50CrVA彈簧內(nèi)圈鍍鎘層厚度研究

楊蕾　孟保利　岳珊

摘要：對(duì)50CrVA彈簧進(jìn)行電鍍鎘，在一定電流密度的條件下，研究彈簧內(nèi)圈電鍍時(shí)間和內(nèi)孔輔助陽(yáng)極材質(zhì)及結(jié)構(gòu)對(duì)鍍層厚度大小和均勻性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：電鍍鎘輔助陽(yáng)極選擇均勻打孔（孔徑為3mm），截面積為10mm×10mm的鎘棒時(shí)，彈簧內(nèi)圈鍍層厚度均勻性最好，彈簧上、中、下端鍍層厚度差異小，厚度大小為8.1μm～10.9μm;，在相同的電流密度下電鍍時(shí)，選擇首先對(duì)彈簧內(nèi)孔單獨(dú)電鍍15min，然后整體電鍍40min的方法，內(nèi)圈與外圈鍍層厚度差異較小，均能滿(mǎn)足工程圖紙和設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞：50CrVA彈簧;鍍鎘;輔助陽(yáng)極;鍍層厚度

Study on the Thickness of Cadmiun Plating Layer in the 50CrVA Spring Inner Ring

YANG Lei1 MENG Baoli1 YUE Shan1

（1. AVIC Xian Aircraft Industry Group Company Ltd.， Xian， Shaanxi Province， 710089 China）

Abstract： This paper studies the Cadmium plating on 50CrVA springs that under the condition of a certain current density， the influence of the plating time and the materials and structure of the inner auxiliary anode on the coating thickness and uniformity of the coating. It is found that an auxiliary Cadmium anode which performed with uniform holes（pore radius is 3mm） and cross-sectional area of 10mm×10mm is used can obtain the uniform coating thickness. And the upper、middle and lower thickness of the spring is small， can obtain 8.1μm～10.9μm. When Cadmium plating at the same current， the method of plating the spring inner hole separately for 15min and then plating the whole spring for 40min that is selected. By this method， the difference of the coating thickness between the inner ring and outer ring is small， which can meet the requirements of the engineering drawings and design.

Key Words： 50CrVA spring; Cadmium plating; Auxiliary anode; Plating thickness

1、引言

50CrVA彈簧鋼具有淬透性好，疲勞強(qiáng)度高，屈服比高等優(yōu)良特性，并且釩的加入使鋼的晶粒細(xì)化，降低過(guò)熱敏感性，提高了強(qiáng)度，因此50CrVA彈簧鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，是一種較高級(jí)的彈簧鋼，廣泛用于各種機(jī)械^[1-4]。但鋼鐵零件耐蝕性較差，實(shí)際工況條件下，受環(huán)境的影響，易在工件表面發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致材料失效。

電鍍鎘是航空裝備常用的表面處理方法之一，因鍍液分散能力好、深鍍能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，鍍鎘層結(jié)晶細(xì)致、與基體結(jié)合力好、且有良好的耐海洋腐蝕的特點(diǎn)，是我國(guó)航空工業(yè)碳鋼和低合金鋼的主要防護(hù)層^[5-9]。因此，為提高彈性零件耐腐蝕性能，在其表面進(jìn)行電鍍鎘。由于彈簧零件尺寸較大，形狀復(fù)雜，內(nèi)外圈電流密度分布不均勻，彈簧內(nèi)圈鍍層厚度無(wú)法測(cè)量等原因，導(dǎo)致彈簧內(nèi)圈鍍鎘層厚度偏小，且上、中、下端鍍層厚度均勻性較差，故彈簧在服役過(guò)程中內(nèi)圈發(fā)生銹蝕。

本文通過(guò)試驗(yàn)研究50CrVA彈簧內(nèi)圈電鍍時(shí)間，內(nèi)孔陽(yáng)極材料和結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)圈鍍層厚度大小和均勻性的影響，力圖改善內(nèi)圈鍍層厚度偏薄且不均勻的現(xiàn)狀，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論得出最佳電鍍時(shí)長(zhǎng)和最優(yōu)內(nèi)孔陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。

2、試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

根據(jù)法拉第電解定律，可得出鍍層厚度的計(jì)算公式：

D= D_ktCη/ρ （1）

其中：D：鍍層平均厚度（μm）

D_k：電流密度（A/dm²）

t：電鍍時(shí)間（min）

C：待鍍金屬的電化學(xué)當(dāng)量（g/A·h）

η：金屬沉積的電流效率（%）

ρ：待鍍金屬的密度（g/cm³）

對(duì)于特定溶液和特定鍍層，C、ρ都為常數(shù)。根據(jù)等式可知，鍍層厚度D的大小與陰極電流密度D_k、電鍍時(shí)間t和電流效率η有關(guān)。

電流效率：

η= （2）

其中，I_k：用于沉積金屬的電流（A）待鍍面積（dm²）

I：總電流（A）

由于I_k= D_k×S_k，I：= D_k×S，其中S_k為待鍍面積（dm²），S為總面積（dm²），即待鍍面積和夾具面積之和，因此：

η= （3）

將等式（3）帶入等式（1）可得：

D= D_ktC/ρ （4）

因此，當(dāng)待鍍面積和夾具面積確定時(shí)候，鍍層厚度D僅和電流密度D_k、電鍍時(shí)間t有關(guān)。

2.2 試驗(yàn)材料

彈簧原材料為50CrVA退火磨光，規(guī)格為12.03×12500mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。彈簧鍍鎘的工藝流程為：產(chǎn)品驗(yàn)收-溶劑清洗-消除應(yīng)力-吹砂-裝掛-前處理-氰化鍍鎘-消除氫脆-鈍化。

2.2 試驗(yàn)方法

電鍍鎘采用的溶液氰化溶液，陽(yáng)極選擇純度大于99.95%，尺寸為100cm×10cm×1cm的鎘板。分別按以下要求進(jìn)行鍍鎘：選擇鋼棒和鎘棒作為內(nèi)陽(yáng)極，保護(hù)至第4圈和第8圈，內(nèi)圈單獨(dú)電鍍10min再整體電鍍30min，研究保護(hù)方式對(duì)鍍層厚度的影響;選擇保護(hù)至第4圈的鋼陽(yáng)極，采取直接對(duì)彈簧整體電鍍40min的方式，與相同條件下單獨(dú)電鍍10min再整體電鍍30min進(jìn)行對(duì)比;按照內(nèi)陽(yáng)極采用直徑為8mm，長(zhǎng)度為110mm的鋼棒、內(nèi)陽(yáng)極采用截面積為10mm×10mm，長(zhǎng)度為110mm的鎘棒、內(nèi)陽(yáng)極采用截面積為10mm×10mm，長(zhǎng)度為110mm的打孔（孔徑為3mm）鎘棒三種條件，選擇內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)至彈簧第4圈、內(nèi)圈單獨(dú)電鍍10min再整體電鍍30min的方式進(jìn)行，以研究?jī)?nèi)孔陽(yáng)極材料和結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)圈鍍層厚度的影響;除此之外，為研究?jī)?nèi)圈單獨(dú)電鍍時(shí)間對(duì)鍍層厚度的影響，分別選擇保護(hù)至彈簧第4圈的鎘棒和打孔鎘棒作為內(nèi)陽(yáng)極，電鍍時(shí)間為10min，12min和15min。按照相關(guān)規(guī)定的厚度系列控制鍍鎘厚度，目標(biāo)值為6-18μm。

電鍍完成后，采用線切割法分別截取彈簧兩端第1圈、第4圈和第30圈作為鍍層厚度測(cè)量試樣，然后采用X-StrataP20 型X射線熒光測(cè)厚儀對(duì)試樣內(nèi)圈鍍層厚度進(jìn)行檢測(cè)。

3、結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)長(zhǎng)度對(duì)彈簧內(nèi)圈鍍層厚度的影響

對(duì)內(nèi)孔陽(yáng)極兩端進(jìn)行保護(hù)是為了防止兩端吸收電流，造成鍍層粗糙且分布不均勻。為改善該問(wèn)題，分別對(duì)鋼陽(yáng)極和鎘陽(yáng)極采取不同保護(hù)方式進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，使用鎘陽(yáng)極和鋼陽(yáng)極獲得的鍍層具有相同的趨勢(shì)：當(dāng)內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)至彈簧第8圈時(shí)，彈簧內(nèi)圈鍍層厚度均勻性差，上端和下端第4圈鍍層厚度薄，未達(dá)到4μm。這是由于陽(yáng)極過(guò)保護(hù)，造成相對(duì)應(yīng)的陰極電流密度小，無(wú)法有效沉積鎘層。選擇陽(yáng)極保護(hù)至彈簧第4圈獲得的鍍層均勻性好。

圖1 內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)長(zhǎng)度對(duì)彈簧內(nèi)圈鍍層厚度的影響（a 內(nèi)陽(yáng)極為鋼，b 內(nèi)陽(yáng)極為鎘）

3.2 電鍍方式對(duì)彈簧內(nèi)圈鍍層厚度的影響

采用對(duì)內(nèi)圈單獨(dú)電鍍10min再整體電鍍30min的方式獲得的內(nèi)圈鍍層厚度明顯優(yōu)于直接對(duì)彈簧內(nèi)外圈同時(shí)電鍍40min。直接對(duì)彈簧整體進(jìn)行電鍍時(shí)，陰極電流密度分布不均勻，內(nèi)陽(yáng)極面積小，導(dǎo)致彈簧內(nèi)圈電流密度較小，鎘離子沉積速度慢，導(dǎo)致鍍層較薄，易產(chǎn)生點(diǎn)狀銹蝕。而對(duì)內(nèi)圈單獨(dú)電鍍時(shí)，在無(wú)外圈吸收電流的情況下，內(nèi)圈電流密度較大，獲得的鍍層厚度也越大。

3.3 內(nèi)孔陽(yáng)極材料和結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)圈鍍層厚度的影響

電鍍過(guò)程中使用的陽(yáng)極具有導(dǎo)電、補(bǔ)充鍍液金屬離子的作用，同時(shí)還可保持陰極電力線分布均勻，可分為溶解性陽(yáng)極和非溶解性陽(yáng)極。鋼陽(yáng)極屬于非溶解性陽(yáng)極，鎘陽(yáng)極屬于溶解性陽(yáng)極。圖1為兩種材料的陽(yáng)極及其結(jié)構(gòu)對(duì)鍍層厚度的影響，分析曲線可知，使用鋼陽(yáng)極時(shí)，鍍層厚度最小，彈簧中部厚度最薄，僅4.0μm;使用鎘陽(yáng)極時(shí)，在相同的電流密度和電鍍時(shí)間下，比使用鋼陽(yáng)極獲得的鎘鍍層厚度更大，但彈簧中部鍍層厚度仍偏薄，鍍層厚度均勻性較差。這是由于溶解性陽(yáng)極可使鍍液的局部濃度增加，在電鍍過(guò)程中，保證鍍液中金屬離子成分的穩(wěn)定，增加鎘的有效析出，從而增加局部鍍層厚度。而鋼陽(yáng)極只能達(dá)到導(dǎo)電、確保內(nèi)圈存在鍍層的作用。兩種方式下彈簧中部的鍍層厚度都較薄，是由于電場(chǎng)分布不均勻，中間部位電場(chǎng)分布較小，電流密度小，兩端較大，導(dǎo)致中間部位鍍層厚度薄。使用打孔鎘陽(yáng)極時(shí)，內(nèi)圈鍍層厚度最大，測(cè)量的四個(gè)部位厚度均在6-18μm范圍內(nèi)。這是由于在鎘陽(yáng)極上打孔能有效增加陽(yáng)極的表面積，進(jìn)一步提高內(nèi)圈電流密度，促進(jìn)鎘離子沉積。

3. 4. 內(nèi)圈電鍍時(shí)間對(duì)彈簧內(nèi)圈鍍層厚度的影響

分析圖4內(nèi)圈電鍍時(shí)間對(duì)鈍化厚度的影響，當(dāng)內(nèi)陽(yáng)極為鎘和打孔鎘棒時(shí)，鍍層厚度具有相同的趨勢(shì)：隨著內(nèi)圈電鍍時(shí)間的增長(zhǎng)，鍍層厚度有明顯增加的趨勢(shì)。對(duì)比圖a和圖b可知，當(dāng)使用打孔鎘陽(yáng)極時(shí)鍍層厚度比使用鎘陽(yáng)極厚且均勻性更好，分析原因可知，打孔鎘陽(yáng)極有效增加陽(yáng)極的表面積，進(jìn)一步提高內(nèi)圈電流密度，促進(jìn)鎘離子沉積。且當(dāng)使用打孔鎘陽(yáng)極內(nèi)圈電鍍15min時(shí)，能獲得符合要求的鍍層厚度，且均勻性最好。

4 結(jié)論

（1）內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)長(zhǎng)度對(duì)彈簧兩端內(nèi)圈的鍍層厚度有影響，選擇內(nèi)陽(yáng)極保護(hù)至彈簧第4圈獲得的鍍層均勻性最好;

（2）采用對(duì)內(nèi)圈單獨(dú)電鍍10min再整體電鍍30min的方式獲得的內(nèi)圈鍍層厚度較好;

（3）使用打孔鎘陽(yáng)極能獲得厚度均勻性較好的鍍層;

（4）當(dāng)使用打孔鎘陽(yáng)極內(nèi)圈電鍍15min時(shí)，能獲得厚度較大，均勻性較好的鍍層。

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