邊超，王延慧，王磊，李廣鵬

（濟(jì)南卡車股份有限公司，山東 濟(jì)南 250116）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對沖壓模具質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。目前市面上經(jīng)常用到的模具材料主要就這幾種：碳素工具鋼、高碳高鉻工具鋼、高速鋼等。常規(guī)的熱處理技術(shù)只能適當(dāng)?shù)靥岣吣＞卟牧系膹?qiáng)韌性,而表面處理技術(shù)能夠全方面地提高模具的性能,使模具的生產(chǎn)壽命增加幾倍甚至幾十倍?，F(xiàn)在我們國內(nèi)汽車企業(yè)生產(chǎn)所使用的大型覆蓋件模具一般都選擇電鍍鉻提升模具表面的性質(zhì)，所形成的電鍍鉻層不僅具有很好的性能（硬度高、耐磨性強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等），而且厚度和結(jié)合程度也能滿足生產(chǎn)需求。這也就讓電鍍鉻在汽車模具的眾多處理方法中能夠脫穎而出，得到了認(rèn)可。本文主要研究模具鍍六價(jià)鉻工藝參數(shù)的優(yōu)化，從而提高模具的使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)原理分析

電鍍法是通過電化學(xué)的原理，將金屬層沉積到工件的表面上。首先要構(gòu)造一個(gè)閉合的電路，一般將要進(jìn)行電鍍的模具工件和直流電源的負(fù)極相連接作為電鍍槽的陰極，把要進(jìn)行鍍覆的金屬（鍍鉻一般是使用鉛版，鉻以鹽的形式存在于電鍍液中）和直流電源的正極連接到一起，作為電鍍槽的陽極。電鍍液一般都為要鍍元素的鹽溶液，其中還要有一部分的添加劑保證電鍍的充分進(jìn)行，電路連通后,會(huì)在電鍍槽的陰極（待鍍工件）上出現(xiàn)想要鍍的金屬層。

2 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

本文實(shí)驗(yàn)所用材料主要有：進(jìn)行鍍鉻的GGG70L，作為電鍍陰極的鉛版，配置電鍍液的原料，試樣處理過程中的各種處理試劑等（表1）。

表1 GGG70L 主要化學(xué)元素及含量

3 電鍍時(shí)間對電鍍鉻效果的影響

電鍍過程其實(shí)是金屬離子還原成金屬晶體而組成鍍層的過程，因此，影響電鍍鉻層厚度其實(shí)就是影響電結(jié)晶的過程，電鍍時(shí)間越長，沉積的厚度也就越厚。通過硬度檢測發(fā)現(xiàn)，電鍍鉻層的硬度隨著電鍍時(shí)間的延長先增大，最終都基本趨于一個(gè)定值。一味地追求過高的表面電鍍鉻層的硬度，有可能會(huì)導(dǎo)致電鍍鉻層的內(nèi)應(yīng)力過高、脆性過大，從而導(dǎo)致電鍍鉻層的結(jié)合力與耐摩擦性能出現(xiàn)下降，或者是因?yàn)樵陔婂冦t層中有過多的有機(jī)碳化物夾雜，最終導(dǎo)致電鍍鉻層的耐腐蝕性或者是其他的性能下降。在一定的范圍內(nèi)，電鍍鉻層的耐磨性不僅與表面的硬度有關(guān)系，還和電鍍鉻層的脆性和附著性有著很大的聯(lián)系。進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)得到的平均摩擦系數(shù)表明電鍍時(shí)間為15min 的時(shí)候，平均摩擦系數(shù)經(jīng)測量為0.5147，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他工藝條件下形成的電鍍鉻層的摩擦系數(shù)要小很多。

通過觀察對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍍時(shí)間為10min 和15min 的時(shí)候，電鍍鉻層的質(zhì)量是最好的。當(dāng)電鍍時(shí)間延長到20min和25min 的時(shí)候，電鍍鉻層的厚度得到了顯著的提升，但表面質(zhì)量卻嚴(yán)重下降。所以，并不是電鍍鉻層的厚度越厚，它的質(zhì)量也就越好。綜合考慮電鍍鉻層的表面質(zhì)量，10min、15min 這兩個(gè)電鍍時(shí)間都是可以的，但電鍍15min 形成電鍍鉻層的厚度比較厚，所以15min 是最適合進(jìn)行電鍍鉻處理的。

4 電鍍溫度對電鍍鉻效果的影響（圖1）

通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，電鍍鉻層的厚度基本都是隨著電鍍溫度的升高而增加。但是隨著電鍍溫度的升高，電鍍鉻層的厚度在58℃之后逐漸不再發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)了負(fù)增長的情況。電鍍鉻層的硬度隨著電鍍溫度的升高而增加，但是隨著電鍍溫度的逐漸升高，硬度的增速也逐漸變緩。

圖1 不同電鍍溫度下形成電鍍鉻層在400 倍金相顯微鏡下結(jié)構(gòu)圖

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電鍍溫度比較高時(shí)，對應(yīng)所形成的電鍍鉻層的厚度也得到了增加，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，電鍍的溫度比較高，分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)也就會(huì)更加快，Cr6+也會(huì)變得活躍起來，電鍍過程中陰極的電流效率也就會(huì)得到提高。但是當(dāng)鍍液的溫度超過某一個(gè)臨界值的溫度，所形成的電鍍鉻層的厚度就會(huì)開始減小。結(jié)合電鍍鉻層厚度與質(zhì)量，通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍍溫度為52℃的時(shí)候，所形成的電鍍鉻層質(zhì)量是最好的。

研究表明，電鍍時(shí)間為15min、電鍍溫度為52℃時(shí)的電鍍鉻層試樣的平均摩擦系數(shù)約為0.5147，遠(yuǎn)比其他的條件下形成的電鍍鉻層的摩擦系數(shù)要低，單從摩擦系數(shù)這個(gè)方面討來論電鍍鉻層的耐磨性。那么，溫度為52℃的時(shí)候，工藝狀況是最佳的。

5 電流密度對電鍍鉻效果的影響（圖2）

圖2 不同電流密度下形成的電鍍鉻層在400 倍金相顯微鏡下的結(jié)構(gòu)圖

通過觀察發(fā)現(xiàn)，電鍍鉻層的厚度隨著電鍍電流密度的增長先是出現(xiàn)增厚，但當(dāng)電流密度超過15A/dm2之后，電鍍鉻層的厚度達(dá)到了一個(gè)臨界值，電鍍鉻層的厚度基本上不再發(fā)生變化。

電鍍鉻層的硬度隨著電鍍電流密度的增長而逐漸增加，但是，在前期增加的速度比較快，后期厚度的增加速度逐漸趨于平緩，但還是有明顯的增加。

通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，在15A/dm2、18A/dm2、21A/dm2這三種不同的電流密度的條件下，最終形成的電鍍鉻層的厚度相差不是太大，從而得出陰極的電流效率有一個(gè)臨界的定值。如果陰極的電流密度太過于高，那么對應(yīng)的它的效率也會(huì)比較高，那么最終所形成的電鍍鉻層的厚度也會(huì)不斷增加，而當(dāng)陰極的電流密度逐漸增大而超出了某個(gè)范圍之后，對應(yīng)得電流效率也達(dá)到了一個(gè)最大值，這時(shí)，如果還繼續(xù)增加陰極的電流密度，它的效率也不會(huì)再繼續(xù)發(fā)生變化了。結(jié)合電鍍層鉻厚度與表面質(zhì)量，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍍的電流密度為15A/dm2的時(shí)候，最終所形成的電鍍鉻層的綜合性能是最好的。

通過實(shí)驗(yàn)曲線看出，各種電流密度的條件下所形成的電鍍鉻層的平均摩擦系數(shù)以15A/dm2的時(shí)候最低。各工藝下磨損時(shí)的平均摩擦系數(shù)：電鍍濃度為200g/L、電流密度為15A/dm2時(shí)形成的電鍍鉻層試樣的平均摩擦系數(shù)約為0.5147，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等條件下電流密度形成的電鍍鉻層的平均摩擦系數(shù)。單從摩擦系數(shù)方面討論電鍍鉻層的耐磨性，電流密度15A/dm2時(shí)，是最有利于形成好的電鍍鉻層的。

6 模具實(shí)際生產(chǎn)研究分析

通過綜合分析，我們最終得到一組電鍍工藝參數(shù)：時(shí)間15min，溫度52℃，電流密度15A/dm2。按照最佳參數(shù)進(jìn)行兩套模具的電鍍鉻處理。通過跟蹤測量這兩套模具每生產(chǎn)3000 件時(shí)關(guān)鍵位置的粗糙度與硬度，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)到48000 件的時(shí)候，模具表面的性質(zhì)還是很穩(wěn)定且滿足工藝要求。

7 結(jié)語

（1）通過大量的實(shí)驗(yàn)研究與性能檢測分析，最終得到了電鍍鉻工藝的優(yōu)化參數(shù)為：電鍍溫度為52℃，陰極電流密度為15A/dm2，電鍍時(shí)間為15min。

（2）采用優(yōu)化后的工藝制備的電鍍鉻層的表面均勻，光亮、平整，無鉻瘤、鉻毛，微裂紋數(shù)量極少，無網(wǎng)絡(luò)狀裂紋質(zhì)量高于其他工藝鍍鉻層。電鍍鉻層與基體間結(jié)合良好，試樣鍍鉻層的厚度均勻，可以達(dá)到13.6μm。顯微硬度相對較高，其值可以達(dá)到882.59HV。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，該鍍鉻層的失重量最小，平均干滑動(dòng)摩擦系數(shù)為 0.5147，耐磨性能最優(yōu)。

（3）通過對使用電鍍鉻最佳參數(shù)處理的模具進(jìn)行生產(chǎn)追蹤，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)到48000 次時(shí)，表面質(zhì)量仍然很穩(wěn)定，且能夠能滿足技術(shù)要求，所生產(chǎn)的產(chǎn)品件也沒有質(zhì)量問題。