镀铬活塞环宏观磨削裂纹浅析.pdf

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1、曹新云：镀铬活塞环宏观磨削裂纹浅析43镀铬活塞环宏观磨削裂纹浅析Analysisofchromiumplatedpistonringmacrogrindingcrack曹新云(南京飞燕活塞环股份有限公司)[摘要]本文从电镀、机加工以及活塞环的设计等方面系统分析了活塞环镀铬后磨削裂纹产生的机理与影响因素以及对工艺改善方面也提出相应技术途径，对活塞环实际生产过程中的质量控制有一定的借鉴与指导意义。(关键词]裂纹应力析氢反应磨削力KeywoI‘d：CrackleStressHydrogenEvolutionReactionGrindingForce1

2、引言镀铬作为活塞环表面处理的一种较为常用的表面强化处理技术，在车柴、轿微、船舶、工矿机械、压缩机等工业领域有较为广泛的应用。活塞环镀铬后的机械加工主要为磨削与珩磨(或者称为研磨)，由于受到电镀铬层本身的特性以及电镀工艺的影响，在后序的磨削加工中，很容易产生磨削裂纹，采用网纹镀铬工艺的活塞环尤其严重。本文仅根据笔者实际经验并结合相关研究资料，从铬层裂纹产生的机理、影响因素以及工艺改善等方面和同行们一起讨论，以便切实提高活塞环的制造质量。2铬层裂纹产生的机理与影响因素分析2．1宏观裂纹与微观裂纹按照铬层裂纹检测方式的不同，将铬层裂纹分为微观裂纹与宏

3、观裂纹。微观裂纹通常是网状裂纹，并且需要通过阳极刻蚀加深加宽或着色来进行检查(如图1一a)而宏观裂纹是截面贯穿的裂纹，仅需用肉眼或低倍放大镜就能辨别(如图1一b)。这种通过肉眼可辨的裂纹是不符合《GBll49．4—2008质量要求》[13规定：镀铬活塞环外圆面不应有肉眼可见的微裂纹的要求，是属于不合格的产品，这种裂纹通常在活塞环电镀后的外圆靠模磨削中被发现。2．2微观裂纹产生的机理据有关资料介绍[2]，和其他常用的金属材料一样，镀层在电结晶过程中存在内应力。关于内应一h：贯芽宏观裂纹图1力的形成机理，目前文献中大致有以下五种理论模型，即(1)位

4、错模型，(2)聚结模型，(3)过能量模型，(4)渗氢模型，(5)夹杂模型，其中渗氢模型是解释应力产生最为简单的方法，在这里不再详细阐述。镀层中这种内应力的存在，往往会造成镀层的微观裂粼44内燃机与配件2014年第2期纹，且镀层的硬度越高，微裂纹的发展趋势就越明显，例如镀铬层，由于硬度高，内应力大，微裂纹不仅多而且形成了网状结构。对于不同电镀工艺的铬镀层，由于电镀工艺参数、电沉积过程中夹带物及夹带物含量的不同，镀层的微裂纹数也不同(见表1)。并且对于同一种镀铬工艺而言，随着温度、电流密度的变化，镀层网纹数也在相应的不断增加或减少(见图2)。表1不

5、同镀铬工艺的微裂纹数电镀铬工艺类别微裂纹数镀层硬度普通镀铬100～400条／cm≥750HV01网纹镀铬≥400条／cm≥850HV0lcKs复合镀铬400～1000条／cm≥900HV0．1(飞燕)高密度850～1250条／cm≥950HV0．1网纹镀铬≯[一醛匿匿]匿匦圈隰睡f涮+，是!圈2不同工艺参数下徽裂纹结构的变化45×放大2．3宏观裂纹产生的主要影响因素活塞环在镀硬铬后，为消除因电镀层沉积造成基体疲劳强度降低，一般进行“除氢”处理，通过在镀铬后进行200～300℃的加热处理以析出晶格中所含的氢，氢的析出会造成铬层体积的收缩。电镀后铬

6、层本身存在很高的内应力，氢析出后，由于体积发生变化，使得铬层内部内应力的大小、方向以及分布发生巨变，同时为达到所需的轮廓精度，镀铬层还需要进行电镀后的机械加工，通常采用的是外圆成型磨削加工，磨削力与铬层内应力的叠加，会使裂纹网的密度与形态发生变化，加剧了裂纹网向深度、宽度方向发展，最终会在活塞环外圆面形成肉眼可见的宏观裂纹(图3—1、图3—2)。这种宏观磨削裂纹的严重程度，除与磨削力的大小直接有关外，铬层本身的微裂纹密度、铬层氢含量以及活塞环本体各截面的内应力对其影响也非常大。图j镀铬层的馓裂纹磨削前后变化图j一2镀铬外圆磨削后的宏观裂纹(50

7、×)a)析氢反应的影响活塞环的镀硬铬过程中阴极电流效率很低(约为18％左右)，铬沉积的同时伴随大量的氢气生成。在一定条件下，氢也渗入金属内部，形成化合物一氢化铬(CrH2、CrH)。通过对镀层结晶组织的分析可知，硬铬层中不仅存在稳定的体心立方晶格，同时还存在不稳定的密排面心六方晶格和a～Mn型晶格。这种含有六方晶格的镀铬层在后序的加工特别是“除氢”处理中氢会析出，形成体积更小、密度更大而且形态更稳定的体心立方结构，如活塞环除氢后的开口比除氢前变大约7～20％，就是受铬层内部晶格转变的影响。这种晶格的转变不仅对铬层内部的应力重新进行分布，同时也改

8、变了应力的方向：电镀时过程中铬层内部为压应力(与活塞环闭合方向相同的应力)；而除氢后由于铬层体积的变小，铬层内部的应力则转变成拉应力(与活塞环闭合方向