液壓缸是液壓系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，用于執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛。液壓缸活塞桿是液壓缸的重要部件，它通常采用35、34號(hào)或無(wú)縫鋼管做成實(shí)心桿或空心桿，為了提高耐磨性的防銹蝕，目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工藝是表面鍍硬鉻(鍍層厚度0.02~0.05mm)并拋光，其表面粗糙度Ra為1.6~0.4μm。由于鍍鉻對(duì)人、環(huán)境污染嚴(yán)重，屬國(guó)家環(huán)保線值項(xiàng)目，且鍍層不均勻，孔隙率高，容易起皮，鍍鉻費(fèi)用也比較高，不能滿足生產(chǎn)上的需要，因此采用合適經(jīng)濟(jì)的鍍層取代鍍鉻一直是工程機(jī)械行業(yè)的重要課題。

化學(xué)鍍是利用溶液中的氧化還原化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行金屬沉積的工藝，通常是指沒(méi)有外加電流作用下以還原劑將溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在機(jī)體表面形成金屬鍍層的表面加工方法，化學(xué)鍍Ni-P合金非晶態(tài)鍍層，具有優(yōu)異的性能，可明顯的提高硬鍍、耐磨性和耐蝕性，可代替鍍硬鉻?；瘜W(xué)鍍的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需電鍍電源，對(duì)于各種形狀的工件可取得厚度均勻的鍍層，時(shí)效處理溫度低、變形小等。

1 化學(xué)鍍Ni-P合金的基本原理

次亞磷酸根離子催化、氧化釋放出活性原子氫是沉積過(guò)程的第一步：

H2PO2-+H2O→HPO32+H++2Hxi

Ni2+和H2PO2-在機(jī)體表面上被吸附的氫原子還原而得到Ni-P合金沉積層：

Ni2++2Hxi→Ni+2H+

H2PO2-+Hxi→H2O+OH-+P

同時(shí)吸附氫原子復(fù)合放出氫氣：

2Hxi→H2↑

由此導(dǎo)出的總反應(yīng)式為：

Ni2++H2PO2-+H2O→Ni+P+HPO32+H+H2↑

根據(jù)上述可知，化學(xué)沉積Ni-P合金與電鍍不同之處在于：電鍍是利用電能將金屬陽(yáng)離子還原成金屬并沉積在陰極上，而化學(xué)鍍是在無(wú)直流電源條件下，用化學(xué)還原方法使鎳陽(yáng)離子還原成金屬鎳并沉積在催化金屬表面上。由于鐵、鎳等金屬及合金都具有催化作用，因此上述合金材料都可和沉積Ni-P合金，而且一旦開(kāi)始后，由于鎳的自身催化作用，這種氧化還原反應(yīng)就會(huì)在鍍件各處均勻的連續(xù)不斷的進(jìn)行下去，從而獲得一定厚度的Ni-P合金鍍層。當(dāng)鍍層含磷較高，一般為8%~13.5%時(shí)，鍍層結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)。這種結(jié)構(gòu)不存在晶界、位錯(cuò)等組織缺陷，不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。為鍍層提供了比電鍍層好的耐蝕性。由于Ni-P合金鍍層硬度較高，在沉積狀態(tài)下，鍍層硬度為500~600HV，400°C熱處理后為980~1100HV，所以它具有相當(dāng)于或優(yōu)于鍍硬鉻的耐磨性。

化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但在工程機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用比較少，作者嘗試將化學(xué)鍍技術(shù)應(yīng)用于工程起重機(jī)的液壓缸活塞桿，以代替鍍硬鉻的耐磨性。

2 工藝過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 化學(xué)鍍Ni-P工藝

試件：35鋼板，厚度mm，20×40(mm)若干。

工藝流程為：化學(xué)除油→水沖洗→活化→水沖洗→活化→化學(xué)鍍→熱水沖洗→皂化。

工藝條件：

NiSO47H2O 20g/L

NaH2PO2OH2O 20g/L

醋酸鈉 15g/L

xg-100ENT添加劑 30ml/L

PH 6.5~8.0

施鍍時(shí)鍍液溫度 88±2(°C)

裝載量 1~2.5dm2/L(dm2為工件的表面積)

沉積速度 15~20um/h

2.2測(cè)試方法

(1)鍍層厚度 通過(guò)金相法和量具測(cè)定。

(2)鍍層成分 利用TN-5502能譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行能譜分析，以確定其主要成分及百分含量。

(3)鍍層硬度 利用MICROMEF型數(shù)據(jù)顯微硬度計(jì)測(cè)定。測(cè)定條件為：鍍層厚度大于2μm，載荷100g(10-2N)30~50s。鍍層應(yīng)光滑、平整、無(wú)油污。

(4)耐蝕性 應(yīng)用快速硝酸法及孔隙率進(jìn)行測(cè)定。

(5)形貌及斷層 以S-570掃描電鏡觀察測(cè)定。

(6)鍍層結(jié)構(gòu)分析 采用D/NQ-Y13X射線衍射儀測(cè)定。

(7)摩擦磨損試驗(yàn) 利用M-200型試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)條件：20號(hào)機(jī)油，20滴/min，載荷50N，時(shí)間10min/次，對(duì)磨材料：GCr15，直徑φ47mm。

(8)結(jié)合力的檢驗(yàn) 分為定性檢驗(yàn)和定量檢驗(yàn)，通常采用定性檢驗(yàn)。定性檢驗(yàn)為：試板經(jīng)化學(xué)鍍Ni-P合金后，分別采用劃痕法、彎曲法、銼刀銼及加熱300°C急冷法，然后用目視方法檢查鍍層。定量檢驗(yàn)采用剝離試驗(yàn)法：將T型試棒裝入有機(jī)玻璃套內(nèi)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳(如圖1a)，應(yīng)盡量鍍厚些，鍍后將試棒肩部削掉，注意保留鍍層。然后裝在專用夾具上，在拉力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鍍層做剝離試驗(yàn)(如圖1b)。根據(jù)被測(cè)鍍層與試棒的結(jié)合面積和剝離鍍層所需拉力計(jì)算鍍層結(jié)合力。

p=F/S

式中：P——鍍層結(jié)合強(qiáng)度(MPa)

F——鍍層自機(jī)體剝離所需的力(N)

S——鍍層與機(jī)體結(jié)合面積(mm2)

3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)鍍層厚度 通過(guò)金相法測(cè)定為0.036~0.054mm，為此施鍍1h30min，該結(jié)果與量具測(cè)定結(jié)果相一致。

(2)鍍層成分 經(jīng)能譜分析，其結(jié)果是：Ni含量85.15%，P含量13.83%，并含有微量Si和Fe。

(3)鍍層硬度 鍍態(tài)為608.9HV、566.2HV、58.09HV，平均為585.3HV。經(jīng)400°C熱處理保溫1h，硬度為1072HV、1095.4HV、1095.4HV，平均為1087.6HV。

(4)耐蝕性 按快速腐蝕硝酸法測(cè)試可達(dá)210s，孔隙率為0.02個(gè)孔/cm2，符合技術(shù)要求。

(5)形貌及斷層 測(cè)試結(jié)果表明，鍍層由微小顆粒促成，鍍層致密、均勻，無(wú)明顯孔隙，鍍層與機(jī)體治安結(jié)合良好。

(6)鍍層的組織結(jié)構(gòu) 鍍層的X射線衍射曲線呈一饅頭狀波峰，該衍射峰向兩側(cè)緩慢降低，呈非晶態(tài)衍射特征，可以確定該鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

(7)摩擦、磨損試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 摩擦、磨損試驗(yàn)結(jié)果

(8)結(jié)合力 化學(xué)鍍Ni-P鍍層經(jīng)劃痕、彎曲、銼刀、急冷4種方法檢測(cè)，結(jié)果良好，未發(fā)現(xiàn)有削落、起皮等現(xiàn)象，加熱急冷后無(wú)起泡現(xiàn)象。采用剝離試驗(yàn)法：測(cè)得拉力為62kN，試棒直徑φ20mm，經(jīng)計(jì)算鍍層結(jié)合強(qiáng)度為197MPa，結(jié)合力優(yōu)于鍍硬鉻。

化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層與鍍硬鉻相比具有硬度高、鍍層均勻、孔隙率低、結(jié)合力好、耐磨抗蝕能力好、污染輕、廢水易處理和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以替代鍍硬鉻。

4 應(yīng)用

選用我廠QY12H汽車起重機(jī)支腿垂直桿4根，其中2根鍍硬鉻，2跟化學(xué)鍍Ni-P合金，外形尺寸為φ80×600mm，，鍍后裝機(jī)使用，累計(jì)工作300h后，拆下檢查，其中化學(xué)鍍件未見(jiàn)異常，使用效果良好。鍍鉻件局部有腐蝕點(diǎn)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，化學(xué)鍍活塞桿優(yōu)于鍍硬鉻活塞桿，另外化學(xué)鍍活塞桿可以代替鍍硬鉻。

表2 化學(xué)鍍與工業(yè)鍍鉻的性能對(duì)比