民用飛機(jī)鍍鋅鎳工藝研究

楊志業(yè)，胡遐林，王進(jìn)軍，耿莽河，李 陽

(1. 沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110850；2. 武漢材料保護(hù)研究所有限公司，湖北 武漢 430030)

0 前 言

因鎘鍍層在海洋條件下對鋼制零件有較好的防護(hù)性能，現(xiàn)階段具有耐蝕性能要求的航空用鋼制零件多采用鍍鎘、低氫脆鍍鎘、氯化銨鍍鎘、鍍鎘鈦等工藝進(jìn)行防護(hù)。但鎘對環(huán)境危害極大，鍍鎘工藝在民用領(lǐng)域已逐步被淘汰。

鋅鎳合金鍍層的耐蝕性比鍍鋅層高，電位與鎘鍍層接近，具有良好的性價(jià)比、低污染性和低氫脆性，可替代鍍鎘、無氰鍍鎘鈦工藝用于軍用航空用30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A等材料的表面防護(hù)[1-3]，但目前針對民用飛機(jī)鍍鋅鎳工藝應(yīng)用情況的研究尚較少。

為此，本工作結(jié)合民用飛機(jī)制造領(lǐng)域知名制造商及美國宇航材料規(guī)范等對鍍鋅鎳工藝的質(zhì)量要求及對高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性的要求，對NZ - 70堿性鍍鋅鎳工藝性能進(jìn)行了研究。

1 民用飛機(jī)鍍鋅鎳質(zhì)量要求分析

為明確民用飛機(jī)領(lǐng)域?qū)﹀冧\鎳工藝質(zhì)量要求，對主要民用飛機(jī)生產(chǎn)商廠及行業(yè)規(guī)范中質(zhì)量要求的差異進(jìn)行了分析，詳見表1。

表1 鍍鋅鎳質(zhì)量要求

2 民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性要求

目前民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層主要為低氫脆鍍鎘層(也稱松孔鍍鎘)及氰化鍍鎘鈦層，常用氫脆性能測試的方法為缺口試棒拉伸試驗(yàn)和測氫儀法，一般采用測氫儀法作為生產(chǎn)工藝控制試驗(yàn)，采用缺口試棒拉伸試驗(yàn)作為鑒定性試驗(yàn)。測氫儀是一種定量地測量電鍍時(shí)氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器，能更為方便地比較不同電鍍工藝的氫脆性能。在測氫儀試驗(yàn)中λ表示鍍層的氫可滲透性，λ值越小，表示鍍層氫脆危險(xiǎn)越小。

表2 高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性要求

3 試 驗(yàn)

3.1 基材前處理

(1)合金鋼：溶劑除油(丙酮)—陽極電化學(xué)除油(1.5%NaOH，2.5%Na2CO3，2.5%Na3PO4·12H2O，0.4%Na2SiO3，3 A/dm2，50～70 ℃)—熱水洗—冷水洗—合金鋼活化(2%HCl)—冷水洗；試樣：4130, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣/鎳含量試樣)，150 mm×100 mm×1mm(鹽霧試樣)。

(2)銅合金：溶劑除油(丙酮)—化學(xué)除油(7%NaOH，4%Na2CO3，4%Na3PO4·12H2O ，2%Na2SiO3，75～95 ℃)—熱水洗—冷水洗—銅合金活化(5% H2SO4，2.5%HCl)—冷水洗；試樣：C11000, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣)。

(3)不銹鋼：溶劑除油(丙酮)—陽極電化學(xué)除油(1.5%NaOH，2.5%Na2CO3，2.5%Na3PO4·12H2O，0.4%Na2SiO3，3 A/dm2，50～70 ℃)—熱水洗—冷水洗—不銹鋼活化(8%HCl,38～42 ℃)—冷水洗—閃鍍鎳(275 g/L NiCl2，3%HCl，3 A/dm2)—冷水洗；試樣：304、15 - 5PH, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣)。

(4)高強(qiáng)度鋼：溶劑除油(丙酮)—吹砂—化學(xué)除油(7%NaOH，4%Na2CO3，4%Na3PO4·12H2O ，2%Na2SiO3，75～95 ℃)—熱水洗—冷水洗；試樣：ASTM F519采用1a1型試樣(氫脆試樣)。

3.2 鍍層的制備

鍍鋅鎳[6.5～8.0 g/L Zn2+，0.7～1.5 g/L Ni2+，80～130 g/L NaOH，100～120 mL/L NZ - 71(配位劑，主要成分為羥乙基二乙烯三胺)]；20～40 ℃，1～4 A/dm2，以鎳板為陽極；鹽霧試樣鍍層厚度5.1～7.6 μm ，其余試樣鍍層厚度10～18 μm。

3.3 后處理

(1)合金鋼、銅合金、不銹鋼：冷水洗—活化(HCl，pH=3.0～3.5)—鈍化(70 g/L開缸劑NZ - E，25 mL/L補(bǔ)加劑NZ - E，40～55 ℃，60 s)—冷水洗—溫水洗—冷風(fēng)吹干。

(2)高強(qiáng)度鋼：冷水洗—除氫(190 ℃，23 h)—退鍍(NH4NO315%)—重新前處理—電鍍鋅鎳—活化(HCl，pH=3.0～3.5)—鈍化(70 g/L開缸劑NZ - E，25 mL/L補(bǔ)加劑NZ - E，主要成分為鉻酸、硫酸、氯化鈉，40～55 ℃，60 s)—冷水洗—溫水洗—冷風(fēng)吹干—除氫(190 ℃，23 h)。

3.4 鍍層性能測試

(1)鍍層厚度 按ASTM B499“用磁性方法測量涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法：磁性基體上非磁性鍍層”采用Mini Test 2100磁性測厚儀、按ASTM B487“用截面顯微鏡測量金屬和氧化物涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”采用金相法測量鍍層厚度。

(2)結(jié)合力 將試樣彎曲直到破裂，用10倍放大鏡檢查。鍍層應(yīng)無剝落、起泡等缺陷。

(3)耐蝕性 按照ASTM B117“鹽霧試驗(yàn)”采用Q/FOG CCT1100型鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。96 h應(yīng)無白銹，750 h應(yīng)無紅銹。

(4)鎳含量 按ASTM E1659“鋼鐵基體上鋅鎳合金電鍍層膜重及化學(xué)成分分析”采用TAS - 990 AGF型原子吸收分光光度計(jì)及LE104E型電子天平進(jìn)行鎳含量分析，鎳含量應(yīng)滿足6%～16%要求。

(5)缺口拉棒試驗(yàn)：按ASTM F519“電鍍涂覆工藝和應(yīng)用環(huán)境機(jī)械氫脆評定試驗(yàn)方法”采用UH - F1000KNI液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。采用3根1a1型試樣在其最高載荷80%下進(jìn)行200 h拉伸試驗(yàn)，有1根試樣斷裂或在10倍放大鏡下檢查出現(xiàn)裂紋即為不合格。

(6)氫可滲透性試驗(yàn)：參照ASTM F326“電鍍鎘工藝氫脆電子測量標(biāo)準(zhǔn)方法”采用勞倫斯測氫儀進(jìn)行鍍層氫可滲透性試驗(yàn)，電鍍電流密度約2 A/dm2，電鍍時(shí)間900 s。

4 結(jié)果與討論

4.1 外觀與結(jié)合力

目視檢查電鍍鋅鎳合金鍍層(厚10～18 μm)的4130鋼試樣，鍍層連續(xù)、光滑細(xì)致、均勻、無起泡、凹坑、結(jié)瘤、過燒等缺陷。未鈍化試樣呈銀白色，鈍化后試樣呈帶有紅綠色調(diào)的彩虹色。

采用彎曲法對電鍍鋅鎳合金鍍層(厚10～18 μm)的4130鋼、C11000銅合金、304不銹鋼、15 - 5PH不銹鋼試樣進(jìn)行檢查，試樣斷口處無鍍層分離或脫落，無起泡等缺陷。

4.2 耐蝕性

在耐蝕性試驗(yàn)中選取相對較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鈍化膜及鍍層耐蝕性檢測。

按ASTM B117對電鍍鋅鎳合金鍍層(厚度5.1～7.6 μm)并鈍化的試樣進(jìn)行96 h鹽霧試驗(yàn)，鋅鎳鍍層表面僅出現(xiàn)少量條紋，鈍化膜顏色基本無變化，未出現(xiàn)白銹，表明鈍化膜仍起到良好的保護(hù)作用。

按ASTM B117對電鍍鋅鎳合金鍍層(厚度10～18 μm)并鈍化的試樣進(jìn)行750 h鹽霧試驗(yàn)，鋅鎳鍍層表面僅出現(xiàn)少量白銹，但未出現(xiàn)紅銹，表明鍍層仍起到了良好的保護(hù)作用。

4.3 鎳含量

按ASTM E1659溶解4130鋼上鍍層(厚度為10～18 μm)，并稱重計(jì)算溶解前后質(zhì)量變化值，然后采用原子吸收分光光度法測定溶解液中鎳離子含量、鐵離子含量，通過計(jì)算得出鍍層鎳含量為10.77%～10.91%，符合6%～16%要求，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 鎳含量測量結(jié)果

4.4 氫脆性能

在氫脆性能試驗(yàn)中選取相對較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫脆性能檢測，以模擬在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的退鍍 - 重鍍狀態(tài)下零件的氫脆特性。

采用ASTM F519 1a1型試樣電鍍-退鍍-除氫-電鍍-除氫，鍍鋅鎳層厚度10～18 μm，除氫溫度190 ℃，除氫時(shí)間23 h，電鍍與除氫時(shí)間間隔1 h。在其最高載荷80%下進(jìn)行200 h拉伸試驗(yàn)后，無試樣斷裂，在10倍放大鏡下檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4.5 氫可滲透性

鍍鋅鎳工藝與低氫脆鍍鎘鈦工藝低氫脆機(jī)理基本相同[10，11]，一方面鈦和鎳對氫有富集作用、減少了基體吸氫量；另一方面鍍層結(jié)構(gòu)都存在裂紋、利于除氫，因此評定鍍鋅鎳工藝氫脆性能時(shí)可參考氰化鍍鎘鈦工藝氫可滲透性標(biāo)準(zhǔn)(λ<140 s)。試驗(yàn)結(jié)果表明鍍鋅鎳工藝λ值為137.48 s，不低于氰化鍍鎘鈦工藝氫可滲透性標(biāo)準(zhǔn)，詳見表4。

表4 氫可滲透性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

國內(nèi)普遍采用的NZ - 70系列鍍鋅鎳工藝可滿足波音、空客、龐巴迪及美國宇航材料規(guī)范對鍍鋅鎳工藝外觀、結(jié)合力、耐蝕性、鎳含量、氫脆性能的要求，其鍍層氫可滲透性不低于氰化鍍鎘鈦性能要求，可替代進(jìn)口溶液用于民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼零件表面防護(hù)。