CN104746110B

CN104746110B - 一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺

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Publication number: CN104746110B
Application number: CN201310738256.8A
Authority: CN
Inventors: 王冬颖; 秦百忍; 关锰
Original assignee: SHENYANG BLOWER WORKS GROUP NUCLEAR POWER PUMP CO Ltd
Current assignee: SHENYANG BLOWER WORKS GROUP NUCLEAR POWER PUMP CO Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN104746110A

Abstract

本发明公开了一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，属于装备制造业中的表面处理领域。本发明通过设定镀铬的工艺参数、配制镀铬槽液、制定镀铬的工艺流程，从而满足核电站一级不锈钢紧固件高质量要求。

Description

一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺

技术领域

本发明属于装备制造业中的表面处理技术领域，具体涉及一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺。

背景技术

在AP1000核三代主泵的加工制造中，有两种材料的紧固件需要进行镀铬处理。

（1）叶轮锁紧螺栓是连接主轴和叶轮的紧固件，锁紧叶轮，存在于一回路介质中，是重要的连接件。在装配过程中，为了保证叶轮与轴的对中，叶轮锁紧螺栓需要多次拆装，其螺纹部分的耐磨性是重要保证指标。该螺栓的基体为马氏体不锈钢ASTM A-479403材料，调质处理状态，表面硬度低。

（2）吸入导管帽螺钉，是连接泵体和吸入导管的紧固件，存在于一回路介质中。该螺钉采用ASTM A-479316奥氏体1级应变硬化不锈钢制造，既要保证其具有一定的屈服强度，又要具有60年不坏的耐腐蚀性能，而且其螺纹部分与奥氏体不锈钢的泵体接触，需要有一定的硬度差来保证其紧固件的特征。

这两种紧固件均使用在一回路介质中，为达到螺纹部分高的硬度和高的耐磨性，采用镀铬这种表面处理的工艺方法。由于用在核主泵的一回路介质中，该镀铬工艺采用ASTM美国材料标准及AMS美国航空标准，这些标准的要求均超过中国的国标要求，制造过程中的控制点多，检验要求严格。因此，必须研制出符合ASTM及AMS标准要求的制造工艺和检验方案，确保核主泵的顺利制造。

不锈钢中的马氏体不锈钢如2Cr13、3Cr13等含铬12%(wt)以上，但不含镍或少量镍的不锈钢，在大气中会变色而发生腐蚀。为了提高耐蚀性，可镀装饰铬或硬铬。不锈钢制品与电镀装饰铬合装在一起，外观上有明显差异，为了使外观色泽一致，也常将不锈钢镀铬。特别是奥氏体不锈钢的硬度低，虽然耐蚀性较好，但不耐磨，为此需镀硬铬，以提高硬度，增加耐磨性，延长使用寿命。

紧固件电镀的质量以其耐腐蚀能力为主要衡量标准，其次是外观。耐腐蚀能力即是模仿产品工作环境，设置为试验条件，对其加以腐蚀试验。电镀产品的质量从外观、镀层厚度、镀层分布以及氢脆等几个方面加以控制。

螺纹紧固件在电镀加工中，在一批产品中每个紧固件获得的镀层厚度是有差异的，就是同一个紧固件上的镀层分布也是不均匀的。如螺纹牙顶的镀层厚度比中径、牙底厚，螺钉、螺栓两端的镀层厚度比中间厚，并且随着长度直径比增加而更加显著。

镀铬工艺均镀能力是很差的，电镀时，分布在螺纹不同位置上的电流密度相差较大，而且电流大的部位沉积效率越高，这不但造成铬层厚度相差大，而且铬层在螺纹底部和顶部有明显色差。

目前工程中运用的常规镀铬工艺可达到基本的高硬度、高耐磨性能，但对于镀铬后螺纹部分的表面颜色、光泽度、膜层的连续均匀性等没有具有的要求，与ASTM及AMS标准的具体要求具有较大的差距，无法满足AP1000核三代主泵的制造。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，根据电镀硬铬原理和技术特点，研究制定一套高质量的不锈钢紧固件螺纹镀铬的工艺，从而达到设计要求的高耐磨性能和耐腐蚀性能，符合三代主泵的生产要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，该工艺步骤如下：

（1）不锈钢紧固件螺纹表面镀前处理；

（2）不锈钢紧固件螺纹表面进行活化处理；

（3）活化处理后的不锈钢紧固件螺纹表面进行电镀铬，电镀过程中，所采用的电镀液组成为：铬酐230-270g/L，硫酸2-2.7g/L，三价铬离子2-5g/L，其余为水；电镀工艺参数为：温度40-60℃，电流密度40-60A/dm²；电镀工艺参数优选为：温度40℃时，电流密度40-45A/dm²；温度50℃时，电流密度50-55A/dm²；温度60℃时，电流密度55-60A/dm²。

所述不锈钢紧固件为核主泵用叶轮锁紧螺栓或吸入导管帽螺钉；所述叶轮锁紧螺栓为马氏体不锈钢ASTM A-479403材料；所述吸入导管帽螺钉为ASTM A-479316奥氏体1级应变硬化不锈钢材料。

步骤（1）镀前处理过程为：所述不锈钢紧固件为叶轮锁紧螺栓时，采用酒精对螺纹区域进行擦拭除油，然后在60-80℃水中清洗；所述不锈钢紧固件为吸入导管帽螺钉时，采用热碱溶液浸泡除油，热碱浓度控制在40-60g/L，温度控制在60-80℃，通入3-10安培/分米²电流持续除油，然后用热水和冷水进行交替清洗，最后用体积深度为50-70%的盐酸清除氧化膜，然后用流动冷水清洗。

步骤（2）活化处理过程中，活化温度为10-40℃，活化时间为0.5-2分钟；当所述不锈钢紧固件为叶轮锁紧螺栓时，在100-150g/L的硫酸中进行活化；当所述不锈钢紧固件为吸入导管帽螺钉时，在100-150g/L的盐酸中进行活化。

步骤（3）所述电镀液中的三价铬离子来源于电镀前溶液中加入的铬酐，分子式是CrO₃，铬酐中的铬是六价铬，电镀时六价铬通过电解还原法产生三价铬，铬酸溶液电解时其阴极氢离子放电析出氢气，具体化学反应为：

2CrO₃+H₂O→H₂Cr₂O₇

CrO₃+H₂O→H₂CrO₄

通电后阴极发生如下反应：

2H⁺＋2e→H₂↑

Cr₂O^7-2＋8H⁺＋6e→Cr₂O₃＋4H₂O

阳极发生如下反应：

2H₂O-4e→O₂↑+4H⁺

Cr₂O₇+4H₂O-6e→Cr₂O₇-2+8H⁺

新配镀液采用阴极面积大于阳极面积10倍以上电解，达到要求时，通过阳极电流密度与阴极电流密度之比基本恒定在大约2∶1来保持三价铬在2-5g/L，当超出该范围时用改变阴阳极面积比来调整。

所述不锈钢紧固件为核主泵用叶轮锁紧螺栓时，步骤（1）之前其螺纹处表面粗糙度不超过3.2μm；所述不锈钢紧固件为核主泵用吸入导管帽螺钉时，步骤（1）之前其螺纹处表面粗糙度不超过1.6μm。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：

1、核电站一级设备屏蔽主泵的叶轮锁紧螺栓和吸入导管帽螺钉等紧固件的螺纹表面通过本发明工艺进行镀铬，增强螺纹部分硬度，保证其耐磨性。

2、通过本发明工艺进行镀铬后，螺纹部分表面粗糙度提高，膜层光泽均匀，为亚光或无光泽镀层，致密性增强，不易生锈，适合在高温环境中使用。

3、通过本发明工艺进行镀铬后，镀层平滑连续，附着力强度高，外观一致。

4、通过本发明工艺进行镀铬后，螺纹部分基本没有变形，保证加工精度，确保零件在核电一级设备中的装配精度。

5、本发明能够解决螺纹在镀铬后，在无后续加工的情况下，确保了镀层均匀，螺纹底径、中径与外径镀层厚度控制在图纸要求范围之内。解决零件多次装拆时抗咬合问题）

6、本发明工艺在质量控制方面，增加了过程控制、批次零件的破坏性试验和定期检验，保证核一级设备屏蔽主泵镀铬零件的质量。

附图说明：

图1为本发明实施例1镀铬后不锈钢螺栓样件。

图2为本发明实施例1螺纹镀铬后外观质量。

图3为本发明实施例1镀层厚度金相。

图4为本发明实施例1样件圆周面镀铬层的孔隙度检查。

图5为本发明实施例1划痕法和弯曲法检查镀层结合力；其中：(a)划痕法；(b)弯曲法。

图6为本发明实施例1镀铬后的成品件。

图7为本发明实施例1螺纹环规检查镀层螺纹。

具体实施方式：

本发明不锈钢紧固件螺纹表面镀铬的技术要求和检验要求，采用以下标准：

技术标准：AMS2460

镀铬类型：硬质铬

镀铬等级：2b级

镀层厚度检验标准：NASM1312-12

镀层附着力检验：ASTM B-571

螺纹尺寸检验：止通环规

实施例1

1、本实施例对叶轮锁紧螺栓（马氏体不锈钢ASTM A-479403材料）镀铬工艺流程及参数：

（1）有机溶剂除油：视零件表面状态允许采用酒精对电镀区域进行除油。

（2）装挂：

A、按图纸或工艺卡片要求进行绝缘或加辅助电极。采用塑料布或3M胶带进行绝缘。装挂好的零件应保证在电镀过程中不压空气，牢固。

B、零件应装挂在工夹具上，不能使用工夹具的应用导电良好的铜丝栓挂。

C、零件装挂后进行导电性检查。

（3）化学除油：水温：60-80℃，除净为止。

（4）流动热水洗：水温：50-90℃，持续时间＞2分钟。

（5）流动冷水洗：持续时间＞2分钟。用水膜法检查除油效果（在零件表面形成连续水膜30秒钟不断裂为合格）。

（6）弱腐蚀：溶液成分：硫酸，浓度：100-150g/L,溶液温度：10-40℃，持续时间0.5-2分钟。

（7）流动冷水洗：B级去离子水，持续时间＞2分钟。

（8）电镀铬：

A、溶液及浓度：铬酐：250g/L，硫酸：2.3g/L，三价铬：3g/L，其余为水。（通过电镀时的化学反应，铬酐中的六价铬转变为三价铬）

B、溶液温度与电流密度：温度：50℃，电流密度：50-60A/dm²；

C、镀铬时，应按工艺试验后确定的电流密度，实际操作时电流密度变化不超过5A/dm²。温度最好控制在±1℃。

D、电镀工序按以下顺序依次进行：

下槽-预热-阴极小电流活化（Dk＜3A/dm²,时间1-2min）-阶梯式升电流（每1-2min提升一次电流，约经过5-10min内提升五次）-冲击镀铬（高于正常电流50-100%左右，冲击镀铬时间1-2min）-正常镀铬

（9）回收槽洗

（10）去离子水洗：B级去离子水

（11）流动热水洗：水温：50-90℃，持续时间＞2分钟。

（12）吹干：持续时间＞2分钟。

（13）拆卸。

2、检验

(1)质量检验：

采用替代零件的样品进行厚度、附着力的检验。并用螺纹环规检查零件的厚度。外观检查直接在零件上进行。外观检验见图6，镀层厚度检验见图7。

(2)退镀的工艺方案

退镀需要在批准的情况下进行，而且只允许进行一次。

（A）不合格镀层去除：溶液成分：氢氧化钠，浓度为80-120g/L，温度：10-40℃，电流密度：5-10A/dm²,除净为止。

（B）不合格镀层去除后，视零件表面状态进行如下处理：

（a）表面清理：采用酒精或其他有机溶剂进行清理。

（b）水洗

（c）除油：氢氧化钠溶液，80-120g/L，温度：10-40℃，电流密度：5-10A/dm²,持续30s-1min。

（d）冷水洗

重新进行弱腐蚀及电镀和后续的工序。

3、所得镀层性能

所制备的样件如图1所示。

（1）外观检查：用肉眼观察时，主要表面应是光亮的银白色，不应有裸点、麻点、起泡、划痕、针孔以及烧焦区和乳白区。应使用10倍放大镜对试样和所有可疑区进行目视检验。最终表面的粗糙度应符合图样和技术规格书的要求。在螺杆部分允许有铬层，但是在头部不允许有铬层。

以本实施例所得样件共进行了四组评定试验，外观质量如图2，表面为光亮的银白色，无麻点、起泡、针孔及烧焦区、乳白区等。表面质量满足标准要求。

（2）镀层厚度检查：采用NASM1312-12进行镀层厚度的测量，并根据ASTMB487截面金相法和ASTM B499磁感应法分别对镀层进行检验。

采用金相法进行检验，其金相组织如图3所示。在螺纹区域，螺纹顶部的镀层厚度最大，螺纹腰部邻近根部处镀层厚度最小，由顶部到根部，螺纹腰部的镀层厚度值呈逐渐递减趋势。螺纹一侧腰部的镀层厚度值较另一侧大，最薄处厚度为5.94μm，最厚处厚度为14.41μm，其镀层整体最小厚度均大于5μm。表明螺纹部位的镀层厚度是不均匀的，但都能够达到技术要求。

（3）镀层孔隙度检查：根据AMS2460标准要求，采用蓝点试验检验镀层的孔隙率。检验试剂为铁氰化钾试剂。该试剂为浅黄色，与不锈钢中的Fe接触后，会发生化学反应，由浅黄色转变为蓝色。将该试剂涂覆在镀层上，在镀层中空隙、划痕、裂纹等缺陷部位，试剂与基体之间发生接触，从而导致检验试剂在这些缺陷部位的变色反应即蓝点试验。蓝点试验的检验标准：在193cm²的检验区域内，不能出现5个以上的蓝点，而蓝点直径也不能超过0.8mm。试验件上未出现蓝点，可见其孔隙度符合技术要求，见图4。

（4）镀层结合力检查：根据AMS2460标准和ASTM B571标准，分别采用划痕法和弯曲法检查镀层结合力。在划痕法检验中，Fy/Fz的变化（即曲线斜率的变化）比较平缓，镀铬层、打底层与基体之间的结合情况良好，未出现明显的脱落现象。在弯曲法检验中，可见试样弯曲90°后，表面没有裂痕、剥落的情况，见图5(a)-(b)。

实施例2

本实施例对吸入导管帽螺钉（采用ASTM A-479316奥氏体1级应变硬化不锈钢）实施镀铬工艺，与实施例1不同之处在于：

电镀过程中，所采用的电镀液组成为：铬酐230-270g/L，硫酸2-2.7g/L，三价铬离子2-5g/L，其余为水。

电镀工艺参数为：温度40℃，电流密度40-45A/dm²。检验结果如表1所示。

表1：

Claims

1.一种应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，其特征在于：所述不锈钢紧固件为核主泵用叶轮锁紧螺栓或吸入导管帽螺钉，该紧固件螺纹表面镀铬工艺的步骤如下：

（1）不锈钢紧固件螺纹表面镀前处理；镀前处理过程为：所述不锈钢紧固件为叶轮锁紧螺栓时，采用酒精对螺纹区域进行擦拭除油，然后在60-80℃水中清洗；所述不锈钢紧固件为吸入导管帽螺钉时，采用热碱溶液浸泡除油，热碱浓度控制在40-60g/L，温度控制在60-80℃，通入3-10 A/dm²电流持续除油，然后用热水和冷水进行交替清洗，最后用体积浓度为50-70%的盐酸清除氧化膜，然后用流动冷水清洗；

（2）不锈钢紧固件螺纹表面进行活化处理；活化处理过程中，活化温度为10-40℃，活化时间为0.5-2分钟；当所述不锈钢紧固件为叶轮锁紧螺栓时，在100-150g/L的硫酸中进行活化；当所述不锈钢紧固件为吸入导管帽螺钉时，在100-150g/L的盐酸中进行活化；

（3）活化处理后的不锈钢紧固件螺纹表面进行电镀铬，电镀过程中，所采用的电镀液组成为：铬酐 230-270g/L，硫酸 2-2.7g/L，三价铬离子 2-5g/L，其余为水；电镀工艺参数为：温度40-60℃，电流密度40-60A/dm²；电镀工序按以下顺序依次进行：

下槽-预热-阴极小电流活化-阶梯式升电流-冲击镀铬-正常镀铬，其中：阴极小电流活化过程中的电流密度＜3 A/dm²，时间1-2min；阶梯式升电流过程中每1-2min提升一次电流，经过5-10min内提升五次；冲击镀铬过程中的电流高于正常镀铬电流50-100%，冲击镀铬时间1-2min；

所述电镀液中的三价铬离子来源于电镀前溶液中加入的铬酐，电镀时铬酐中的六价铬通过电解还原法产生三价铬离子，并且通过镀液采用阴极面积大于阳极面积10倍以上电解来保持镀液中三价铬离子浓度为2-5 g/L，当超出该范围时用改变阴阳极面积比来调整。

2.根据权利要求1所述的应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，其特征在于：步骤（3）电镀过程中，当温度40℃时，电流密度40-45A/dm²；当温度50℃时，电流密度50-55A/dm²；当温度60℃时，电流密度55-60A/dm²。

3.根据权利要求1所述的应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，其特征在于：所述不锈钢紧固件为核主泵用叶轮锁紧螺栓时，步骤（1）之前其螺纹处表面粗糙度不超过3.2μm；所述不锈钢紧固件为核主泵用吸入导管帽螺钉时，步骤（1）之前其螺纹处表面粗糙度不超过1.6μm。

4.根据权利要求1所述的应用于核主泵的不锈钢紧固件螺纹表面镀铬工艺，其特征在于：所述叶轮锁紧螺栓为马氏体不锈钢ASTM A-479 403材料；所述吸入导管帽螺钉为ASTMA-479 316 奥氏体1级应变硬化不锈钢材料。