提高TC6鈦合金零件鍍鉻層結(jié)合力的方法

李 博

(中航飛機起落架有限責任公司燎原分公司，陜西漢中 723200)

引 言

鈦及鈦合金具有很高的強度質(zhì)量比，耐腐蝕性能優(yōu)異，中溫性能良好，已在各個領域特別是宇航工業(yè)中獲得廣泛的應用［1-2］。但因其耐磨性能差，表面易擦傷、粘接，焊接性能差等缺點，限制了其應用范圍。國內(nèi)外通常選用電鍍工藝對鈦及鈦合金進行表面處理，以達到改善鈦的表面性能，賦予其新的物理性能，擴大應用范圍的目的。例如，在鈦及鈦合金上鍍鉻或化學鍍鎳可提高其表面硬度，改善耐磨性能;鍍銅或鍍銀可改善高溫承載條件下零件的表面狀態(tài)，防止膠連粘接并出現(xiàn)微震腐蝕，這對于采用機械方法連接的鈦零件，如壓氣機盤片、葉片等是非常重要的;宇航工業(yè)上對鈦零件作鍍金處理，可改善其表面光反射性能;鍍銅或鍍鎳可改善鈦件的釬焊性能［3］。鈦是非?；顫姷慕饘伲ǔｂ伡扳伜辖鸲急憩F(xiàn)出穩(wěn)定的性質(zhì)，這是因為鈦與空氣中的氧和氮具有很強的親和能力，很容易在其表面生成一層薄而致密的鈍化膜。鈦合金電鍍時，要想獲得結(jié)合力良好的鍍層，就必須徹底去除表面的鈍化膜，但是鈦的氧化速度又很快，鈍化膜被清除的瞬間又會重新生成，這也是鈦合金具有優(yōu)良耐蝕性的主要原因。同時，這層氧化膜也使鈦合金上的電鍍難以進行，如果按照常規(guī)的工藝進行電鍍，不能得到結(jié)合力良好的鍍層。為此，本工作重點通過實驗總結(jié)出了一些有利于了提高鈦合金零件鉻層結(jié)合力的方法。

1 工藝實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為TC6鈦合金，試樣規(guī)格為100mm×25mm×1mm和某型機軸類零件。

1.2 實驗儀器

ZEZSS AX10型金相顯微鏡，OLYMPNS BX41M型金相顯微鏡，VSE86T200型鈦合金真空回火爐。

1.3 工藝流程

鈦合金鍍硬鉻工藝流程為:燒傷檢查→除油→水洗→干吹砂→水洗→裝掛和保護→除油→水洗→活化→水洗→鍍?nèi)榘足t→真空熱擴散退火→水吹砂→水洗→鍍硬鉻→水洗→性能試驗。

1.4 鍍層性能檢測

1)外觀。鍍層外觀采用目測與金相顯微鏡結(jié)合，綜合判斷鍍層外觀的顏色、均勻性、粗糙度和連續(xù)性。

2)結(jié)合力。

a.磨削法。進行正常磨加工(磨、研磨、搪磨等)的零件，在磨加工后鍍層無起皮、脫落即認為鉻鍍層結(jié)合力合格。

b.彎曲法。將鍍有δ≤50μm鉻層的試樣沿一直徑等于板材厚度的軸反復彎曲180°，直至基體斷裂，此時鍍層不應與基體分離。必要時允許用5倍放大鏡檢查斷面。

c.加熱法。用恒溫箱或空氣爐加熱試樣至250℃，保溫1h，然后在冷水中驟冷。用目視方法檢查，鍍層不應起泡、脫落。

2 影響鍍鉻層結(jié)合力的主要因素

2.1 鍍前處理

鍍前處理包括除油、吹砂和活化等主要工序。

1)除油。鍍件表面的油污，在電鍍時導致油污處鉻層無法沉積或鍍層不完整，需進行除油處理。

2)吹砂。如果鍍件表面的鈍化膜去除不徹底，將導致鉻層沉積困難或比較疏松、容易脫落。噴砂可以有效去除金屬表面的鈍化層，又可以使其表面粗化，加強了機械咬合力，從而有助于提高鍍層與基體的機械結(jié)合。但噴砂會增加工件的應力，同時對于一些表面粗糙度或配合精度要求較高的零件是不適合的。

3)活化。活化工序是鈦合金電鍍的關鍵，它使得鈦合金表面氧化膜被去除的同時，生成一層薄的轉(zhuǎn)化膜或金屬底層，使鈦基體在電鍍前不被重新氧化，同時能使金屬底層得到良好的沉積鍍層。本工作是將鍍件置于濃HCl和H2SO4混合液中進行氫化處理，使鈦表面與氫結(jié)合形成一層灰至黑的連續(xù)膜層，此層薄膜可保護基體在電鍍前不被氧化，并可保證良好的鍍層結(jié)合力。

2.2 電鍍過程

1)鍍鉻溶液。普通鍍鉻溶液成分為硫酸和鉻酐，其中鉻酐(CrO3)是主要成分，其質(zhì)量濃度對鍍液性能和鍍層性能有較大影響。根據(jù)理論數(shù)據(jù)和實驗情況，過高或過低的槽液質(zhì)量濃度都不利于獲得最佳的電流效率及鍍層質(zhì)量;控制ρ(鉻酐)∶ρ(硫酸)為90～100∶1，有利于提高鍍層與基體的結(jié)合力。

2)電鍍參數(shù)。鍍鉻時的槽液溫度、電流密度對鍍層性能、電流效率、分散能力都有很大的影響，并相互制約。優(yōu)化的工藝參數(shù)有利于保證鍍層與基體的良好結(jié)合。

2.3 金屬底層

在去除基體表面氧化膜的同時若能在其上沉積上一層中間金屬層，對重新生成氧化膜來說將是一種永久性的阻擋。研究表明，在鈦合金基體上沉積合適的金屬層作為鍍層的底層能夠提高鍍層的結(jié)合力［3］。

2.4 鍍后處理

1)除氫。在電鍍過程中，被鍍金屬離子在陰極上得到電子，氫離子也同樣會得到電子，生成原子態(tài)的氫，滲透到金屬鍍層內(nèi)部，使鍍層產(chǎn)生疏松，當擱置一段時間后，原子態(tài)的氫就會結(jié)合生成氫氣而體積膨脹，導致鍍層產(chǎn)生針孔、鼓泡甚至脫落等缺陷，如果滲透到基體還會導致零件的氫脆。除氫有利于減小鍍層內(nèi)應力，提高鍍層結(jié)合力。

2)熱處理。在高溫下，鍍層和基體之間有明顯的相互擴散，兩種不同的金屬原子之間會形成金屬鍵，從而達到提高結(jié)合力的目的［4］。

3 提高鉻層結(jié)合力的主要方法

3.1 保證前處理質(zhì)量

1)除油。對鈦合金零件進行化學除油?；瘜W除油溶液組成及操作條件為:5～15g/L氫氧化鈉，30～70g/L磷酸三鈉，20～25g/L碳酸鈉，3～5g/L硅酸鈉，總堿度(相當于NaOH)為15～30g/L，θ為75～95℃，時間除凈為止。30s水膜連續(xù)性檢查合格后，進行下道工序。

2)吹砂。鍍?nèi)榘足t前對鍍件基體采用 d為106～150μm 氧化鋁干吹砂，風壓為 0.3 ～0.5MPa;鍍硬鉻前對乳白鉻采用d為52～61μm氧化鋁水吹砂，風壓為0.3～0.5MPa，不允許砂流停滯在一個地方。

3)活化?；罨芤航M成及操作條件為:650mL硫酸(ρ=1.84g/mL)，350mL 鹽酸(ρ=1.19g/mL)，室溫下活化60～90min。按要求的參數(shù)進行活化處理，1L溶液最多處理表面積為5dm2的鈦合金鍍件。

3.2 優(yōu)化電鍍過程

1)嚴控鍍鉻溶液成分。為了獲得結(jié)合力良好的鍍層，對鍍鉻溶液進行了嚴格的控制，要求鍍鉻溶液的組成為:225 ～250g/L 鉻酐，2.25～2.50g/L硫酸，3～5g/L 三價鉻，ρ(鉻酐)∶ρ(硫酸)為 90～100∶1，雜質(zhì) ρ(Cl－)(以 NaCl計)≤0.033g/L。

2)優(yōu)化工藝參數(shù)。電鍍?nèi)榘足tθ為70～80℃，Jк為30～40A/dm2，t為1h;鍍硬鉻 θ為50 ～55℃，Jк為45～50A/dm2，時間至規(guī)定的厚度。要求進入鍍槽的零件應不通電預熱1～5min后開始電鍍。

3.3 用乳白鉻作底層

在對鈦合金基體上先電鍍?nèi)榘足t，然后再鍍硬鉻，實踐證明對提高鉻層的結(jié)合力有顯著的作用。乳白鉻層δ控制在15～25μm，對防止水吹砂缺陷，保證硬鉻層與乳白鉻層的結(jié)合力十分有效。用型號為OLYMPNS BX41M的金相顯微鏡放大200倍拍攝乳白鉻層經(jīng)水吹砂后的金相缺陷見圖1。

圖1 乳白鉻層水吹砂缺陷

3.4 增加后處理

1)真空熱擴散。為了提高乳白鉻與基體鈦合金的結(jié)合力，對乳白鉻在真空度為 0.0666～0.666Pa進行真空熱處理。操作要求第1階段θ為280～300℃，t為1h;第2階段 θ為 750～770℃，t為1h，隨爐冷到θ為200～250℃，然后空冷。

同時，為減少鍍層和基體的氧化，退火時應將預先經(jīng)真空退火的鈦屑填充在盛料盒中。用型號為ZEZSS AX10的金相顯微鏡放大200倍拍攝經(jīng)熱處理擴散后的乳白鉻金相組織，見圖2。

圖2 真空熱擴散后的乳白鉻層

2)除氫。參考HB/Z5072-92規(guī)定，鈦合金零件在鍍硬鉻后10h內(nèi)，在180～200℃下除氫不少于4h;對退除鉻鍍層的不合格零件在700℃下真空除氫1h，然后重新鍍鉻。

3.5 控制返修次數(shù)

實踐證明，多次的返修使鈦合金零件的鍍鉻難度加大，鍍層結(jié)合力下降。為此，在生產(chǎn)中嚴格限制鍍鉻零件的返修不超過兩次。

4 結(jié)論

提高鈦合金零件上鉻層與基體結(jié)合力方法的環(huán)節(jié)很多，一是保證前處理質(zhì)量。確保將鈦合金表面的鈍化層去除，油污除凈。二是通過優(yōu)化電鍍過程。做到用精選的槽液、優(yōu)化的參數(shù)電鍍出性能符合要求的鉻層。三是金屬底層的選用。用合適的金屬作為底層，使兩種不同的金屬原子之間形成金屬鍵，加強鍍層與基體的結(jié)合。四是增加鍍后處理。包括乳白鉻的真空熱擴散和硬鉻的鍍后除氫。如果將這四個環(huán)節(jié)結(jié)合起來考慮電鍍工藝的選擇，效果會更好。

［1］ 曾華梁，吳仲達，陳均武，等.電鍍工藝手冊［M］.機械工業(yè)出版社，1997:92-96

［2］ 陶春虎，劉慶瑔，曹春曉，等.航空用鈦合金的失效及其預防［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002:87-100.

［3］ 孫志華，劉佑厚，張曉云，等.鈦及鈦合金的電鍍工藝述評［J］.腐蝕與防護，2005，(11):493-496.

［4］ 孫鋼，王鳳.鈦合金上電鍍工藝簡介［J］.時代報告，2012，(7):55-56.