不同鋼鐵表面無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦鍍層性能差異

郝江華，高曉穎*，王浩軍，段黨全，詹中偉，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）

電鍍鎘鈦憑借高耐蝕性、低氫脆性等優(yōu)點(diǎn)，在鋼鐵零件表面得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。鎘鈦鍍層對(duì)于鋼是一種陽極性鍍層，特別適于與海水、海霧直接接觸的零件防護(hù)，防護(hù)性能優(yōu)于鎘、鋅鍍層［4-6］。國外先進(jìn)飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼（如F/A18、F-22、B767、JSF35等）均采用了鎘-鈦鍍層進(jìn)行防護(hù)［7-9］。目前，電鍍鎘鈦已經(jīng)被成熟應(yīng)用在40CrNi2Si2MoVA鋼、16Co14Ni10Cr2Mo鋼、30CrMnSiNi2A鋼等超高強(qiáng)度鋼的防護(hù)上，并達(dá)到了美軍標(biāo)MIL-STD-1500要求［10-12］。目前所使用的電鍍鎘鈦工藝含有氰化物。氰化物有劇毒，不僅對(duì)人體和環(huán)境有的危害，也在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后處理等方面帶來了麻煩［13-15］。航空工業(yè)一直在推進(jìn)綠色環(huán)保表面處理工藝替代高污染工藝，無氰電鍍鎘鈦工藝也是其中一項(xiàng)［16-18］。

本研究針對(duì)西飛公司對(duì)高強(qiáng)度鋼無氰環(huán)保技術(shù)的需求，開展無氰電鍍鎘鈦和氰化電鍍鎘鈦在不同鋼鐵基體表面鍍層性能的研究，通過性能試驗(yàn)，為替代現(xiàn)行氰化電鍍鎘鈦工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

進(jìn)行室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和拉伸性能試驗(yàn)的試樣材料為300M鋼和50CrVA鋼，進(jìn)行氫脆試驗(yàn)的試樣材料為300M鋼和4340 F519試棒。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

1.2.1 疲勞試驗(yàn)

按HB 5287《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》測定同種基體材料、氰化鍍鎘鈦及無氰鍍鎘鈦后SN曲線。試驗(yàn)頻率為80～120 Hz，試驗(yàn)溫度為室溫，環(huán)境為空氣；加載方式為軸向加載，載荷為正弦波，所用最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比R=0.1，應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1。采用成組法進(jìn)行試驗(yàn)，選取4～5個(gè)不同應(yīng)力水平載荷（每組應(yīng)不少于3根試樣）、高周疲勞周次最高為1000萬次、置信區(qū)間在90%以上。

1.2.2 氫脆試驗(yàn)

300M鋼氫脆性能評(píng)價(jià)均按HB 5067.1《鍍覆工藝氫脆試驗(yàn)第1部分：機(jī)械方法》通過持久拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)工藝的氫脆性能。4340 F519（1a.2）氫脆性能評(píng)價(jià)均按ASTM F519《Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating/Coating Processes and Service Environments》通過持久拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)工藝的氫脆性能。

1.2.3 拉伸試驗(yàn)

按HB 5143《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》測試同種基體材料、氰化鍍鎘鈦及無氰鍍鎘鈦后的拉伸試棒。

2 結(jié)果與討論

2.1 50CrVA鋼和300M鋼經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的疲勞性能

為了評(píng)價(jià)無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦對(duì)50CrVA鋼和300M鋼的影響，采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測定不同電鍍次數(shù)下的疲勞壽命，采用三參數(shù)非線性模型進(jìn)行S-N曲線擬合。S為材料標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞強(qiáng)度，N為疲勞壽命。

2.1.1 50CrVA鋼

50CrVA鋼空白試樣、無氰鍍鎘鈦后試樣和氰化鍍鉻鈦后試樣的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表1、2和表3，采用三參數(shù)模型進(jìn)行S-N曲線擬合，擬合結(jié)果如圖1所示。

圖1 50CrVa試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)擬合S-N曲線Fig.1 Fitting S-N curves for rotational bending fatigue test of 50CrVa sample

表1 空白試樣疲勞性能Tab.1 Fatigue performance of blank sample

表2 無氰電鍍鎘鈦后疲勞性能Tab.2 Fatigue performance after cyanide free electroplating of cadmium titanium

表3 50CrVA經(jīng)過氰化電鍍鎘鈦后疲勞性能Tab.3 Fatigue performance of 50CrVA after cyanide electroplating of cadmium titanium

對(duì)比表1、2和表3的數(shù)據(jù)，空白試樣、無氰鍍鎘鈦后試樣和氰化鍍鎘鈦后試樣的疲勞極限分別為402 MPa、398 MPa和422 MPa。從結(jié)果來看，無氰鍍鎘鈦疲勞極限相比裸材降低了1.5%，氰化鍍鎘鈦疲勞極限相比裸材提高了5.0%。相對(duì)于裸材的疲勞極限，經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后，試樣的疲勞極限變化幅度很小，對(duì)材料的使用不會(huì)造成太大的影響。

從圖1來看，無氰電鍍工藝處理后疲勞試棒的S-N曲線與基材的S-N曲線幾乎一致，這說明無氰電鍍鎘鈦工藝沒有改變基材的疲勞性能；氰化電鍍鎘鈦工藝處理后的疲勞試棒的疲勞性能略高于裸材，證明氰化電鍍鎘鈦沒有降低基材的疲勞性能。

2.1.2 300M鋼

300M鋼空白試樣、無氰鍍鎘鈦后試樣和氰化鍍鉻鈦后試樣的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表4、5和表6，采用三參數(shù)模型進(jìn)行S-N曲線擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 300M試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)擬合S-N曲線Fig.2 Fitting S-N curves for rotational bending fatigue test of 300M sample

表4 300M鋼空白試樣疲勞性能Tab.4 Fatigue performance of blank sample of 300M

表5 300M鋼經(jīng)過無氰電鍍鎘鈦后疲勞性能Tab.5 Fatigue performance of 300M after cyanide free cadmium titanium electroplating

表6 300M鋼經(jīng)過氰化電鍍鎘鈦后疲勞性能Tab.6 Fatigue performance of 300M after cyanide electroplating of cadmium titanium

對(duì)比表4、5和表6的數(shù)據(jù)，空白試樣、無氰鍍鎘鈦后試樣和氰化鍍鎘鈦后試樣的疲勞極限分別為905 MPa、932 MPa和841 MPa。從結(jié)果來看，無氰鍍鎘鈦疲勞極限相比于裸材增加了3%；氰化鍍鎘鈦疲勞極限相比于裸材降低了7%。相對(duì)于裸材的疲勞極限，經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后試樣的疲勞極限變化幅度很小，對(duì)材料的使用不會(huì)造成太大的影響。

從圖2結(jié)果來看，無氰電鍍工藝處理后疲勞試棒的S-N曲線比基材的S-N曲線略高，這說明無氰電鍍鎘鈦工藝對(duì)基材的疲勞性能沒有不利影響。

2.2 300M鋼和50CrVA經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的拉伸性能

2.2.1 300M鋼

對(duì)300M鋼空白試驗(yàn)、無氰電鍍鎘鈦后和氰化電鍍鎘鈦后的300M試棒進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究電鍍鎘鈦工藝對(duì)300M拉伸性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。對(duì)比鍍鎘鈦后基材的抗拉強(qiáng)度，其中氰化電鍍鎘鈦下降0.5%，無氰電鍍鎘鈦下降1.8%；對(duì)比鍍鎘鈦后基材的斷后伸長率，其中氰化電鍍鎘鈦上升1%，無氰電鍍鎘鈦下降1%；對(duì)比鍍鎘鈦后基材的屈服強(qiáng)度，其中氰化電鍍鎘鈦下降2.4%，無氰電鍍鎘鈦下降1.0%。綜上可知，無氰電鍍鎘鈦和氰化電鍍鎘鈦工藝對(duì)基體拉伸性能影響不大，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值波動(dòng)均在5%以內(nèi)。

表7 300M鋼鍍鎘鈦后的拉伸性能Tab.7 Tensile properties of 300M sample

2.2.2 50CrVA鋼

對(duì)50CrVA空白試驗(yàn)、無氰電鍍鎘鈦后和氰化電鍍鎘鈦后的50CrVA試棒進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究電鍍鎘鈦工藝對(duì)50CrVA拉伸性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。對(duì)比鍍鎘鈦后基材的抗拉強(qiáng)度，其中氰化電鍍鎘鈦上升1.4%，無氰電鍍鎘鈦上升1.1%；對(duì)比鍍鎘鈦后基材的斷后伸長率，其中氰化電鍍鎘鈦下降2.2%，無氰電鍍鎘鈦下降2.6%；對(duì)比鍍鎘鈦后基材的屈服強(qiáng)度，其中氰化電鍍鎘鈦上升4.7%，無氰電鍍鎘鈦上升4.2%。因此可以認(rèn)為：無氰電鍍鎘鈦和氰化電鍍鎘鈦工藝對(duì)基體拉伸性能影響不大，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值波動(dòng)均在5%以內(nèi)。

表8 50CrVA試樣無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的拉伸性能Tab.8 Tensile properties of 50CrVA samples after cyanide free cadmium titanium plating and cyanide plated cadmium titanium plating

2.3 300M鋼和4340鋼經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的氫脆性能

2.3.1 300M鋼

對(duì)3根空白試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9所示，抗拉強(qiáng)度均值為2605.12 MPa。

表9 300M鋼空白試樣抗拉強(qiáng)度Tab.9 Tensile strength of blank sample of 300M steel

將經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦的300M鋼試樣在一定載荷下進(jìn)行持久拉伸，12組試樣在200 h內(nèi)均未發(fā)生斷裂，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10，符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM F519-2017a氫脆性能要求，試樣氫脆性能合格。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明重復(fù)電鍍對(duì)300M鋼的氫脆性能影響不大，在可接受范圍內(nèi)。

表10 300M鋼鍍鎘鈦后試樣的氫脆試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.10 Hydrogen embrittlement test data of 300M steel samples plated cadmium titanium

2.3.2 4340鋼

對(duì)3根空白試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表11所示，抗拉強(qiáng)度均值為2353 MPa。

表11 4340鋼空白試樣抗拉強(qiáng)度Tab.11 Tensile strength of blank sample of 4340 steel

將經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦的4340鋼試樣在一定載荷下進(jìn)行持久拉伸，12組試樣在200 h內(nèi)均未發(fā)生斷裂，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表12，符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM F519-2017a氫脆性能要求，試樣氫脆性能合格。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明重復(fù)電鍍對(duì)4340鋼的氫脆性能影響不大，在可接受范圍內(nèi)。

表12 4340鋼鍍鎘鈦后的氫脆試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.12 Hydrogen embrittlement test data of 4340 steel

3 結(jié) 論

（1）以50CrVA為基材，鎘鈦鍍層未對(duì)基體疲勞性能產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，裸材、無氰鍍鎘鈦、氰化鍍鎘鈦的疲勞極限分別為：402 MPa、398 MPa、422 MPa，無氰鍍鎘鈦疲勞極限相比裸材降低了1.5%，氰化鍍鎘鈦疲勞極限相比裸材提高了5.0%。；以300M鋼為基材，鎘鈦鍍層未對(duì)基體疲勞性能產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，裸材、無氰鍍鎘鈦及氰化鍍鎘鈦的疲勞極限分別為：905 MPa、932 MPa、841 MPa，無氰鍍鎘鈦疲勞極限相比于裸材增加了3%；氰化鍍鎘鈦疲勞極限相比于裸材降低了7%。相對(duì)于裸材的疲勞極限，經(jīng)過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后試樣的疲勞極限變化幅度很小，對(duì)材料的使用不會(huì)造成太大的影響。

（2）300M鋼氫脆試棒經(jīng)過氰化和無氰鍍鎘鈦后進(jìn)行200 h延遲拉伸未斷裂；按照ASTM F519的規(guī)定，4340鋼1a.2氫脆試棒經(jīng)過氰化和無氰鍍鎘鈦后進(jìn)行200 h延遲拉伸未斷裂。無氰電鍍鎘鈦和氰化電鍍鎘鈦工藝對(duì)不同鋼材的氫脆性能的影響不大；

（3）綜合不同基材影響，無氰電鍍鎘鈦對(duì)基體拉伸性能影響較小，相比于裸材，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值波動(dòng)均在5%以內(nèi)。