淺析一種降低電鍍鎘鈦槽液氫含量的方法

郭囡囡，周雁文，王 偉，楊 濤，牛麗娜，周 楊

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

高強度鋼在30CrMnSiA 鋼的基礎上提高了元素錳和鉻的含量，同時添加了1.40%～1.80%（質量分數）的鎳元素，從而很大程度上提高了鋼的淬透性，同時改善了鋼的韌性和回火穩定性。經熱處理后可獲得高的強度、塑性和韌性。同時獲得良好的抗疲勞性能和斷裂韌度。因此，高強度鋼30CrMnSiNi2A 在航空領域作為飛機起落架零件及重要受力構件得到普遍使用。但是，對于高強度鋼而言，氫脆斷裂是其希望避免的斷裂方式[1]。為了提高高強度鋼的耐蝕性同時又降低其氫脆斷裂風險，在航空領域高強度鋼常用的表面防護技術為電鍍鎘鈦合金工藝。

電鍍鎘鈦合金鍍層具有與鎘鍍層相似的銀白色至米黃色。熔點為320℃，故用在工作溫度低于200℃的超高強度鋼構件上。電鍍鎘鈦工藝目前在航空領域有無氰和氰化兩種溶液，本文將主要以氰化電鍍鎘鈦的使用為主。

氰化鎘鈦合金最主要的特點即為其低氫脆性。而當低氫脆性由于外在因素遭到破壞時，槽液即面臨失效的風險，嚴重時產品零件將面臨停產、報廢風險；同時槽液失效帶來的后期破氰、降低重金屬含量等環保處理需要較大的成本。本文以實際生產為例，提供一種氰化電鍍鎘鈦工藝當氫含量超標時降低氫含量的方法，以期實現槽液的合格再生產，為航空生產節約成本及環保控制提供參考依據。

1 氫脆性影響因素

電鍍鎘鈦合金中鈦含量控制在0.1%～0.7%，其槽液成分以氰化鈉、氫氧化鈉、氧化鎘和鈦為主，為了保證溶液低氫脆性，溶液中不添加任何光亮劑和添加劑。電鍍鎘鈦的低氫脆性一方面與槽液中無添加劑有關，更主要的是鈦在合金中對氫的吸收性。研究表明鎘鈦合金鍍層形成過程中，鈦的加入一方面有利于減少基體吸氫量，同時電鍍過程中大的電流密度形成的多孔鍍層又有益于除氫過程中氫的排除。金屬元素對氫的吸附能力是不同的，試驗證明，金屬吸氫能力依次是Pb ＞Ti ＞Cr ＞Mn ＞Fe ＞Co ＞Ni ＞Zn ＞Sn ＞Cu。在電鍍鎘鈦鍍層中，鈦在還原成鈦原子時要消耗大量的氫原子，同時鈦又促進了氫原子轉變為氫分子，從而保證了很少的氫能進入金屬基體。正是由于鈦對氫有強烈的吸附作用，從而阻擋了氫滲入基體金屬，從而很大程度上降低了超高強度鋼在使用過程中的氫脆斷裂[2]。氰化電鍍鎘鈦溶液的電流效率和電流密度成反比，即隨著電流密度的增大，電流效率降低。而電流效率越低，陰極吸氫越嚴重。由于在電鍍鎘鈦過程中，先使用較大電流密度進行沖擊電鍍以快速在鋼基體表面形成阻擋層，該阻擋層能阻止氫進入基體，同時形成多孔疏松鍍層易于除氫過程中氫的析出。

2 氫脆性表征

氰化電鍍鎘鈦槽液的氫脆性表征方法一般為兩種：ASTM F519 缺口拉伸試棒與勞倫斯測氫儀試驗。勞倫斯測氫儀試驗由于試驗時間短、結果表征明顯的優點，是生產廠中常用的表征工具。缺口拉伸試棒試驗時間一般需持續七日，試驗時間較長，其一般用于工藝初次鑒定使用，生產中槽液正常維護后以勞倫斯測氫儀試驗進行表征。但是，當槽液出現不穩定情況時，缺口拉伸試棒是槽液氫脆性合格與否的最終判定方法。

勞倫斯測氫儀試驗以HB5067.2[3]試驗原理為主，通過兩個探頭在待測溶液電鍍后，在測氫儀設備中烘烤以獲得氫峰值Hp 及λ 值（氫壓電流與時間曲線衰減至1/2Hp 的λ 值）。隨后以標定溶液測試所得的探頭標定值為基準，按一定計算公式計算出λpc 值（測試溶液的氫脆性指示值）。最終獲得的λpc 值與工藝文件給出的基準λpc 值進行對比，在滿足工藝文件要求值的情況下，即表示溶液低氫脆性合格，可以用于正常生產。對于氰化鎘鈦溶液而言，λpc 值小于100 表示溶液合格可以用于生產；λpc 值處于100至139 之間，需停止零件電鍍生產，電鍍工藝處于不合格狀態，需對氫含量超標分析并對槽液進行處理；λpc 值大于139 時，需停止零件生產，同時表明自最近合格的氫脆性試驗至試驗不合格期間的所有產品為不合格產品，電鍍工藝處于不合格狀態，需分析氫含量超標原因并對槽液進行處理。通過λpc 值直觀快速的判斷溶液的氫脆性合格與否，是連續性生產模式采用的試驗方法。

3 過程原因分析

3.1 氰化鎘鈦槽液工作原理

國內航空領域氰化鎘鈦槽液的工作原理以波音電鍍鎘鈦原理為主。其槽液主要成分為氰化鈉、氫氧化鈉、氧化鎘，另需配備過濾系統通過添加雙氧水將糊狀的鈦在槽液中溶解。電鍍時先進行4A/dm2～11A/dm2電流密度、1 分鐘內的沖擊電鍍，形成多孔疏松鍍層，隨后在2A/dm2～4A/dm2電流密度下進行正常電鍍至要求的鍍層厚度時間。形成的鍍層多孔疏松，在重鉻酸鈉溶液中鈍化處理后鍍層為暗淡無光澤的外觀。

當λpc 值超標即表明槽液不合格時，一般即表明槽液受到了有機物的污染，在進行試片電鍍及赫爾槽試驗時即發現鍍層有明顯的局部光亮區，同時鍍層結晶細致。常用的槽液處理方法為活性炭處理、大量添加過氧化氫、泵出部分溶液并調整溶液。以上三種方法在實際執行時文件都沒有詳細的操作步驟，但是各種方法在實際操作中又是各有利弊。

首先對于活性炭處理方法而言，市場上供應的無硫基活性炭為顆粒狀，通過將槽液在燒杯中進行試驗發現，活性炭具有較強的吸附作用，但是達到吸附的最大程度后吸附作用將很小。同時吸附過槽液的活性炭內含有較多氰化物，后期破氰處理仍需進行。

大量添加過氧化氫的方法去除有機物的原理目前不太明確，初步的理解是通過過氧化氫與有機物發生氧化反應，改變有機物性質以去除有機物。然而在大量添加過氧化氫的過程中，氰化槽液中會同時發生以下反應：

此反應會消耗大量氰化鈉與過氧化氫，同時產生刺激性氣味的氨氣。產生的碳酸氫鈉會隨后轉變為碳酸鈉，過量的碳酸鈉（≥60g/L）會影響槽液的導電性及陰極極化，影響鍍層質量，另需冷凍過濾碳酸鈉。因此大量添加過氧化氫的試驗對于具有明顯有機污染物且體積較大的槽液是不適用的。

至于泵出部分溶液并調整溶液的方法，則存在泵出溶液的后續處理問題及降低有機污染物的問題，具有不太明確的可操作性。因此，以上三種方法對于存在有機污染物的氰化鎘鈦槽液而言，不具有易操作、污染小、費用低的優勢，甚至于在處理原理方面都不是很明晰。

基于以上三種方法的不可實施性，本文通過實踐摸索出一種操作方便、經濟效益明顯、環境污染低的去除氰化鎘鈦槽液有機污染物的方法，以解決現場實際的生產問題。

3.2 降低氫含量流程

本文使用的降低有機污染的方法主要基于三個步驟，使用的材料為與氰化鎘鈦槽液過濾系統匹配的活性炭過濾布。

步驟一：將活性炭過濾布裝入過濾系統，通過系統自動運行，吸附有機污染物。由于活性炭吸附作用存在一個飽和值，因此需根據實際情況更換新的過濾布。活性炭過濾布中含有大量微小的活性炭粒子，具有極強的吸附作用，同時與過濾系統匹配使用，能通過系統自身的不斷循環吸附有機物。該方法不需要泵出槽液，大大減少了人力，尤其對于深槽能夠避免使用人力清理槽底。但是活性炭吸附有機物的同時會吸附槽液中的鈦及槽液中其他成分。

步驟二：通過前期測氫儀測氫試驗的氫峰值及λpc 值可以初步判斷出有機污染的含量及污染程度，隨后根據有機物污染情況，通過合適的過濾布更換次數評估出污染物去除情況。然后對過濾后的槽液進行測氫。該測氫方法推薦兩種：氰化鎘鈦測氫試驗與松孔鍍鎘測氫試驗。由于氰化鎘鈦與氰化松孔鍍鎘所使用的槽液成分比較接近，皆沒有任何添加物，同時生產時皆可以通過測氫儀試驗控制低氫脆性。因此對于取出的過濾液，可以通過調整成分及添加鈦進行氰化鎘鈦測氫試驗，也可在成分不做較大調整時進行松孔鍍鎘測氫試驗，只是兩種測氫試驗的電鍍參數及參考氫峰值及λpc 值會有所差別。但是最終評估過濾液合格的標準即為測氫合格，即滿足某一種測氫試驗合格即可。

步驟三：當通過步驟二評估出槽液測氫合格時，基本可以判定有機污染物除去干凈。此時可以根據情況繼續進行短暫的過濾，隨后更換活性炭過濾布為槽液正常工作時的過濾布，同時調整槽液成分達到文件要求。槽液調整合格后進行測氫試驗，試驗合格即表明槽液有機污染物基本去除干凈。此時可以進行假件電鍍，使槽液逐漸恢復正常生產狀態。

以上步驟缺一不可，對于去除氰化鎘鈦槽液中的有機污染物、降低氫含量至關重要。該方法減少了了人力操作、節約了成本，同時大大降低了環境污染，槽液合格后需對活性炭過濾布進行清洗及破氰處理以達到環保要求。

4 總結

本文針對目前航空領域現存的氰化電鍍鎘鈦工藝出現的槽液氫含量高問題，給出了一種合適的降低氫含量、去除有機污染物的方法。該方法基于鎘鈦工藝自身過濾系統，通過活性炭吸附的物理方法消除有機污染物，從而恢復槽液正常使用。該方法操作簡單、成本低、經濟效益高、環境污染小，是適用于國內多家航空制造廠氰化電鍍鎘鈦工藝維護的方法。