高強(qiáng)鋼無(wú)氰和氰化物電鍍鎘鈦合金性能對(duì)比

段黨全，郝江華，詹中偉，孫志華，宇波，張騏,

1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089

2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095

300M、A100 等高強(qiáng)鋼是重要的航空材料，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架、渦輪盤(pán)、機(jī)身框架等各類(lèi)航空零件中。高強(qiáng)鋼在實(shí)際使用過(guò)程中通常需要進(jìn)行表面處理以提高其耐蝕性。但是，高強(qiáng)鋼對(duì)氫脆很敏感，因此對(duì)高強(qiáng)鋼進(jìn)行表面處理時(shí)要兼顧鍍層的耐蝕性和基材的低氫脆性[1-3]。傳統(tǒng)氰化物電鍍鎘層耐蝕性好，但容易引發(fā)基體氫脆，因此松孔鍍鎘和鎘鈦(Cd-Ti)合金電鍍工藝被相繼研發(fā)出來(lái)。與松孔鍍鎘相比，電鍍Cd-Ti 合金沒(méi)有犧牲其耐蝕性來(lái)?yè)Q取基體的低氫脆性，因此成為高強(qiáng)鋼防護(hù)的主流表面改性技術(shù)之一。

Cd-Ti 合金電鍍分氰化物體系和無(wú)氰體系。氰化物電鍍Cd-Ti 合金具有耐蝕性好、低氫脆等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但氰化物有劇毒，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，氰化物的使用日益受限[4-5]。無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金具有不含氰化物、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前的氰化物電鍍Cd-Ti 合金工藝必將被無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金工藝替代[6-8]。因此，研究和比較無(wú)氰體系和氰化物體系電鍍Cd-Ti 合金工藝，對(duì)于探究無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金工藝替代氰化物電鍍Cd-Ti 合金工藝的可行性具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝流程

基體材料為100 mm × 50 mm × 3 mm 的高強(qiáng)鋼300M、4340、30CrMnSiNi2A 及銅合金T2，工藝流程為：化學(xué)除油→吹砂→弱腐蝕→電鍍Cd-Ti 合金→除氫→鈍化。

1.1.1 化學(xué)除油

視零件表面油污狀況，選用乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑或RJ-1 碳?xì)淝逑磩?由北京航空材料研究院提供)，在室溫下除油30 ～ 60 s。

1.1.2 吹砂

吹砂采用120 目剛玉砂，壓力為0.2 ～ 0.6 MPa。吹砂后先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的LCX-52 清洗劑(由貴州黔之興科技有限公司提供)超聲清洗，再用清水洗。

1.1.3 弱腐蝕

為進(jìn)一步保證鍍層的結(jié)合力，在鍍前將試片放入44.5 mL/L 稀鹽酸中浸漬60 ～ 120 s。

1.1.4 電鍍Cd-Ti 合金

無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金使用北京航空材料研究院的CT-5 工藝，鍍層厚度為8 ～ 12 μm。

氰化物電鍍Cd-Ti 合金的配方和工藝條件為：鎘離子21 ～ 26 g/L，氰化鈉97 ～ 128 g/L，氫氧化鈉15 ～ 19 g/L，碳酸鈉≤60 g/L，溫度15 ～ 30 ℃，電流密度2.2 ～ 3.7 A/dm2。

1.1.5 除氫

不同材質(zhì)高強(qiáng)鋼試片在電鍍Cd-Ti 合金后參照表1 進(jìn)行除氫。銅合金T2 電鍍Cd-Ti 合金后無(wú)需除氫。

表1 不同牌號(hào)高強(qiáng)鋼電鍍Cd-Ti 合金后的除氫工藝Table 1 Parameters of hydrogen removal process for high-strength steel after being electroplated with Cd-Ti alloy

1.1.6 鈍化

鉻酸酐180 ～ 220 g/L，98%硫酸15 ～ 20 mL/L，68%硝酸15 ～ 20 mL/L，室溫，時(shí)間3 ～ 10 s。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 外觀(guān)

在天然散射光線(xiàn)或無(wú)反射光的白色透射光下進(jìn)行目視檢查，光照度不應(yīng)低于300 lx(即相當(dāng)于零件在40 W日光燈下500 mm 處的距離)。

1.2.2 結(jié)合力

用刃口磨至30°銳角的鋼劃刀在試片的鍍層表面劃6 條間距為1 mm 的平行直線(xiàn)，再劃6 條同樣間距的與之垂直相交的平行直線(xiàn)，要求深度直達(dá)基體金屬。若各線(xiàn)之間無(wú)鍍層剝落，則認(rèn)為結(jié)合力合格。

1.2.3 耐蝕性

中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)參照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》，采用Q/FOG 鹽霧試驗(yàn)箱，待測(cè)面朝上并與垂直方向呈15° ～ 30°，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度(35 ± 2) ℃，每80 cm2的鹽霧[(50 ± 10) g/L NaCl 溶液，pH = 6.5 ～ 7.2]沉降速率為1 ～ 2 mL/h，時(shí)間1 200 h。

1.2.4 鈦含量

參考HB 5361-1986《鎘-鈦電鍍工藝分析方法》，采用比色法檢測(cè)Cd-Ti 合金鍍層的Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)HB 5360-1986《高強(qiáng)度鋼零件低氫脆鍍鎘-鈦 質(zhì)量檢驗(yàn)》和SAE AMS2419C-2009Plating, Cadmium-Titanium的要求，無(wú)氰及氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層中Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)分別為0.1% ～ 0.7%和0.07% ～ 0.5%。

1.2.5 氫脆性

氫脆性測(cè)試根據(jù)ASTM F519-18Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating/Coating Processes and Service Environments進(jìn)行。采用進(jìn)口的4340 氫脆試棒(1a.2 型缺口)，平均抗拉強(qiáng)度為2 353 MPa。據(jù)試樣缺口截面積計(jì)算試驗(yàn)加載載荷，所加載荷為試樣缺口截面積與缺口試樣平均抗拉強(qiáng)度乘積的75%，載荷保持200 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cd-Ti 合金鍍層的外觀(guān)

不同高強(qiáng)鋼無(wú)氰及氰化物電鍍Cd-Ti 合金鈍化后的外觀(guān)如圖1 所示。從中可見(jiàn)，不同基體上的Cd-Ti 合金鍍層鈍化后均為彩虹色，表面平整、致密而均勻，說(shuō)明無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金在外觀(guān)方面與氰化物電鍍相當(dāng)。

圖1 不同高強(qiáng)鋼表面無(wú)氰電鍍和氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的外觀(guān)Figure 1 Appearance of Cd-Ti alloy coatings electroplated on different high-strength steels from cyanide-free and cyanide-based baths, respectively

2.2 Cd-Ti 合金鍍層的結(jié)合力

采用劃格法測(cè)試了不同高強(qiáng)鋼表面無(wú)氰及氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的結(jié)合力。從圖2 和圖3 可知，不同高強(qiáng)鋼表面的無(wú)氰及氰化物Cd-Ti 合金鍍層表現(xiàn)出良好的結(jié)合力，均為0 級(jí)或1 級(jí)。

圖2 不同高強(qiáng)鋼表面無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金鍍層的結(jié)合力測(cè)試結(jié)果Figure 2 Adhesion test results of Cd-Ti alloy coatings electroplated on different high-strength steels from cyanide-free bath

圖3 不同高強(qiáng)鋼表面氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的結(jié)合力測(cè)試結(jié)果Figure 3 Adhesion test results of Cd-Ti alloy coatings electroplated on different high-strength steels from cyanide-based bath

2.3 Cd-Ti 合金鍍層的耐蝕性

通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)比不同高強(qiáng)鋼表面兩種體系電鍍Cd-Ti 合金鍍層的耐蝕性。從圖4 和圖5 可知，兩種體系Cd-Ti 合金鍍層在中性鹽霧試驗(yàn)96 h 后都明顯變色，但無(wú)銹蝕現(xiàn)象；360 h 后鍍層表面出現(xiàn)白銹，但沒(méi)有出現(xiàn)紅銹；1 200 h 后依舊未出現(xiàn)紅銹。這說(shuō)明無(wú)氰及氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層都具有良好的耐蝕性。

圖4 不同高強(qiáng)鋼表面無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金的中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Neutral salt spray test results of Cd-Ti alloy coatings electroplated on different high-strength steels from cyanide-free bath

圖5 不同高強(qiáng)鋼表面氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Neutral salt spray test results of Cd-Ti alloy coatings electroplated on different high-strength steels from cyanide-based bath

2.4 鍍層鈦含量

表2 給出了氰化物電鍍及無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金試樣鈦含量的測(cè)試結(jié)果。無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金鍍層的Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.1% ～ 0.7%范圍內(nèi)，滿(mǎn)足HB 5360-1986 標(biāo)準(zhǔn)的要求；氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.07% ～ 0.5%范圍內(nèi)，滿(mǎn)足AMS2419C-2009 標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)比可知，無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金鍍層的鈦含量略高一些，理論上應(yīng)該具有更好的抗氫脆性[3]。

表2 氰化物電鍍和無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金鍍層的Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fraction of titanium in Cd-Ti alloy coating electroplated from cyanide-based and cyanide-free baths, respectively

2.5 氫脆性

使用4340 氫脆試棒分別驗(yàn)證氰化物電鍍和無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金的氫脆性。從表3 可知，所有試樣均可通過(guò)氫脆試驗(yàn)，說(shuō)明兩種工藝都未對(duì)基體的氫脆性產(chǎn)生負(fù)面影響。

表3 氰化物電鍍和無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金后4340 高強(qiáng)鋼的氫脆性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Hydrogen embrittlement testing results of 4340 high-strength steel electroplated with Cd-Ti alloy in cyanide-based and cyanide-free baths, respectively

3 結(jié)論

通過(guò)分析無(wú)氰電鍍及氰化物電鍍Cd-Ti 合金鍍層的外觀(guān)、結(jié)合力、耐蝕性、鈦含量及工藝對(duì)基體氫脆性的影響，探究使用無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金工藝替代氰化物電鍍Cd-Ti 合金工藝的可行性。結(jié)果表明，無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金鍍層的外觀(guān)、結(jié)合力、耐蝕性及工藝對(duì)基體氫脆性的影響均與氰化物電鍍Cd-Ti 合金工藝相當(dāng)，無(wú)氰電鍍Cd-Ti 合金工藝可完全替代氰化物電鍍Cd-Ti 合金工藝。