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注塑機活塞桿鍍硬鉻工藝分析及質量檢測

瀏覽次數：12274 發布時間：2019年12月17日 10:34:59

[導讀] 鍍硬鉻工藝在注塑機零件上應用十分廣泛。本文以液壓注塑機鎖模活塞桿為例分析了鍍硬鉻前、中、后的工藝流程及重要參數的選擇，并介紹了鍍硬鉻質量檢測方法，為注塑機鍍硬鉻零件的生產過程提供了相關參考依據。

徐鶴 ( 德馬格塑料機械(寧波)有限公司，浙江寧波 315800)

鉻是帶青光的銀白色金屬。鍍鉻層是一種高硬度、高耐磨性的鍍層，它具有較好的耐熱性及良好的化學穩定性。鍍鉻根據工藝要求不同有以下幾種 :裝飾性鍍鉻、滾鍍鉻、鍍硬鉻、黑鉻鍍層、鍍乳白鉻等。

由于鍍鉻層的良好性能，它在工業上獲得了廣泛應用。一臺注塑機由上千個零件組裝而成，其中采用鍍鉻零件有拉桿、活塞桿、導向桿、螺桿、頂出桿等。根據工況要求，注塑機上的油缸活塞桿都需要鍍硬鉻處理。以下以直壓式液壓注塑機的鎖模活塞桿為例來具體說明油缸活塞桿的鍍硬鉻工藝。

1 鍍鉻工藝分析

1.1 鍍鉻零件圖紙分析

圖 1 是該活塞桿的尺寸簡圖，從簡圖上可以看出，該活塞桿材料要求為 45# 鋼調質，Ф120 f7(-0.036/- 0.071)段需鍍鉻處理，其表面粗糙度為 Ra1.6，長度為 530 mm，鍍鉻厚度要求 0.02~0.04 mm。同時，鍍鉻段有較高的尺寸要求(f7)和形狀公差要求(圓柱度 0.02)，表面還需淬火處理。

1.2 鍍鉻前處理

1.2.1 鍍鉻前表面淬火

根據圖紙要求，該活塞桿鍍鉻表面需要表面淬火處理。表面淬火是為了讓金屬硬度形成階梯狀，芯部軟，越往表面越硬，這樣鍍層的附著力，性能會很好; 而且表面淬火能提高工件的表面硬度，這樣磨出來的表面更光亮，粗糙度會低，會有更好的電鍍效果。

表面淬火是將工件放入感應器中，是工件表面產生感應電流，在極短的時間內加熱到淬火溫度后，立即噴水冷卻，使工件表層淬火，從而獲得非常細小的針狀馬氏體組織。根據電流頻率不同，表面淬火分為高頻淬火、中頻淬火和工頻淬火。一般零件淬透層深度在半徑的 1/10 左右時可得到強度、耐疲勞性及韌性的最好配合，結合表 1 及實際生產情況，該零件基材采用電流頻率為 1~10 kHz 的中頻感應淬火，其淬透層深度為 3~5 mm，淬火后表面硬度為 50±5 HRC。中頻淬火后，需要將零件冷卻至常溫，使零件內部應力得到釋放。

圖 1 活塞桿尺寸簡圖

生感應電流，在極短的時間內加熱到淬火溫度后，立即噴水冷卻，使工件表層淬火，從而獲得非常細小的針狀馬氏體組織。根據電流頻率不同，表面淬火分為高頻淬火、中頻淬火和工頻淬火。一般零件淬透層深度在半徑的 1/10 左右時可得到強度、耐疲勞性及韌性的最好配合，結合表 1 及實際生產情況，該零件基材采用電流頻率為 1~10 kHz 的中頻感應淬火，其淬透層深度為 3~5 mm，淬火后表面硬度為 50±5 HRC。中頻淬火后，需要將零件冷卻至常溫，使零件內部應力得到釋放。

1.2.2 鍍鉻前打磨拋光處理

在中頻淬火工序完成后，對該零件基材進行車削、半精磨和精磨處理，鍍鉻段外徑尺寸達到 Ф120 (-0.111/-0.116), 此外還需要拋光處理，以達到圖紙要求的粗糙度要求。一般來說，采用顆粒較細的砂帶或砂輪(如 400# 或 600#)進行拋光處理。拋光后使零件表面粗糙度 (Ra) 在 1.6 um 內，同時清除零件表面明顯的毛刺、氧化皮等缺陷。

根據零件使用工況，對該活塞桿鍍鉻處理后對它的耐磨性要求較高。對零件拋光后表面微觀形狀進行分析，當對給定水平位置 c 輪廓實體材料長度 Ml(c) 如圖 2(a) 所示時，鍍鉻后的耐磨性較好。

圖 2 活塞桿拋光后表面微觀形狀

1.3 鍍鉻處理

1.3.1 鉻酐濃度的選擇與測定

鉻酐 (CrO3) 是鍍鉻液的主要成分之一，其濃度可在很大范圍(50~600 g/L)內變化。然而，鉻酐濃度的高低對鍍鉻液性能和鍍層性質有較大的影響。根據鉻酐濃度的不同，可分為高濃度(350~500 g/L)、中濃度(150~250 g/L)和低濃度(50~150 g/L)鍍鉻液。

在不同工藝條件下鉻酐濃度不同的鍍鉻液的電流效率和分散能力也不同。隨著鉻酐的質量濃度的增加，鍍液的電導率和覆蓋能力均有所提高，但電流效率降低，分散能力也稍有降低。圖 3 為鉻酐的質量濃度對電流效率的影響。由圖 3 可知 :當鉻酐的質量濃度大于 300 g/L 時，電流效率的下降趨勢明顯 ;當鉻酐的質量濃度小于 150 g/L 時，電流效率大于 22%，但較低的鉻酐的質量濃度會導致電鍍槽電壓升高，大大增加鍍液對雜質離子(如 Fe3+)的敏感性，直接影響鍍液的穩定性，同時鍍液的覆蓋能力也變得很差。而且，在 CrO3/SO42- 恒定的條件下，雖鉻酐濃度增加，鍍鉻層硬度有一定程度的減少。所以，采用較稀的鍍液，能獲取較硬的鉻層，從而增加鉻層的耐磨性。

結合實際經驗，該活塞桿采用鉻酐濃度在 220~250 g/L 范圍的電鍍液。采用這個范圍的電鍍液，電流效率能達到 20% 左右，且變化緩慢，易于控制。

圖 3 鉻酐的質量濃度對電流效率的影響

表 2 20°C電鍍液鉻酐濃度、密度、波美度換算

在實際生產中，常通過量波美度來了解電鍍液中鍍鉻槽中鉻酐的含量。取電鍍槽中一定量的電鍍液，冷卻至 20°C，用婆梅氏比重計(波美度比重計)測量其波美度，然后通過表 2 換算出鉻酐的含量。根據實際經驗，鉻酐含量與波美度存在一定的線性關系，因此能判斷出電鍍液中鉻酐含量是否符合要求。

1.3.2 硫酸含量的選擇硫酸是鍍鉻液的催化劑，其質量濃度對鍍層質量

影響很大。當硫酸含量過低時，得不到鍍層或得到的鍍層很少，主要是棕色氧化物。若硫酸過量時，會造成覆蓋能力差、電流效率下降，并可能導致局部或全部沒有鍍層。在確定了鉻酐的質量濃度的基礎上，探索合理的鉻酐與硫酸的質量濃度比。圖 4 為鉻酐與硫酸的質量濃度比對電流效率的影響。從圖中可知，當 CrO3/SO42- 為 100:1 時，電流效率最高，且鍍層外觀質量和性能均較好 ;當 CrO3/SO42- 小于或等于 50:1 時，由于催化劑含量偏高，使陰極膠體膜的溶解速度大于生成速度，陰極電位也達不到鉻的析出電位，導致局部、乃至全部沒有鉻的沉積，鍍液的電流效率降低，分散能力明顯惡化 ;當 CrO3/SO42- 大于 100:1 時， SO42- 含量不足，鍍層的光亮性和鍍液的電流效率降低，得到的鍍層不均勻，有時發花，特別是凹處還可能露出基體金屬。

結合實際經驗以及生產廠家實際能力，在對該活塞桿電鍍時，選取 CrO3/SO42- 為 80:1~100:1。

1.3.3 溫度及陰極電流密度的選擇

在鍍鉻過程中陰極電流密度與溫度之間存在著相互依賴的關系。當電流密度不變時，電流效率隨溫度升高而下降 ;若溫度固定，則電流效率隨電流密度的增大而增加。因此鍍硬鉻時，在滿足鍍層性能的前提下，通常采用較低的溫度和較高的陰極電流密度，以獲得較高的鍍層沉積速度。溫度一定時，隨電流密度增加，鍍液的分散能力稍有改善;相反，電流密度不變，鍍液的分散能力隨鍍液溫度升高而有一定程度的減小。

圖 4 CrO3/SO42- 對電流效率的影響

實際生產上一般采用溫度為 50~60 °C( 常用 55°C)和 30~45 A/dm2(常用 45 A/dm2)的陰極電流密度。經實際試驗得知，設置溫度在 55°C，陰極電流密度在 45 A/dm2 時，能獲得較高耐磨性的鍍鉻層。工藝條件一經確定，在整個過程中，盡可能保持工藝條件的恒定，特別是溫度，變化不要超過 ±1°C。

1.3.4 鉻霧的抑制

鍍鉻過程中，由于使用不溶性陽極，陰極電流效率又很低，致使大量氫氣和氧氣析出，當氣體逸出液面時，帶有大量的鉻酸，形成鉻霧造成嚴重的污染。目前抑制鉻霧的方法有兩種。

(1)浮體法 :將泡沫或塑料球或碎塊放

入電鍍液的液面上(如圖 5 所示)，這些浮體可阻滯鉻霧的逸出。但零件出槽時，操作不方便。另外，鉻酸氧化能力很強，對加入的碎塊有浸蝕作用，使分解產物在鍍液中積累，也會影響鍍層質量。

圖 5 浮體法除鉻霧

(2)加入鉻霧抑制劑 :鉻霧抑制劑是一種表面活性劑，能降低鍍液的表面張力，產生穩定的泡沫層，覆蓋在鍍液表面。目前，最常用的是 F-53

和 F-95 兩種鉻霧抑制劑。 1.4 電鍍后處理 1.4.1 鍍后除氫處理

由于鍍鉻的電流效率低，在陰極上大量析出氫氣，對于該活塞桿，應在電鍍完后保持 180~200°C的溫度，除氫 3 h，以避免發生氫脆。

1.4.2 鍍后拋光處理

按照上述工藝完成電鍍后，經實際檢驗，活塞桿表面的粗糙度(Ra)一般控制在 1.6±1 um。為保證最終活塞桿的鉻鍍層厚度均勻及粗糙度要求，電鍍完成后還需要進行拋光處理。目前使用的方法是用 600# 或 600# 以上較細顆粒的砂帶或砂輪來回拋光 1~2 次，使其表面粗糙度(Ra)小于 1.6 um，同時控制因拋光減少的鉻鍍層厚度在 0.005 mm 以內。