提高鈦合金零件鍍鉻結(jié)合力

楊 鵬， 趙金航， 王 娟

(中航飛機(jī)股份有限公司長(zhǎng)沙起落架分公司，湖南長(zhǎng)沙 410200)

引 言

鈦及鈦合金是非?；顫姷慕饘?，由于表面容易生成一種自然的氧化膜，很難獲得結(jié)合力良好的鍍層。鈦合金耐腐蝕性能優(yōu)異，中溫性能好，目前在各個(gè)領(lǐng)域特別是航空工業(yè)上得到應(yīng)用。但是由于鈦及鈦合金耐磨性能差，表面易擦傷，限制了鈦及鈦合金的應(yīng)用范圍，為此，通過(guò)電鍍鉻可以提高表面硬度及耐磨性。近年來(lái)鈦合金零件鍍鉻在工業(yè)上的應(yīng)用，經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)幾大航空制造業(yè)統(tǒng)計(jì)，鈦合金鍍鉻產(chǎn)品合格率不足50%。為了提高鍍鉻產(chǎn)品的合格率，對(duì)常見故障環(huán)節(jié)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，找準(zhǔn)導(dǎo)致結(jié)合力差的原因，進(jìn)行了工藝方法改進(jìn)。通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，提高了鍍鉻層與鈦合金基體的結(jié)合力，使鈦合金鍍鉻產(chǎn)品合格率提高。

1 技術(shù)指標(biāo)

鈦及鈦合金鍍鉻層技術(shù)質(zhì)量要求為:

1)鍍層外觀。鉻層外觀為均勻一致乳白色，光滑，無(wú)鼓泡、無(wú)起皮;

2)厚度。硬鉻鉻層厚度達(dá)到工程鍍鉻厚度要求，δ為21～48μm;

3)結(jié)合力。鍍硬鉻后分別采用不同方法的結(jié)合力試驗(yàn)，更為嚴(yán)格的控制鍍層結(jié)合力。

a.依據(jù)Q/J11-3046-2002《鈦合金電鍍鉻工藝》要求進(jìn)行磨削法;

b.依據(jù)轉(zhuǎn)包BAC5709《電鍍鉻》的要求進(jìn)行鏨擊法;

c.依據(jù)HB5041的要求進(jìn)行加熱法、彎曲法。

4)硬度。硬度按照ASTM E384檢測(cè)，鉻層硬度值不小于700HV。

2 方案設(shè)計(jì)

鈦合金鍍鉻工藝流程為:

噴砂→除油→水洗→氫化→水洗→鍍?nèi)榘足t→水洗→干燥→檢驗(yàn)→真空熱擴(kuò)散→水吹砂→除油→水洗→鍍硬鉻→水洗→干燥→檢驗(yàn)。

按照工藝流程進(jìn)行分析。在生產(chǎn)過(guò)程中，鉻層出現(xiàn)鼓泡、起皮和脫落的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鍍?nèi)榘足t和真空熱擴(kuò)散后。因此鍍?nèi)榘足t前的氫化、真空熱擴(kuò)散工序及乳白鉻層的厚度是導(dǎo)致鉻層質(zhì)量低的主要環(huán)節(jié)，也是實(shí)驗(yàn)的主要方向。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 氫化處理對(duì)鍍鉻層質(zhì)量的影響

氫化處理是為了在鈦合金表面形成鈦氫化合物膜層，以提高鈦合金與鉻鍍層的結(jié)合力。確定氫化處理液對(duì)氫化處理質(zhì)量影響最佳參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)方案。用4個(gè)1000mL的燒杯新配置氫化溶液，分別將2、3、4和5dm2的試件進(jìn)行氫化處理，通過(guò)不同面積試件氫化處理后，對(duì)零件表面狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證氫化液的使用極限。

氫化液配方［1］及操作條件:

硫酸(ρ=1.84g/mL) 650mL

鹽酸(ρ=1.19g/mL) 350mL

θ 18～25℃t 60～90min

經(jīng)氫化處理后試件外觀說(shuō)明。

2dm2試件氫化處理后，外觀呈深黑灰色，表面深黑灰色膜層致密、均勻;

3dm2試件氫化處理后，外觀呈深黑灰色，表面深黑灰色膜層致密、均勻，但相比2dm2試件顏色稍淺，略帶淡紫色;

4dm2試件氫化處理后，外觀呈黑灰色，明顯比2和3dm2試件色澤淺，但膜層致密、均勻;

5dm2試件氫化處理后，外觀黑灰色明顯變淺，生成膜層有不連續(xù)現(xiàn)象。

將4種氫化處理后的試件立即進(jìn)行乳白鉻電鍍，其鍍后外觀分析。

2和3dm2氫化處理試件乳白鉻外觀表面顏色均勻一致，乳白色，光滑、無(wú)鼓泡和起皮現(xiàn)象;

4dm2氫化處理試件鍍鉻后呈乳白色，5dm2氫化處理試件鍍鉻后鍍層顏色發(fā)黑，顏色差于4dm2處理試件，表面有大量細(xì)小鼓泡現(xiàn)象，氫化質(zhì)量不合格。

通過(guò)以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明在氫化處理中1L氫化溶液，最多可處理3dm2鈦合金零件，可得到結(jié)合力較好的鈦氫化合物膜層，有利于提高鍍硬鉻層的結(jié)合力。

3.2 吹砂工序?qū)θ榘足t層厚度的影響

按照加工工藝流程，鍍?nèi)榘足t層真空熱擴(kuò)散后需要水吹砂，然后鍍硬鉻。吹砂采用機(jī)械方法，對(duì)乳白鉻層有影響。經(jīng)分析吹砂工序有可能造成乳白鉻層的損失，使基體表面無(wú)乳白鉻底層，造成鍍硬鉻質(zhì)量不合格。

將試件鍍?nèi)榘足t后，對(duì)不同鉻層吹砂前后鉻層厚度損失進(jìn)行檢查，結(jié)果如表1所示。

表1 試片吹砂前后鍍層厚度損失試驗(yàn)

由表1對(duì)通過(guò)吹砂前后試片尺寸分析:

a.吹砂對(duì)乳白鉻層單面δ減小7～10μm;

b.要達(dá)到表面光滑，顏色一致，無(wú)鼓泡、起皮的鉻層，應(yīng)控制乳白鉻鍍后δ為15～25μm之間，保證吹砂后乳白鉻層δ為5μm以上;

c.選取吹砂后，乳白鉻層δ在5μm及以下試件進(jìn)行金相分析。

使用ZEISS顯微放大鏡(德國(guó))，在200倍下觀察試片表面形貌，如圖1所示。

圖1 乳白鉻層吹砂后金相照片

由圖1顯示，由于乳白鉻層厚度不足，經(jīng)吹砂處理后，局部乳白鉻層脫落損失，造成鍍硬鉻層結(jié)合力不良。為了保證吹砂后乳白鉻層完整，乳白鉻層δ需控制在15～25μm。

3.3 硬鉻層結(jié)合力試驗(yàn)

根據(jù)上述三個(gè)重點(diǎn)工序的實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)零件經(jīng)乳白鉻電鍍、真空熱擴(kuò)散和鍍硬鉻后進(jìn)行結(jié)合力試驗(yàn)。

1)彎曲法。將試樣用鉗子夾緊，使彎曲直徑與試樣厚度相當(dāng)，反復(fù)彎曲180°，直至基體金屬折斷;在放大5倍的條件下檢查斷口和相鄰區(qū)域，鍍層與基體金屬不分離為合格，在放大鏡下觀察到鍍層龜裂屬于合格;鍍層與基體金屬分離、鍍層起皮或脫落均為不合格［2］。試樣外觀見圖2和圖3。

圖2 彎曲法測(cè)試前試件硬鉻層外觀

圖3 彎曲法測(cè)試后試件斷裂端面外觀

由圖2、圖3顯示，通過(guò)彎曲法對(duì)鉻層結(jié)合力檢查后，鍍層無(wú)起皮、剝離，結(jié)合力合格。按產(chǎn)品技術(shù)要求對(duì)硬鉻試件進(jìn)行硬度檢查［3］，測(cè)試結(jié)果見表2。其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。

表2 彎曲法結(jié)合力測(cè)試結(jié)果

2)磨削法。使用MG1432A高精外圓磨床磨削鉻層，目視或在放大5倍的條件下檢查磨削表面，鍍層與基體金屬不分離、無(wú)鍍層起皮或脫落時(shí)，鍍層結(jié)合力合格［2］。試樣外觀見圖4和圖5。

圖4 磨削法測(cè)試前試件硬鉻層外觀

圖5 磨削法測(cè)試示意圖

通過(guò)磨削法對(duì)結(jié)合力試件檢查后，鍍層無(wú)起皮、剝離現(xiàn)象，結(jié)合力合格，對(duì)鉻層硬度檢查［3］，其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 磨削法結(jié)合力測(cè)試結(jié)果

3)鏨擊法。鏨刀刀尖應(yīng)緊貼在鍍層/基體金屬界面上，用一個(gè)0.45kg的非彈性塑料頭的錘子鏨切鍍鉻層，肉眼檢查斷裂區(qū)，若開裂區(qū)域有超過(guò)60%的電沉積鉻層，則認(rèn)為鍍層結(jié)合力可接受，在鏨刀沖擊位置處要求基體金屬局部暴露［5］。測(cè)試結(jié)果見圖6和表4。

圖6 鏨擊法測(cè)試試件硬鉻層外觀

表4 鏨擊法結(jié)合力測(cè)試結(jié)果

4)加熱法。將鏨擊法試件在空氣爐中加熱至300℃，保溫1h，在水中冷卻。檢查鉻層是否脫落。測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 加熱法測(cè)試試件檢測(cè)示意圖

通過(guò)加熱法對(duì)結(jié)合力試件檢查，鉻層無(wú)起皮、剝離現(xiàn)象，結(jié)合力合格，對(duì)鉻層硬度檢查［3］，其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。

通過(guò)以上四種不同的結(jié)合力試驗(yàn)驗(yàn)證，鍍層結(jié)合力均合格。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)多項(xiàng)工藝試驗(yàn)探索，分析了預(yù)處理氫化溶液參數(shù)對(duì)乳白鉻層的質(zhì)量影響，在乳白鉻層上防止了吹砂對(duì)鉻層厚度的損失，通過(guò)真空熱擴(kuò)散使乳白鉻層與鈦合金機(jī)體表面進(jìn)行了組織擴(kuò)散，更好的保證了乳白鉻層的結(jié)合力，為后續(xù)的硬鉻沉積打好了底層。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)結(jié)合力試驗(yàn)驗(yàn)證均滿足鉻層技術(shù)要求，為鈦合金零件的鉻層結(jié)合力的提高具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］ 孫志華.Q/J11-3046-2002，鈦合金電鍍鉻工藝［S］.

［2］ 卜建亮.HB 5041-1992鉻層質(zhì)量檢測(cè)［S］.

［3］ ASTM E384，材料的努氏硬度和維氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法［S］.

［5］ BAC5709 T，電鍍硬鉻［S］.