鍍鎘工藝中電子測量氫脆試驗的影響因素分析

吳 靜，韓金軍，肖 文

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200)

高強度鋼電鍍鎘工藝被廣泛應用于飛機起落架上，高強度鋼的應用減輕了起落架的重量，但強度增高帶來材料韌性下降，尤其是對氫脆的敏感性，能使材料在低于其屈服強度的應力條件下發生早期脆性斷裂，因此高強度鋼的使用必須重視氫脆問題。使用勞倫斯測氫儀對電鍍鎘槽液定期進行氫脆性監測，是降低零件脆性斷裂的一種重要手段，與缺口拉伸試棒和應力環試樣相比，這一方法可簡單、快速地對電鍍槽液的氫脆性進行評估，短時間內得到氫脆試驗結果，降低氫脆發生的幾率，使得受影響的零件數量降低，因此廣泛應用于高強度鋼鍍鎘的質量控制過程中。

勞倫斯測氫儀是一種測量電鍍時氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器。通過測量電鍍槽液的氫脆性(用λPC值表示)，將λPC值控制在一定范圍，從而來避免產品零件由于氫脆造成的破壞。通過對勞倫斯測氫儀檢測電鍍鎘槽液過程中的各個環節進行分析，找出了影響電鍍鎘槽液氫脆性的主要因素為試驗用探頭、試驗溶液溫度、電鍍槽液中的雜質、電鍍效率、溶液攪拌、電流密度。針對這些影響因素，提出了提高試驗精度的方法。

1 勞倫斯測氫儀的測試原理

勞倫斯測氫儀利用一種鐵殼電子管作為探頭進行電鍍，電鍍過程中產生的一部分氫原子透過鍍層和管壁滲入電子管內，使管內真空度降低(電鍍產生的氫脆正是這部分深入基體金屬內部的原子氫引起的)。

勞倫斯測氫儀測試過程[1]如圖1所示：電鍍時，氫原子通過鍍層和管壁滲入管內，氫原子在管內被離子化，此時曲線上升(第Ⅰ階段)，電鍍結束后，清洗管壁，曲線稍有下降，即管內氫稍向外擴散(第Ⅱ階段)。最后將電子管置于烘箱中烘烤，鍍層和管壁吸收的氫向管內擴散，曲線逐漸上升。當擴散達到平衡時，曲線達到最高點(最大氫壓值HP)，然后管內氫通過管壁和鍍層向外擴散，曲線開始下降(第Ⅲ階段)。鍍層越疏松，氫越容易滲透，則曲線下降越快。規定曲線從最高點HP降到1/2HP所需時間為λ值(以s為單位)，λ值越小，表示鍍層的氫脆危險越小。

圖1 勞倫斯測氫儀測試過程示意圖

2 試驗流程

探頭烘烤→探頭檢查→探頭制備(屏蔽)→干燥磨料吹砂→校正/電鍍→洗滌和干燥→探頭插入烘箱里→在記錄儀上的數據顯示→記錄(圖表紙、記錄本、探頭烘烤記錄表)→數據應用。

3 影響因素分析

3.1 試驗用探頭的影響

該試驗使用的探頭為勞倫斯公司生產的HDP-3A型探頭，在使用前應檢查探頭的SRP值(SRP值是作為背景或探頭中殘余氣壓而檢查的)，它是探頭靈敏度的象征，并且它隨著探頭的使用而損耗將逐漸升高，增加清洗時間有助于降低SRP值。探頭的SRP值小于0.5才能用于試驗[2]。

探頭在校準及電鍍前應檢查探頭窗口尺寸，正規窗口尺寸應滿足(16.0±0.8) mm[3](見圖2)，探頭窗口界限外的部分必須涂敷。如果有除窗口部位外的裸露金屬，會導致電鍍面積增大，在同樣的電鍍電流下，相當于降低了電流密度，從而使電鍍溶液的λP值降低。

a)涂敷準備

探頭在校準及電鍍前窗口部位應使用磨料進行噴射處理，其他不需要噴射處理的部位使用屏蔽物(如3M膠帶)進行保護。對于低氫脆鍍鎘來說，在電鍍前，光滑的窗口表面(用較細的砂粒噴砂)比粗糙的表面孔隙更少，表面越粗糙，滲入探頭內的氫會越多，HPP值(電鍍時最大氫壓值HP)將會越高，λP(電鍍時的λ值)也會偏高，這是由于較高的表面點將被鍍上更高的電流密度，凹槽的電流將更少，從而形成更多孔的金屬沉積物，因此清潔探頭時應盡量選擇粒度合適的磨料。另外，濕磨料或壓縮空氣含水，也將增加氫的輸入，所以所用的磨料和壓縮空氣應干凈、干燥，不含油、水和污物。

清潔完成后注意觀察窗口部位，應無污物或指痕，表面質量應均勻一致，在清潔前后正規探頭的質量損失應滿足(40±10) mg。HDP-3A型探頭表面每進行一次噴射處理，窗口上的鋼板就會變薄一些，這就使探頭的測試值HP值增大，λ值減小，為了保證試驗結果能達到更高精度，每兩次電鍍操作后應對探頭進行一次校準。

3.2 試驗溶液溫度的影響

溫度更高的溶液將會增加氫向零件的輸入。例如在5% NaOH和5% NaCN溶液中，當溫度增加20 ℃時，氫的吸附將會是原來的2倍(見圖3)，這一溶液類似于電鍍鎘溶液。圖3中的吸氫率為觀察到的HP值與0 ℃時HP值的比值。對于電鍍鎘鈦溶液，如果溫度從74 ℉(23.3 ℃)增加到82 ℉(27.8 ℃)，λP值將增加10 s。為確保得到更精確的試驗數據，盡量在校準和電鍍時或2次校準之間使用相同或盡可能相近的溶液溫度。

圖3 氫的吸附與溫度的關系

3.3 電鍍槽液中雜質的影響

3.3.1 有機物污染

一些分子，如小濃度的有機分子(如油、抑制劑、清洗劑、潤滑劑等)，將會使電鍍金屬變得光亮，使其不具有多孔性。有機物傾向于作為光亮劑，使鎘層沉積在更均勻、多孔性更少的鎘板上，這往往會導致探頭λP值的增加[4]。在氰化鍍鎘溶液中，有機物污染經常會引起氫脆，通過碳處理電鍍槽液，將有機物吸附到碳表面來可去除電鍍槽中的有機化合物。

3.3.2 金屬離子(氰化鍍鎘溶液)

在電鍍槽液中若含有鐵或銅離子，在用勞倫斯測氫儀測試時，HPP值往往會增加，可在試驗前對電鍍槽液進行成分分析來驗證金屬污染物。電鍍槽液中的金屬離子很難去除，可以使用模擬槽來進行。

模擬槽：將大陰極放置在槽中，并在低電流密度(1.7 A/ft2)下放置數小時，以除去金屬離子(如銅、鉛、鉻、鎳)。具有脊骨形狀的大陰極將導致電鍍電流密度因陰極形狀而變化。

去除鐵的模擬槽：高濃度鐵會導致鎘板變色，在80 A/ft2的條件下電鍍5 h，可以不同程度地從溶液中清除鐵。可選取1 L電鍍槽液進行測試，然后對這一試驗溶液進行分析，以驗證這一方法的可行性。另一種方法是將鍍液加熱到90 ℉(32.2 ℃)，并在碳處理時攪拌。

碳酸鹽濃度應控制在規定的范圍內。在低氫脆鍍鎘溶液中，高濃度的碳酸鹽會在電鍍溶液中聚集并引起HPP和λP值升高，也會導致電鍍鎘層耐鹽霧腐蝕性能變差。低氫脆鍍鎘槽冷卻(5～10 ℃)或加入化學添加劑時，會沉淀出碳酸鹽。含氰的槽液會吸收來自于大氣中的CO2形成碳酸鹽。

在含有鈦的固體微粒懸浮溶液中，可以對溶液里鈦的含量進行分析。鈦粒子可能吸附沉積在陽極上，這會引起一個陽極的假的松孔作用，使λP值比干凈槽液的λP值要低。

鑒于以上雜質對試驗結果的影響，在使用勞倫斯測氫儀測試電鍍槽液的氫脆性時，為確保抽取的槽液能代表電鍍槽的特性，并能獲得更接近真實結果的試驗數據，應先攪動電鍍槽液，確保溶液均勻，然后在電鍍槽液表面以下抽取試樣，不能從電鍍槽表面取樣，并在取樣后對溶液的化學成分進行分析，確保溶液的成分符合標準要求再進行勞倫斯測氫試驗。

3.4 電鍍效率的影響

電鍍槽效率低意味著陰極(零件)將會吸收更多的氫，因此零件也會吸收更多的氫，這將會引起HP值的增加。電鍍過程中零件上起泡的氫是陰極處2H++2e-=H2的結果，稱為“浪費電流”，因為這些電子沒有沉積Cd2+。在電鍍過程中，由于H2的釋放，電鍍效率不可能達到100%。勞倫斯認為一個好的鍍層沉積達到96%即可，比如按DPS 9.28中規定，在60 A/ft2條件下[5]，用正規窗口的探頭對松鍍鎘溶液電鍍6 min沉積0.166 9 g的鍍層(鍍層沉積達96%，4%轉化為H2釋放)，電鍍效率就可以被認為達到了100%。記錄沉積在探頭上鍍層的質量是監測電鍍效率的一種簡單方法，電鍍前、后對探頭進行稱重，然后計算鍍層的質量。

通過保持適當的CdO和NaCN的濃度和比例，也可以提高電鍍效率，從實用角度和氫離子的滲入方面綜合考慮，CdO(30 g/L)和NaCN(100 g/L)的比例較好[6]。

3.5 溶液攪拌的影響

如果電鍍溶液受到污染，則在電鍍零件時攪拌溶液會使板的多孔性降低，攪拌會增加氫的吸收。對于清潔、高效的電鍍溶液則沒有多大影響。攪拌溶液對鍍鎘氫脆性能的影響如圖4所示。從圖4[7]中的試驗數據可以看出，如果溶液沒有污染的話，不同程度的攪拌影響很小。但是，在污染和攪拌一起發生的情況下，將引起λPC值(電鍍時經修正后的λ值)的增加。因此，探頭在電鍍期間，禁止攪拌溶液。

圖4 攪拌溶液對鍍鎘氫脆性能的影響

3.6 電流密度的影響

3.6.1 電流密度對污染的電鍍槽液氫脆性能的影響

在較高的電流密度下比在較低的電流密度下沉積的鎘鍍層更多孔[8]。電流密度對污染的鍍鎘溶液的氫脆性能的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，在探頭上的電流密度越低，則λPC越高。溶液污染程度的不同，在相同的電流密度下，λPC值也有很大的差距。相對于有污染的電鍍溶液來說，在干凈的電鍍溶液中電鍍時，電流密度對λPC值的影響更小。

圖5 電流密度對污染的鍍鎘溶液的氫脆性能的影響

3.6.2 電流密度對干凈的低氫脆鍍鎘槽液氫脆性能的影響

用勞倫斯測氫儀對干凈的低氫脆鍍鎘溶液進行測試，在不同的電流密度下的測試結果如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，對于低氫脆鍍鎘溶液，電流密度低于60 A/ft2時，HPPC(經修正后的HPP值)和λPC(經修正后的λP值)值隨著電流密度的增加而急劇下降，電流密度高于60 A/ft2時，曲線趨于平穩，因此在對低氫脆鍍鎘槽液氫脆性進行測試時，筆者選擇的電流密度為60 A/ft2，這也是電鍍零件表面預期的最低的電流密度。

圖6 低氫脆鍍鎘時電流密度對HPPC的影響

圖7 低氫脆鍍鎘時電流密度對λPC的影響

對于勞倫斯測氫儀來說，電流是由儀器所固定的，因此對電流密度的控制主要是保證探頭窗口的固有尺寸，保證儀器檢定時要求的安培計上的電流大小，并在試驗時保證沒有電流泄漏或旁路。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)在電鍍過程中，氫原子會滲入鋼基體內，這部分氫能導致高強度鋼在施加低應力的情況下產生脆性斷裂。為避免或減少氫脆的發生，可采用勞倫斯測氫儀對電鍍槽液進行定期監測。

2)電鍍探頭的處理、試驗溶液溫度、電鍍槽液中的雜質、電鍍效率、溶液的攪拌、電流密度不同程度地影響著HPP值(電鍍時最大氫壓值)和λP值(電鍍時從最高點HP降到1/2HP所需時間)，在進行試驗的過程中，應采取一些措施，嚴格控制這些參數，保證試驗精度，降低零件發生氫脆的幾率。