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模具镀硬铬:中途断电引起的5大故障案例分析

放大字体  缩小字体发布日期:2019-01-24  浏览次数:571
核心提示: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。

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。

【实例 1】长时间的中途断电

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。

2 分析及处理

镀层剥落现象的诱因包含镀前处理不彻底(通常为基体表面污物或者金属氧化膜没有除净),镀液中 SO42- 含量高,温度太低,电流密度过高,基体金属内应力大,工件预热不够,电镀中途断电。由于该故障不规则地出现在电镀过程中,期间未更换过镀液,可排除镀液这一诱因。询问当班人员后,也基本排除镀前处理的问题。查看生产记录发现,故障产品与中途断电相关。

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。

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。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。

【实例 2】短时间的中途断电

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 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。

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[。

(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

【实例 3】中途断电后阳极侵蚀时间过长

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。

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 ;而对于合金工具钢,适宜的侵蚀时间为 5 ~ 10 s 。侵蚀时间过长也会导致镀层结合力降低。

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。

 


 

【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

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

3 镀液中 SO42 - 含量太高

分析调整镀液成分,控制 CrO3与 SO4离子 的摩尔比为 100∶1。

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。

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。

(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。

(8) 调整镀液成分,应控制 CrO3与 SO4离子的摩尔比为 100∶1。

(9) 工件在电镀前进行退火处理,以消除基体金属的内应力。

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