無氰鍍鎘鈦工藝研究及應用

郝江華，劉 煜

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

在飛機設計與制造中為了保證飛機性能、結構強度及飛行安全，對承力較大零部件及部分結構件，如飛機起落架、內襟翼滑軌等關鍵件及重要件選用超高強度鋼材料。然而，超高強度鋼零件的防護一直是一項難題，不但要求有高耐蝕性外，必須考慮工藝的氫脆敏感性。通過幾十年的實踐應用，證明電鍍鎘鈦是超高強度鋼較為有效的防護方法。在電鍍鎘鈦合金過程中，伴隨著鎘元素的沉積，鈦在還原成鈦原子時要消耗大量的氫原子，能阻擋氫滲入基體金屬中，因此只有很少的氫能進入金屬基體，鎘鈦鍍層具有一定的孔隙，并易于排氫，同時鈦對氫原子轉變為氫分子還具有促進作用，因而使得能進入基體的氫原子進一步減少[1]，使得該鍍層低氫脆性，可用作高強度結構鋼的良好防護層。目前我國經常采用的是氰化鍍鎘鈦工藝，雖然有較好的防護性能和低氫脆性，但氰化鍍鎘鈦溶液的穩定性較差，對環境和人體造成極大危害；按照國家對高耗能、高污染工藝的淘汰要求，氰化鍍鎘鈦工藝已經名列其中，無氰鍍鎘鈦是國內超高強度鋼最先進的表面防護工藝之一，具有鍍液不含劇毒氰化物，鈦鹽穩定，不需循環過濾等優點，并且鍍層抗腐蝕性能優異，工藝低氫脆性能好[2，3]，因此采用無氰工藝代替氰化工藝勢在必行。

1 無氰鍍鎘鈦的工藝研究

1.1 無氰鍍鎘鈦的工藝流程

消除應力→有機溶劑清洗→裝掛與保護→吹砂→冷水洗→活化→冷水洗→無氰鍍鎘鈦→冷水洗→干燥→除氫烘烤→活化→冷水洗→鉻酸鹽鈍化→冷水洗→干燥→交檢。

1.2 無氰鍍鎘鈦槽液控制范圍及工藝參數

無氰電鍍鎘鈦槽液主要是在氯化銨-氨羧絡合物鍍鎘液中加入鈦鹽，使獲得的鎘鈦膜層與氰化電鍍鎘鈦所獲得地膜層具有相似性能。無氰電鍍鎘鈦槽液中不含劇毒氰化物，槽液內不加任何光亮劑，槽液穩定，不需循環過濾，操作簡便，鎘鈦膜層較光亮細致，無氰鍍鎘鈦槽液成分、含量及工藝參數見表1。

表1 無氰電鍍鎘鈦槽液成分、含量及工藝參數

表2 無氰鍍鎘鈦鉻酸鹽鈍化槽液成分、含量及工藝參數

2 無氰鍍鎘鈦的鍍層性能研究

2.1 試驗材料

（1）彎曲試樣尺寸：100mm×25mm×1mm材料：30CrMnSiNi2A。

（2）耐蝕性鹽霧試樣尺寸：150mm×100mm×1mm材料：30CrMnSiNi2A。

（3）鍍層鈦含量試樣尺寸：50mm×50mm×1mm材料：銅箔。

（4）氫脆性試樣材料：符合ASTM F519的1a.2型缺口拉伸試樣。

2.2 實驗設備

（1）電源：KDF-200/12型可控硅電源。

（2）陽極：純鎘板（Cd-1）。

（3）恒溫裝置：HH.S11-4-II型電熱恒溫水浴鍋，溫度差可控制在±0.5℃范圍內。

（4）PH值：PhS-3C型精密PH計調節鍍液的PH值。

（5）合金鍍層中鈦含量采用退除鍍層方法測定。采用上海精密科學儀器有限公司生產的721分光光度計。

（6）采用sony w50型數碼照相機進行Cd-Ti合金宏觀形態記錄。

（7）厚度測試使用無損測量的方法，使用的磁性測厚儀型號為：TT220。

（8）氫脆性能評定采用C-3型勞倫司測氫儀及RC-1150高溫蠕變及持久強度試驗機。

（9）耐蝕性能評定采用Q-FOG/SSP600腐蝕試驗箱。

2.3 無氰鎘鈦鍍層的性能

2.3.1 無氰鎘鈦鍍層結合力

采用2塊尺寸為100mm×25mm×1mm，熱處理強度 為1570MPa～1770MPa的30CrMnSiNi2A板狀試樣，按照1.1節流程，在表1溶液中進行電鍍鎘鈦，鍍層厚度為8μm～12μm，電鍍后在190℃±10℃的溫度下，保溫12小時±0.5小時，然后再表2的溶液中進行后處理。采用彎曲法將試樣用鉗子夾緊，反復彎曲180°（向兩面各彎90°）直至斷裂；或沿一直徑等于板材厚度的軸反復彎曲180°，直至基體金屬折斷，此時2塊試樣上的鍍層與基體金屬均未分離，用5倍放大鏡檢查時，鍍層未發生起皮或脫落現象，符合鍍層結合力檢測要求。

2.3.2 無氰鎘鈦鍍層耐蝕性

采用2塊尺寸為100mm×150mm×1mm，熱處理強度 為1570MPa～1770MPa的30CrMnSiNi2A板狀試樣，按照1.1節流程，在表1溶液中進行電鍍鎘鈦，鍍層厚度為8μm～12μm，電鍍后在190℃±10℃的溫度下，保溫12小時±0.5小時，然后在表2的溶液中進行后處理。鹽霧試驗之前應室溫老化至少24小時。按ASTM B117鹽霧設備操作規范對2塊試樣進行鹽霧試驗，結果表明，除距試樣表面邊緣3mm外，試樣在鹽霧中連續暴露96小時之后，試樣表面未出現白色腐蝕產物；繼續試驗360小時之后，2塊試樣表面未出現基體金屬的任何腐蝕產物（紅銹），符合鍍層耐蝕性檢測要求。

2.3.3 無氰鎘鈦鍍層鈦含量

無氰鎘鈦鍍層鈦含量測試方法：

采用2塊尺寸為50mm×50mm×1mm的T2銅箔試樣，先使用丙酮對試樣進行手工有機溶劑除油，然后按照水洗→活化→冷水洗→無氰鍍鎘鈦→冷水洗→干燥流程，在表1溶液中進行電鍍鎘鈦，電鍍時間30分鐘，使用TT220鍍層測厚儀檢測，2塊試樣上的鍍層厚度均超過12μm。按照結合波音BAC5804低氫脆電鍍鎘-鈦合金[4]鍍層鈦含量測試要求，進行鍍層鈦含量測定，經測定2塊試樣的鍍層鈦含量分別為0.28%、0.34%，符合BAC5804中規定的鍍層鈦含量0.1%～0.7%。

2.3.4 氫脆性

按照BACA5804低氫脆電鍍鎘-鈦合金12.5.1節的要求進行氫脆性試驗，采用符合ASTM F519的1a.2型缺口拉伸試樣，將試樣對稱的固定在掛架上，除接觸點外，其余部分掛架進行保護，用靈敏度為0.2A的電流表檢測電流，在表1溶液中進行電鍍鎘鈦，鍍層厚度為8μm～12μm，并放置1小時～3小時，在191℃±10℃的溫度下，保溫12小時±0.5小時，然后再表2的溶液中進行后處理；按ASTM F519進行加載試驗，2個試樣連續加載缺口極限強度規定的75%±2%的載荷精力抗拉試驗，且持續加載200小時后均未出現斷裂或裂紋現象；加載完成后，取出1個試樣沿長度方向截取，在80倍～100倍的放大條件下觀察缺口，發現缺口鍍層覆蓋完整，符合BACA5804氫脆性要求。

3 結論

（1）本文通過對無氰鍍鎘鈦工藝流程、槽液成分、工藝參數進行研究，確定無氰鍍鎘鈦工藝流程為：無氰鍍鎘鈦的工藝流程：消除應力→有機溶劑清洗→裝掛與保護→吹砂→冷水洗→活化→冷水洗→無氰鍍鎘鈦→冷水洗→干燥→除氫烘烤→活化→冷水洗→鉻酸鹽鈍化→冷水洗→干燥→交檢，無氰鍍鎘鈦工藝的槽液成分及工藝參數為表1所示。

（2）本文通過對無氰鍍鎘鈦工藝試驗鍍層結合力、耐蝕性、鈦含量、氫脆性的測試，完全符合超高強度鋼防護后的性能要求，達到氰化鍍鎘鈦的鍍層性能要求，完全可以代替氰化鍍鎘鈦工藝，實現超高強度鋼防護工藝的環保型。