关键词：50CrVA弹簧;镀镉;辅助阳极;镀层厚度
Study on the Thickness of Cadmiun Plating Layer in the 50CrVA Spring Inner Ring
YANG Lei1 MENG Baoli1 YUE Shan1
（1. AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Company Ltd.， Xi’an， Shaanxi Province， 710089 China）
Abstract： This paper studies the Cadmium plating on 50CrVA springs that under the condition of a certain current density， the influence of the plating time and the materials and structure of the inner auxiliary anode on the coating thickness and uniformity of the coating. It is found that an auxiliary Cadmium anode which performed with uniform holes（pore radius is 3mm） and cross-sectional area of 10mm×10mm is used can obtain the uniform coating thickness. And the upper、middle and lower thickness of the spring is small， can obtain 8.1μm～10.9μm. When Cadmium plating at the same current， the method of plating the spring inner hole separately for 15min and then plating the whole spring for 40min that is selected. By this method， the difference of the coating thickness between the inner ring and outer ring is small， which can meet the requirements of the engineering drawings and design.
Key Words： 50CrVA spring; Cadmium plating; Auxiliary anode; Plating thickness
1、引言
50CrVA弹簧钢具有淬透性好，疲劳强度高，屈服比高等优良特性，并且钒的加入使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高了强度，因此50CrVA弹簧钢具有良好的力学性能和工艺性能，是一种较高级的弹簧钢，广泛用于各种机械[1-4]。但钢铁零件耐蚀性较差，实际工况条件下，受环境的影响，易在工件表面发生腐蚀，从而导致材料失效。
电镀镉是航空装备常用的表面处理方法之一，因镀液分散能力好、深镀能力强、稳定性好，镀镉层结晶细致、与基体结合力好、且有良好的耐海洋腐蚀的特点，是我国航空工业碳钢和低合金钢的主要防护层[5-9]。因此，为提高弹性零件耐腐蚀性能，在其表面进行电镀镉。由于弹簧零件尺寸较大，形状复杂，内外圈电流密度分布不均匀，弹簧内圈镀层厚度无法测量等原因，导致弹簧内圈镀镉层厚度偏小，且上、中、下端镀层厚度均匀性较差，故弹簧在服役过程中内圈发生锈蚀。
本文通过试验研究50CrVA弹簧内圈电镀时间，内孔阳极材料和结构对内圈镀层厚度大小和均匀性的影响，力图改善内圈镀层厚度偏薄且不均匀的现状，最后根据试验结论得出最佳电镀时长和最优内孔阳极结构。
2、试验
2.1 试验依据
根据法拉第电解定律，可得出镀层厚度的计算公式：
D= DktCη/ρ （1）
其中：D：镀层平均厚度（μm）
Dk：电流密度（A/dm2）
t：电镀时间（min）
C：待镀金属的电化学当量（g/A·h）
η：金属沉积的电流效率（%）
ρ：待镀金属的密度（g/cm3）
对于特定溶液和特定镀层，C、ρ都为常数。根据等式可知，镀层厚度D的大小与阴极电流密度Dk、电镀时间t和电流效率η有关。
电流效率：
η= （2）
其中，Ik：用于沉积金属的电流（A）待镀面积（dm2）
I：总电流（A）
由于Ik= Dk×Sk，I：= Dk×S，其中Sk为待镀面积（dm2），S为总面积（dm2），即待镀面积和夹具面积之和，因此：
η= （3）
将等式（3）带入等式（1）可得：
D= DktC/ρ （4）
因此，当待镀面积和夹具面积确定时候，镀层厚度D仅和电流密度Dk、电镀时间t有关。
2.2 试验材料
弹簧原材料为50CrVA退火磨光，规格为12.03×12500mm，化学成分见表1。弹簧镀镉的工艺流程为：产品验收-溶剂清洗-消除应力-吹砂-装挂-前处理-氰化镀镉-消除氢脆-钝化。
2.2 试验方法
电镀镉采用的溶液氰化溶液，阳极选择纯度大于99.95%，尺寸为100cm×10cm×1cm的镉板。分别按以下要求进行镀镉：选择钢棒和镉棒作为内阳极，保护至第4圈和第8圈，内圈单独电镀10min再整体电镀30min，研究保护方式对镀层厚度的影响;选择保护至第4圈的钢阳极，采取直接对弹簧整体电镀40min的方式，与相同条件下单独电镀10min再整体电镀30min进行对比;按照内阳极采用直径为8mm，长度为110mm的钢棒、内阳极采用截面积为10mm×10mm，长度为110mm的镉棒、内阳极采用截面积为10mm×10mm，长度为110mm的打孔（孔径为3mm）镉棒三种条件，选择内阳极保护至弹簧第4圈、内圈单独电镀10min再整体电镀30min的方式进行，以研究内孔阳极材料和结构对内圈镀层厚度的影响;除此之外，为研究内圈单独电镀时间对镀层厚度的影响，分别选择保护至弹簧第4圈的镉棒和打孔镉棒作为内阳极，电镀时间为10min，12min和15min。按照相关规定的厚度系列控制镀镉厚度，目标值为6-18μm。
电镀完成后，采用线切割法分别截取弹簧两端第1圈、第4圈和第30圈作为镀层厚度测量试样，然后采用X-StrataP20 型X射线荧光测厚仪对试样内圈镀层厚度进行检测。
3、结果与讨论
3.1 内阳极保护长度对弹簧内圈镀层厚度的影响
对内孔阳极两端进行保护是为了防止两端吸收电流，造成镀层粗糙且分布不均匀。为改善该问题，分别对钢阳极和镉阳极采取不同保护方式进行对比。研究发现，使用镉阳极和钢阳极获得的镀层具有相同的趋势：当内阳极保护至弹簧第8圈时，弹簧内圈镀层厚度均匀性差，上端和下端第4圈镀层厚度薄，未达到4μm。这是由于阳极过保护，造成相对应的阴极电流密度小，无法有效沉积镉层。选择阳极保护至弹簧第4圈获得的镀层均匀性好。
图1 内阳极保护长度对弹簧内圈镀层厚度的影响（a 内阳极为钢，b 内阳极为镉）
3.2 电镀方式对弹簧内圈镀层厚度的影响
采用对内圈单独电镀10min再整体电镀30min的方式获得的内圈镀层厚度明显优于直接对弹簧内外圈同时电镀40min。直接对弹簧整体进行电镀时，阴极电流密度分布不均匀，内阳极面积小，导致弹簧内圈电流密度较小，镉离子沉积速度慢，导致镀层较薄，易产生点状锈蚀。而对内圈单独电镀时，在无外圈吸收电流的情况下，内圈电流密度较大，获得的镀层厚度也越大。 
3.3 內孔阳极材料和结构对内圈镀层厚度的影响
电镀过程中使用的阳极具有导电、补充镀液金属离子的作用，同时还可保持阴极电力线分布均匀，可分为溶解性阳极和非溶解性阳极。钢阳极属于非溶解性阳极，镉阳极属于溶解性阳极。图1为两种材料的阳极及其结构对镀层厚度的影响，分析曲线可知，使用钢阳极时，镀层厚度最小，弹簧中部厚度最薄，仅4.0μm;使用镉阳极时，在相同的电流密度和电镀时间下，比使用钢阳极获得的镉镀层厚度更大，但弹簧中部镀层厚度仍偏薄，镀层厚度均匀性较差。这是由于溶解性阳极可使镀液的局部浓度增加，在电镀过程中，保证镀液中金属离子成分的稳定，增加镉的有效析出，从而增加局部镀层厚度。而钢阳极只能达到导电、确保内圈存在镀层的作用。两种方式下弹簧中部的镀层厚度都较薄，是由于电场分布不均匀，中间部位电场分布较小，电流密度小，两端较大，导致中间部位镀层厚度薄。使用打孔镉阳极时，内圈镀层厚度最大，测量的四个部位厚度均在6-18μm范围内。这是由于在镉阳极上打孔能有效增加阳极的表面积，进一步提高内圈电流密度，促进镉离子沉积。
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内圈电镀时间对弹簧内圈镀层厚度的影响
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分析图4内圈电镀时间对钝化厚度的影响，当内阳极为镉和打孔镉棒时，镀层厚度具有相同的趋势：随着内圈电镀时间的增长，镀层厚度有明显增加的趋势。对比图a和图b可知，当使用打孔镉阳极时镀层厚度比使用镉阳极厚且均匀性更好，分析原因可知，打孔镉阳极有效增加阳极的表面积，进一步提高内圈电流密度，促进镉离子沉积。且当使用打孔镉阳极内圈电镀15min时，能获得符合要求的镀层厚度，且均匀性最好。
4 结论
（1）内阳极保护长度对弹簧两端内圈的镀层厚度有影响，选择内阳极保护至弹簧第4圈获得的镀层均匀性最好; （2）采用对内圈单独电镀10min再整体电镀30min的方式获得的内圈镀层厚度较好;
（3）使用打孔镉阳极能获得厚度均匀性较好的镀层;
（4）当使用打孔镉阳极内圈电镀15min时，能获得厚度较大，均匀性较好的镀层。
参考文献
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