断电引起的含钨合金钢模具镀硬铬层剥落的故障分析和处理

杨旭，霍大勇*

（1.南阳理工学院，河南 南阳 473004；2.喀什大学，新疆 喀什 844006）

断电引起的含钨合金钢模具镀硬铬层剥落的故障分析和处理

杨旭1，霍大勇2,*

（1.南阳理工学院，河南 南阳 473004；2.喀什大学，新疆 喀什 844006）

分析了含钨合金钢模具镀硬铬生产中断电引起的4例镀层剥落故障，给出了相应的处理措施。并介绍了同类故障的其他诱因和解决办法。

含钨合金钢；镀硬铬；断电；镀层剥落；故障处理

某机械厂长期自制热铸模具，模具的基体金属为3Cr2W8V合金钢，采用镀硬铬工艺强化模具的加工表面硬度。代表性模具为金属挤压筒和金属穿孔针。其中挤压筒的典型尺寸为：内径360 mm，长度700 ～ 900 mm，壁厚30 ～ 50 mm，内腔硬铬镀层厚度30 ～ 56 μm。金属穿孔针的典型尺寸为：长度1.5 m，顶端球状梢度50 ～ 100 mm，直径30 ～ 150 mm，表面硬铬镀层厚度30 ～ 56 μm。笔者在长期的生产实践中，记录了一些关于模具镀硬铬的典型故障案例。本文对断电引起的模具硬铬镀层结合力差而致剥落的故障进行分析，并结合实例分析了其他诱因引起的此类故障，以供同行参考。

1 【实例1】长时间的中途断电

1. 1 故障现象

在温度55 °C、直流电压(18 ± 1) V、阴极电流密度60 A/dm2的条件下，对金属挤压筒内表面镀硬铬，施镀过程中部分班次的镀件发生镀层剥落现象。

1. 2 分析及处理

该机械厂地处山区，而电镀车间又位于厂区的偏远之处，当时因供电负荷过载，供电部门实行了分区压负荷供电的措施，造成部分电镀班次中途断电，从而引起上述故障。与供电部门协商保证电镀过程中供电的连续性后，故障排除。

1. 3 技术措施

镀硬铬过程中出现断电时，镀铬层表面会迅速氧化成膜，若通电后直接施镀，镀层结合力差，从而引起起皮、剥落的现象[1-3]。断电时间超过15 min时，可以通过对镀件进行阳极侵蚀来补救，步骤如下：

(1) 转换直流电源的电极，将模具工件作为阳极，在(35 ± 5) A/dm2下电解30 ～ 100 s，以侵蚀工件表面的氧化膜，使工件表面原有的镀层获得微观粗糙的表面。

(2) 侵蚀结束后，迅速转换直流电源的电极，将被镀工件变为阴极，先在(100 ± 20) A/dm2下冲击镀3 min，再在60 A/dm2下继续正常电镀。

2 【实例2】短时间的中途断电

2. 1 故障现象

同一生产线，保证电镀过程中连续供电后，对金属挤压筒内表面镀硬铬，工艺条件与实例1相同。但施镀过程中某些班次镀件依旧存在镀层剥落的现象。

2. 2 分析及处理

有了前次处理故障的经验，首先从供电方面找问题。供电的中断包含两种：一是交流电源断电，二是整流设备故障造成的直流电源中断。检查设备没有问题。查看变电所的供电记录发现，故障批次和变电所的倒闸操作有关。当施镀过程中出现短时间断电后，改用阶梯式给电后再继续电镀，故障排除。

2. 3 技术措施

镀硬铬过程中出现短时间断电后，工件表面会形成较薄的氧化膜，通过阶梯式给电活化基体表面后再继续电镀，可以保证镀层的结合力，避免镀层剥落。步骤如下：

(1) 分别控制直流电压和阴极电流密度为(3.5 ± 0.5) V和(20 ± 5) A/dm2，以保证基体上仅有析氢反应(以镀槽内轻微冒气泡为准)，持续5 ～ 10 min。初生态的氢原子具有很强的还原能力，能够把金属表面的氧化膜还原为金属[1-3]。

(2) 在30 min内逐渐升高电流密度至100 A/dm2，每5 min升高20 A/dm2。

3 【实例3】中途断电后阳极侵蚀时间过长

3. 1 故障现象

同一生产线，对金属挤压筒内表面镀硬铬，工艺条件同上。因全厂停电，造成某班次电镀过程中途断电2 h，采取阳极侵蚀措施后，该批次的挤压筒内表面镀层仍出现剥落现象。

3. 2 分析及处理

由于停电时间较长，该班次采用阳极侵蚀工艺对工件进行了恢复施镀的镀前处理。询问当班人员发现，当天同一车间另一生产线也正在进行中碳钢基体的电镀作业，断电恢复施镀前，当班人员对合金钢件和中碳钢件统一进行了60 s的阳极侵蚀。

不同材质的金属基体，其阳极侵蚀时间不尽相同。对于中碳钢，侵蚀时间宜控制在30 ～ 60 s[1]；而对于合金工具钢，适宜的侵蚀时间为5 ～ 10 s[1]。侵蚀时间过长也会导致镀层结合力降低。

3. 3 技术措施

对镀件基体阳极侵蚀活化时，要根据基体的材质控制活化时间，不同材质基体的阳极侵蚀时间见表1。

表1 不同基材的阳极侵蚀时间表[1-3]Table1 Timetable of anodic etching for different substrates

4 【实例4】中途断电2 h，阳极侵蚀处理合铬，但镀层呈网状裂纹

4. 1 故障现象

某班次因整流电源故障造成电镀过程中断电2 h，已按表1严格控制阳极侵蚀时间，但该批次的穿孔针表面镀层呈裂纹状。

4. 2 分析及处理

召开现场技术分析会，分析了设备、供电、镀液成分、阴极电流密度的保持等环节，均正常。后注意到故障发生在冬季，测量槽内镀液温度低于20 °C，确定了故障的症结在于槽内镀液温度过低。对车间采取供暖措施，保证镀槽温度在(55.0 ± 1.5) °C，故障排除。

4. 3 技术措施

镀液温度太低或电流密度太大，所得硬铬镀层脆性大而呈裂纹状，易剥落[3-4]。因此施镀过程应控制镀液温度和阴极电流密度在适宜范围内。

5 其他诱因导致的硬铬镀层脱落故障

中途断电后处理不当会造成镀硬铬层结合力差甚至脱落。除此之外，引发硬铬镀层脱落的还有其他因素，在分析故障时要注意区分，不能仅仅从一个方面分析问题，有些故障(如例4)可能是两种或者两种以上原因造成的。

5. 1 镀前处理不彻底

含钨合金钢模具镀硬铬层厚度大于30 μm，导致基体与镀层间的结合力不高，脆性大，强度低。在镀前处理中，必须彻底清除金属表面的污物和氧化膜，使金属基体结晶裸露，才能保证电镀质量[5-7]。

5. 2 工件入槽时温度太低，引起槽温降低

工件入槽前应先预热到55 °C(工艺要求的镀液温度)，使镀件与镀液的温度基本相同后再通电。工件在(55 ± 2) °C的热水槽内预热，预热时间15 min左右。在电镀生产线中要配置温度调节设备。保证施镀过程中镀液温度保持在(55.0 ± 1.5) °C。

这里的模具是厚壁工件，达到热稳定的时间比薄壁工件长。当热水槽容积大于工件体积的10倍以上时，薄壁工件需要预热3 ～ 10 min，厚壁工件预热5 ～ 15 min。

5. 3 镀液中含量太高

5. 4 基体金属内应力大

工件在电镀前要进行退火处理，以消除基体金属的内应力。

6 保障含钨合金钢模具镀硬铬质量的技术措施

(1) 电镀过程中要保证直流电源供电的连续可靠。注意断电包含交流电源的中断以及因整流电源故障出现的交流有电而直流无电两种类型。

(2) 施镀过程出现15 min以上的断电时，应进行阳极侵蚀。

(3) 施镀过程出现短时间断电时，应采取阶梯式给电的方式活化基体表面。

(4) 合金工具钢的阳极侵蚀时间应控制在5 ～ 10 s。

(5) 控制镀液温度和阴极电流密度在适宜范围内，采用阴极保护来保证阴极电流密度。

(6) 镀前处理时必须彻底清除金属表面的污物和氧化膜，使金属基体结晶裸露[8]。

(7) 工件入槽前先预热，薄壁工件预热3 ～ 10 min，厚壁工件预热5 ～ 15 min。

(9) 工件在电镀前进行退火处理，以消除基体金属的内应力。

[1] 张允诚, 胡如南, 向荣. 电镀手册[M]. 4版. 北京: 国防工业出版社, 2011: 239-248.

[2] 冯立明, 王玥. 电镀工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010: 139-151.

[3] 谢无极. 电镀故障精解[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2013: 156-164.

[4] 张胜涛. 电镀工艺及其应用[M]. 北京: 中国纺织出版社, 2009: 146-154.

[5] 石井英雄. 日本电镀指南[M]. 黄健农, 译. 长沙: 湖南科学技术出版社, 1985.

[6] 李鸿年. 电镀工艺手册[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1989.

[7] 曾华梁, 吴仲达, 陈钧武, 等. 电镀工艺手册[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[8] 田永良. 活塞杆镀硬铬[J]. 电镀与环保, 2010, 30 (5): 47-48.

[ 编辑：周新莉 ]

Analysis on peeling of hard chromium coating on tungsten-containing alloy steel mold due to blackout and corresponding treatment measures

YANG Xu, HUO Da-yong*

Four fault instances about peeling of coating on tungsten-containing alloy steel mold due to blackout during the hard chromium plating production were analyzed and corresponding treatment measures were given. The similar faults caused by other factors and related solutions were also introduced.

tungsten-containing alloy steel; hard chromium plating; breakout; peeling of coating; troubleshooting

TQ153.11

B

1004 – 227X (2017) 08 – 0424 – 03

10.19289/j.1004-227x.2017.08.009

2017–02–15

2017–03–24

杨旭（1987–），河南南阳人，硕士，助教，主要研究方向为电力设备在线监测与故障诊断、智能控制等。

霍大勇，高级工程师，教授，(E-mail) hnnyhdy@163.com。

First-author’s address:Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004, China