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摘要：针对2Cr13不锈钢零件焊接后镀硬铬时，出现焊缝表面镀铬层不完整，与零件表面镀层差异明显的问题，通过选取14种不同加工方式的工艺实验，对实验结果进行分析对比，筛选出最优的加工工艺方法，从实验结果推断出产生问题的理论缘由，解决实际问题，确保零件加工质量。
关键词：马氏体不锈钢2Cr13 表面镀D.YCr7 镀铬层
1 任务来源
高碳马氏体不锈钢2Cr13，因其出色的综合性能及成本优势，广泛应用于制造强度、硬度要求较高，对耐腐蚀要求不苛刻的结构件、工具、刀具、轴类等。我公司某产品中的套筒A就选用了该材料，该套筒由两个零件焊接成型，为了提高套筒表面的耐磨性及耐腐蚀性，图纸要求焊后表面镀硬铬。目前存在的问题：焊缝表面镀铬层不完整，与零件表面镀层差异明显（见图1，金相组织见图2、3）。针对此问题，质量部组织相关人员进行了讨论、分析，并委托工艺处进行相关工艺试验，为了解决焊缝表面镀铬层的问题，公司要求对此零件的焊接和电镀工艺进行系统研究。
图1 套筒零件 图2 镀层金相组织 100X 图3 镀层金相组织 500X
2 工艺研究目的
2.1 通过本次工艺研究筛选出最佳的焊接方法及焊料，使2Cr13的焊缝既能满足力学性能，同时保证焊缝表面与母材表面镀铬层颜色一致。
2.2 通过试验研究确定不锈钢2Cr13镀硬铬的工艺参数。
2.3 根据试验研究数据，完善工艺文件。
3 工艺研究方案
3.1 零部件简介
某产品零件套筒（A）由两项零件套筒（B）和轴套（C）对接焊接而成，套筒壁厚5毫米，外径尺寸为47毫米，零件材料为圆钢2Cr13-GB/T1220-1992。套筒焊接成型后经热处理、机械加工，最后表面镀D.YCr7。
3.2问题分析
零件表面硬铬镀层不完整主要发生在焊缝表面处。原因分析如下：
1）焊缝成分与母材成分有所不同。2Cr13属于马氏体，焊接时可选用的焊条有很多种，根据实际条件生产时选用的焊条是A302，属于奥氏体，焊缝成分与母材成分有所不同，现有镀硬铬工艺不能满足在母材和焊缝表面同时镀上硬铬。
2）焊缝表面的氧化膜未清除干净。不锈钢表面氧化膜组织结构复杂，用常规方法很难彻底清除。要在其表面电沉积结合力优良的硬铬镀层，必须彻底清除表面的氧化膜，保持表面清洁活化，在铬电沉积过程中采取有效操作措施，克服不锈钢自钝化对电镀铬结合力的不利影响。
3.3 研究方案的制定
根据原因分析，为获得符合使用要求的焊缝金属，结合我公司的现有生产条件，首先，选定两种焊接方法：焊条电弧焊和钨极氩弧焊。焊条电弧焊在我公司是焊接碳钢的主要方法之一，焊接操作也较为成熟，但此法在国际上已很少使用，该方法效率较低；钨极氩弧焊，采用直流正接能提高焊接质量。其次，选用合适的焊接材料：为保证焊缝金属的化学成分和组织与母材相似，首选马氏体不锈钢焊条；再选用塑性和韧性较好的奥氏体不锈钢焊条；采用氩弧焊焊接时，选用ER410、ER420焊丝。按不同的焊接方法和焊接工艺参数焊接后，经机械加工，对其进行电镀硬铬。电镀硬铬初选两种方案。镀硬铬前，彻底清除焊缝表面的氧化膜，保持零件表面清洁活化，在铬电沉积过程中采取有效的操作措施，克服不锈钢自钝化对电镀铬结合力的不利影响，以保证试件表面硬铬镀层完整。依据试验结果，选出合适的焊条（焊丝）和镀硬铬操作工艺参数，并将这些参数应用于套筒（A）生产，对研究结果进行验证。具体方案如下：
3.3.1 试件准备
1） 试件材料
选用与零件材料相同的牌号2Cr13 GB/T1220-1992。
2）试件数量
根据选用的焊料种类、焊接参数的不同，初步确定每种焊料需要试件36件（棒料、板料各半），共计252件。
3.3.2 试件加工工艺流程
调质→粗加工→焊接→热处理→X射线探伤→精加工→X射线探伤→电镀→力学性能试验。
3.3.2.1 焊接
此工序在焊接车间进行， 焊接操作人员必须为高级工。
1）焊前准备
焊前准备包括编制焊接工艺文件、坡口加工、预热、焊接设备、焊工资格审查、保温措施、焊料的烘干等。
2）焊接试验内容
2Cr13马氏体不锈钢的焊接尚不成熟，没有现成的标准参考，加之我们的研究不仅要保证成型后的焊缝金属满足力学性能要求，还应满足焊缝金属与零件母材能够同时镀覆硬铬，以实现提高2Cr13马氏体不锈钢的抗腐蚀性。本研究初选焊条A302、A307、G202、G207、G217、ER410及ER420不锈钢焊丝。
焊接试验内容，见表1、表2。
表1 2Cr13马氏体不锈钢手工焊条电弧焊焊接试验内容
类型 焊条
牌号 焊条直径 焊条烘干温度（℃） 焊接电流（A） 焊前预热（℃） 焊后冷却 焊后热处理
1 A302 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
2 A302 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3 A307 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
4 A307 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
5 G202 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
6 G202 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷 7 G207 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
8 G207 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
9 G217 Φ2.5/Φ3.2 280 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
10 G217 Φ2.5/Φ3.2 280 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
表2 2Cr13马氏体不锈钢手工钨极氩弧焊焊接试验内容
类型 焊丝牌号 钨极直径（mm） 氩气流量
（升/分） 焊接电流
（A） 焊前预热（℃） 焊后冷却 焊后热处理
1 ER410 Φ2.4 12 120 300 空冷 550℃退火、油冷
2 ER410 Φ2.4 12 120 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3 ER420 Φ2.4 12 120 300 空冷 550℃退火、油冷
4 ER420 Φ2.4 12 120 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3）焊接操作规程
参照工艺工作细则JR0.045.658《钢的电弧焊接》、JR0.045.413《手工钨极氩弧焊》进行操作，焊料的技术条件见说明书。在零件端面标识区分标记。
3.3.2.2电镀
此工序在表面处理车间进行。根据现有生产条件，参照工艺工作细则JR0.045.959《镀硬铬溶液的配制与调整》和典型工艺《镀硬铬生产线》操作。镀层厚度7?m、14?m、20?m，由表面处理车间提供镀层厚度测试报告。
试件的除油、酸洗、电解除油、弱腐蚀等工艺参照对应工艺工作细则和典型工艺进行。镀硬铬试验研究时，采用阳极反镀和阴极电镀两种方案。通过对比， 选出能满足产品要求的方案。
1）方案Ⅰ：阳极反镀。
按常规的电镀硬铬工艺进行，允许预热5分钟，然后反向阳极处理
0.5分钟至5分钟后，进行正常电镀。
2）方案Ⅱ：阴极电镀。
在电镀硬铬过程中，将现行工艺进行调整。不进行阳极处理，零件入
预热5分钟，进行正常电镀。
3.3.2.3 对试件进行力学性能试验、结合力试验、镀层硬度测试，给出试验数据报告。
4 试验结果分析
4.1 结果统计，见表3。
4.2 结果分析
4.2.1 2Cr13马氏体不锈钢焊接及镀硬铬时，应选用氩弧焊接，ER420、ER410焊丝均能满足焊缝处镀硬铬层的完整性，焊接力学性能较为稳定，能达到母材焊接力学性能指标的90%；电弧焊接时，夹渣缺陷难以消除，影响焊缝处镀硬铬层的完整性，试样的电镀情况见图5、6。
表3 试验结果统计表
图5 棒材试样电镀情况 图6 板材试样电镀情况
4.2.2 2Cr13马氏体不锈钢焊接时，G217焊料焊接力学性能最高，焊接质量相对稳定，接近母材的指标。
4.2.3 2Cr13马氏体不锈钢采用手弧焊接时，焊料化学成份相同时，低氢药皮的焊料焊接缺陷较少，焊接力学性能较高。
4.2.4 2Cr13马氏体不锈钢焊接后应缓慢冷却（炉冷），且及时去应力退火。焊接后冷却速度过快或未及时退火，焊缝处容易产生裂纹。
4.2.5 2Cr13马氏体不锈钢焊接件镀硬铬时，为了更好的去除镀件氧化皮，应采用阳极反镀的方法进行前处理，但时间不宜过长，否则影响镀硬铬层的结合力。
4.2.6 2Cr13马氏体不锈钢镀硬铬厚度超过20微米以上时，镀层维氏硬度才能达到800HV0.5以上。
5 结论
根据以上试验分析总结，使用ER420氩弧焊接及阳极前处理的镀硬铬工艺方法可以满足产品的使用及外观要求。
6 研究结果验证
按照新的焊接及电镀工艺对某产品套筒零件进行了加工验证，验证结果见图7、8。焊缝表面镀铬层完整，与零件表面镀层完全一致，效果理想。
图7 零件电镀验证 图8 新旧零件电镀对比
7 开展此课题的意义
本项目进行了大量的工艺试验，解决了某产品套筒焊缝处镀硬铬不完整的问题，同时对2Cr13马氏体不锈钢焊接、电镀工艺参数进行了系统的研究，为该材料在我公司的广泛应用奠定了技术基础。
参考文献
[1]（美）利波尔德，（美）科特基.不锈钢焊接冶金学及其焊接性 2008.10
[2] 李亚江.合金结构钢及不锈钢的焊接 2013.01
[3] 谢无极.电镀工程师手册 2011.11
关键词：马氏体不锈钢2Cr13 表面镀D.YCr7 镀铬层
1 任务来源
高碳马氏体不锈钢2Cr13，因其出色的综合性能及成本优势，广泛应用于制造强度、硬度要求较高，对耐腐蚀要求不苛刻的结构件、工具、刀具、轴类等。我公司某产品中的套筒A就选用了该材料，该套筒由两个零件焊接成型，为了提高套筒表面的耐磨性及耐腐蚀性，图纸要求焊后表面镀硬铬。目前存在的问题：焊缝表面镀铬层不完整，与零件表面镀层差异明显（见图1，金相组织见图2、3）。针对此问题，质量部组织相关人员进行了讨论、分析，并委托工艺处进行相关工艺试验，为了解决焊缝表面镀铬层的问题，公司要求对此零件的焊接和电镀工艺进行系统研究。
图1 套筒零件 图2 镀层金相组织 100X 图3 镀层金相组织 500X
2 工艺研究目的
2.1 通过本次工艺研究筛选出最佳的焊接方法及焊料，使2Cr13的焊缝既能满足力学性能，同时保证焊缝表面与母材表面镀铬层颜色一致。
2.2 通过试验研究确定不锈钢2Cr13镀硬铬的工艺参数。
2.3 根据试验研究数据，完善工艺文件。
3 工艺研究方案
3.1 零部件简介
某产品零件套筒（A）由两项零件套筒（B）和轴套（C）对接焊接而成，套筒壁厚5毫米，外径尺寸为47毫米，零件材料为圆钢2Cr13-GB/T1220-1992。套筒焊接成型后经热处理、机械加工，最后表面镀D.YCr7。
3.2问题分析
零件表面硬铬镀层不完整主要发生在焊缝表面处。原因分析如下：
1）焊缝成分与母材成分有所不同。2Cr13属于马氏体，焊接时可选用的焊条有很多种，根据实际条件生产时选用的焊条是A302，属于奥氏体，焊缝成分与母材成分有所不同，现有镀硬铬工艺不能满足在母材和焊缝表面同时镀上硬铬。
2）焊缝表面的氧化膜未清除干净。不锈钢表面氧化膜组织结构复杂，用常规方法很难彻底清除。要在其表面电沉积结合力优良的硬铬镀层，必须彻底清除表面的氧化膜，保持表面清洁活化，在铬电沉积过程中采取有效操作措施，克服不锈钢自钝化对电镀铬结合力的不利影响。
3.3 研究方案的制定
根据原因分析，为获得符合使用要求的焊缝金属，结合我公司的现有生产条件，首先，选定两种焊接方法：焊条电弧焊和钨极氩弧焊。焊条电弧焊在我公司是焊接碳钢的主要方法之一，焊接操作也较为成熟，但此法在国际上已很少使用，该方法效率较低；钨极氩弧焊，采用直流正接能提高焊接质量。其次，选用合适的焊接材料：为保证焊缝金属的化学成分和组织与母材相似，首选马氏体不锈钢焊条；再选用塑性和韧性较好的奥氏体不锈钢焊条；采用氩弧焊焊接时，选用ER410、ER420焊丝。按不同的焊接方法和焊接工艺参数焊接后，经机械加工，对其进行电镀硬铬。电镀硬铬初选两种方案。镀硬铬前，彻底清除焊缝表面的氧化膜，保持零件表面清洁活化，在铬电沉积过程中采取有效的操作措施，克服不锈钢自钝化对电镀铬结合力的不利影响，以保证试件表面硬铬镀层完整。依据试验结果，选出合适的焊条（焊丝）和镀硬铬操作工艺参数，并将这些参数应用于套筒（A）生产，对研究结果进行验证。具体方案如下：
3.3.1 试件准备
1） 试件材料
选用与零件材料相同的牌号2Cr13 GB/T1220-1992。
2）试件数量
根据选用的焊料种类、焊接参数的不同，初步确定每种焊料需要试件36件（棒料、板料各半），共计252件。
3.3.2 试件加工工艺流程
调质→粗加工→焊接→热处理→X射线探伤→精加工→X射线探伤→电镀→力学性能试验。
3.3.2.1 焊接
此工序在焊接车间进行， 焊接操作人员必须为高级工。
1）焊前准备
焊前准备包括编制焊接工艺文件、坡口加工、预热、焊接设备、焊工资格审查、保温措施、焊料的烘干等。
2）焊接试验内容
2Cr13马氏体不锈钢的焊接尚不成熟，没有现成的标准参考，加之我们的研究不仅要保证成型后的焊缝金属满足力学性能要求，还应满足焊缝金属与零件母材能够同时镀覆硬铬，以实现提高2Cr13马氏体不锈钢的抗腐蚀性。本研究初选焊条A302、A307、G202、G207、G217、ER410及ER420不锈钢焊丝。
焊接试验内容，见表1、表2。
表1 2Cr13马氏体不锈钢手工焊条电弧焊焊接试验内容
类型 焊条
牌号 焊条直径 焊条烘干温度（℃） 焊接电流（A） 焊前预热（℃） 焊后冷却 焊后热处理
1 A302 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
2 A302 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3 A307 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
4 A307 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
5 G202 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
6 G202 Φ2.5/Φ3.2 150 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷 7 G207 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
8 G207 Φ2.5/Φ3.2 350 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
9 G217 Φ2.5/Φ3.2 280 80/100 300 空冷 550℃退火、油冷
10 G217 Φ2.5/Φ3.2 280 80/100 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
表2 2Cr13马氏体不锈钢手工钨极氩弧焊焊接试验内容
类型 焊丝牌号 钨极直径（mm） 氩气流量
（升/分） 焊接电流
（A） 焊前预热（℃） 焊后冷却 焊后热处理
1 ER410 Φ2.4 12 120 300 空冷 550℃退火、油冷
2 ER410 Φ2.4 12 120 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3 ER420 Φ2.4 12 120 300 空冷 550℃退火、油冷
4 ER420 Φ2.4 12 120 300 随炉冷却 550℃退火、油冷
3）焊接操作规程
参照工艺工作细则JR0.045.658《钢的电弧焊接》、JR0.045.413《手工钨极氩弧焊》进行操作，焊料的技术条件见说明书。在零件端面标识区分标记。
3.3.2.2电镀
此工序在表面处理车间进行。根据现有生产条件，参照工艺工作细则JR0.045.959《镀硬铬溶液的配制与调整》和典型工艺《镀硬铬生产线》操作。镀层厚度7?m、14?m、20?m，由表面处理车间提供镀层厚度测试报告。
试件的除油、酸洗、电解除油、弱腐蚀等工艺参照对应工艺工作细则和典型工艺进行。镀硬铬试验研究时，采用阳极反镀和阴极电镀两种方案。通过对比， 选出能满足产品要求的方案。
1）方案Ⅰ：阳极反镀。
按常规的电镀硬铬工艺进行，允许预热5分钟，然后反向阳极处理
0.5分钟至5分钟后，进行正常电镀。
2）方案Ⅱ：阴极电镀。
在电镀硬铬过程中，将现行工艺进行调整。不进行阳极处理，零件入
预热5分钟，进行正常电镀。
3.3.2.3 对试件进行力学性能试验、结合力试验、镀层硬度测试，给出试验数据报告。
4 试验结果分析
4.1 结果统计，见表3。
4.2 结果分析
4.2.1 2Cr13马氏体不锈钢焊接及镀硬铬时，应选用氩弧焊接，ER420、ER410焊丝均能满足焊缝处镀硬铬层的完整性，焊接力学性能较为稳定，能达到母材焊接力学性能指标的90%；电弧焊接时，夹渣缺陷难以消除，影响焊缝处镀硬铬层的完整性，试样的电镀情况见图5、6。
表3 试验结果统计表
图5 棒材试样电镀情况 图6 板材试样电镀情况
4.2.2 2Cr13马氏体不锈钢焊接时，G217焊料焊接力学性能最高，焊接质量相对稳定，接近母材的指标。
4.2.3 2Cr13马氏体不锈钢采用手弧焊接时，焊料化学成份相同时，低氢药皮的焊料焊接缺陷较少，焊接力学性能较高。
4.2.4 2Cr13马氏体不锈钢焊接后应缓慢冷却（炉冷），且及时去应力退火。焊接后冷却速度过快或未及时退火，焊缝处容易产生裂纹。
4.2.5 2Cr13马氏体不锈钢焊接件镀硬铬时，为了更好的去除镀件氧化皮，应采用阳极反镀的方法进行前处理，但时间不宜过长，否则影响镀硬铬层的结合力。
4.2.6 2Cr13马氏体不锈钢镀硬铬厚度超过20微米以上时，镀层维氏硬度才能达到800HV0.5以上。
5 结论
根据以上试验分析总结，使用ER420氩弧焊接及阳极前处理的镀硬铬工艺方法可以满足产品的使用及外观要求。
6 研究结果验证
按照新的焊接及电镀工艺对某产品套筒零件进行了加工验证，验证结果见图7、8。焊缝表面镀铬层完整，与零件表面镀层完全一致，效果理想。
图7 零件电镀验证 图8 新旧零件电镀对比
7 开展此课题的意义
本项目进行了大量的工艺试验，解决了某产品套筒焊缝处镀硬铬不完整的问题，同时对2Cr13马氏体不锈钢焊接、电镀工艺参数进行了系统的研究，为该材料在我公司的广泛应用奠定了技术基础。
参考文献
[1]（美）利波尔德，（美）科特基.不锈钢焊接冶金学及其焊接性 2008.10
[2] 李亚江.合金结构钢及不锈钢的焊接 2013.01
[3] 谢无极.电镀工程师手册 2011.11