類(lèi)零件進(jìn)行了砂輪選型、磨削參數(shù)的調(diào)整、拋光方式及拋光參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化,確定了合適的鍍鉻工藝參數(shù)、鍍層磨削參數(shù)、拋光方式及拋光參數(shù)。采用優(yōu)化后的工藝對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行鍍鉻及磨削處理后,磨削類(lèi)零件的平面、內(nèi)孔、外圓只有局部輕微泛紅。對(duì)有顯示的部位采用優(yōu)化后的拋光參數(shù)進(jìn)行拋光處理后,著色滲透檢查零件合格率均能達(dá)到90%以上。工藝改進(jìn)后的著色滲透檢查結(jié)果如圖9、圖10及圖11所示。

圖9 平面磨削后著色滲透檢查合格

圖10 內(nèi)孔磨削后著色滲透檢查合格

圖11 外圓磨削后著色滲透檢查合格

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鍍鉻層磨削用砂輪類(lèi)型、磨削參數(shù)、拋光方式以及拋光參數(shù)進(jìn)行合理選用,并嚴(yán)格控制及工裝掛具的調(diào)整,有效地避免了鍍鉻層產(chǎn)生磨削裂紋及出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,解決了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件鍍鉻層磨削后著色滲透檢查合格率低的問(wèn)題。獲得了質(zhì)量良好及厚度均勻的硬鉻鍍層。