提高鈦合金零件鍍鉻結合力

楊 鵬， 趙金航， 王 娟

(中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司，湖南長沙 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，很難獲得結合力良好的鍍層。鈦合金耐腐蝕性能優異，中溫性能好，目前在各個領域特別是航空工業上得到應用。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用范圍，為此，通過電鍍鉻可以提高表面硬度及耐磨性。近年來鈦合金零件鍍鉻在工業上的應用，經對國內幾大航空制造業統計，鈦合金鍍鉻產品合格率不足50%。為了提高鍍鉻產品的合格率，對常見故障環節分析，通過實驗對比研究，找準導致結合力差的原因，進行了工藝方法改進。通過生產驗證，提高了鍍鉻層與鈦合金基體的結合力，使鈦合金鍍鉻產品合格率提高。

1 技術指標

鈦及鈦合金鍍鉻層技術質量要求為:

1)鍍層外觀。鉻層外觀為均勻一致乳白色，光滑，無鼓泡、無起皮;

2)厚度。硬鉻鉻層厚度達到工程鍍鉻厚度要求，δ為21～48μm;

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

a.依據Q/J11-3046-2002《鈦合金電鍍鉻工藝》要求進行磨削法;

b.依據轉包BAC5709《電鍍鉻》的要求進行鏨擊法;

c.依據HB5041的要求進行加熱法、彎曲法。

4)硬度。硬度按照ASTM E384檢測，鉻層硬度值不小于700HV。

2 方案設計

鈦合金鍍鉻工藝流程為:

噴砂→除油→水洗→氫化→水洗→鍍乳白鉻→水洗→干燥→檢驗→真空熱擴散→水吹砂→除油→水洗→鍍硬鉻→水洗→干燥→檢驗。

按照工藝流程進行分析。在生產過程中，鉻層出現鼓泡、起皮和脫落的現象主要出現在鍍乳白鉻和真空熱擴散后。因此鍍乳白鉻前的氫化、真空熱擴散工序及乳白鉻層的厚度是導致鉻層質量低的主要環節，也是實驗的主要方向。

3 實驗及結果分析

3.1 氫化處理對鍍鉻層質量的影響

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合力。確定氫化處理液對氫化處理質量影響最佳參數。

實驗方案。用4個1000mL的燒杯新配置氫化溶液，分別將2、3、4和5dm2的試件進行氫化處理，通過不同面積試件氫化處理后，對零件表面狀態進行對比，驗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

經氫化處理后試件外觀說明。

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，生成膜層有不連續現象。

將4種氫化處理后的試件立即進行乳白鉻電鍍，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、無鼓泡和起皮現象;

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黑，顏色差于4dm2處理試件，表面有大量細小鼓泡現象，氫化質量不合格。

通過以上對比實驗，說明在氫化處理中1L氫化溶液，最多可處理3dm2鈦合金零件，可得到結合力較好的鈦氫化合物膜層，有利于提高鍍硬鉻層的結合力。

3.2 吹砂工序對乳白鉻層厚度的影響

按照加工工藝流程，鍍乳白鉻層真空熱擴散后需要水吹砂，然后鍍硬鉻。吹砂采用機械方法，對乳白鉻層有影響。經分析吹砂工序有可能造成乳白鉻層的損失，使基體表面無乳白鉻底層，造成鍍硬鉻質量不合格。

將試件鍍乳白鉻后，對不同鉻層吹砂前后鉻層厚度損失進行檢查，結果如表1所示。

表1 試片吹砂前后鍍層厚度損失試驗

由表1對通過吹砂前后試片尺寸分析:

a.吹砂對乳白鉻層單面δ減小7～10μm;

b.要達到表面光滑，顏色一致，無鼓泡、起皮的鉻層，應控制乳白鉻鍍后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及以下試件進行金相分析。

使用ZEISS顯微放大鏡(德國)，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，經吹砂處理后，局部乳白鉻層脫落損失，造成鍍硬鉻層結合力不良。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 硬鉻層結合力試驗

根據上述三個重點工序的實驗分析，對零件經乳白鉻電鍍、真空熱擴散和鍍硬鉻后進行結合力試驗。

1)彎曲法。將試樣用鉗子夾緊，使彎曲直徑與試樣厚度相當，反復彎曲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 彎曲法測試前試件硬鉻層外觀

圖3 彎曲法測試后試件斷裂端面外觀

由圖2、圖3顯示，通過彎曲法對鉻層結合力檢查后，鍍層無起皮、剝離，結合力合格。按產品技術要求對硬鉻試件進行硬度檢查［3］，測試結果見表2。其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。

表2 彎曲法結合力測試結果

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、無鍍層起皮或脫落時，鍍層結合力合格［2］。試樣外觀見圖4和圖5。

圖4 磨削法測試前試件硬鉻層外觀

圖5 磨削法測試示意圖

通過磨削法對結合力試件檢查后，鍍層無起皮、剝離現象，結合力合格，對鉻層硬度檢查［3］，其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。測試結果見表3。

表3 磨削法結合力測試結果

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

圖6 鏨擊法測試試件硬鉻層外觀

表4 鏨擊法結合力測試結果

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。測試結果見圖7。

圖7 加熱法測試試件檢測示意圖

通過加熱法對結合力試件檢查，鉻層無起皮、剝離現象，結合力合格，對鉻層硬度檢查［3］，其值均大于700HV，硬鉻層硬度合格。

通過以上四種不同的結合力試驗驗證，鍍層結合力均合格。

4 結論

經過多項工藝試驗探索，分析了預處理氫化溶液參數對乳白鉻層的質量影響，在乳白鉻層上防止了吹砂對鉻層厚度的損失，通過真空熱擴散使乳白鉻層與鈦合金機體表面進行了組織擴散，更好的保證了乳白鉻層的結合力，為后續的硬鉻沉積打好了底層。經過各項結合力試驗驗證均滿足鉻層技術要求，為鈦合金零件的鉻層結合力的提高具有重要的指導意義。

［1］ 孫志華.Q/J11-3046-2002，鈦合金電鍍鉻工藝［S］.

［2］ 卜建亮.HB 5041-1992鉻層質量檢測［S］.

［3］ ASTM E384，材料的努氏硬度和維氏硬度的標準測試方法［S］.

［5］ BAC5709 T，電鍍硬鉻［S］.