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.中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089； 2.中國航發北京航空材料研究院航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

電鍍鎘鈦憑借高耐蝕性、低氫脆性等優點，在鋼鐵零件表面得到了廣泛的應用［1-3］。鎘鈦鍍層對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，防護性能優于鎘、鋅鍍層［4-6］。國外先進飛機超高強度鋼（如F/A18、F-22、B767、JSF35等）均采用了鎘-鈦鍍層進行防護［7-9］。目前，電鍍鎘鈦已經被成熟應用在40CrNi2Si2MoVA鋼、16Co14Ni10Cr2Mo鋼、30CrMnSiNi2A鋼等超高強度鋼的防護上，并達到了美軍標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，不僅對人體和環境有的危害，也在儲存、運輸和后處理等方面帶來了麻煩［13-15］。航空工業一直在推進綠色環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［16-18］。

本研究針對西飛公司對高強度鋼無氰環保技術的需求，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，為替代現行氰化電鍍鎘鈦工藝提供數據支撐。

1 試 驗

1.1 試樣準備

進行室溫旋轉彎曲疲勞試驗和拉伸性能試驗的試樣材料為300M鋼和50CrVA鋼，進行氫脆試驗的試樣材料為300M鋼和4340 F519試棒。

1.2 試驗項目

1.2.1 疲勞試驗

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

1.2.2 氫脆試驗

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

1.2.3 拉伸試驗

按HB 5143《金屬室溫拉伸試驗方法》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 結果與討論

2.1 50CrVA鋼和300M鋼經過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的疲勞性能

為了評價無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦對50CrVA鋼和300M鋼的影響，采用旋轉彎曲疲勞測定不同電鍍次數下的疲勞壽命，采用三參數非線性模型進行S-N曲線擬合。S為材料標準試件疲勞強度，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驗結果分別見表1、2和表3，采用三參數模型進行S-N曲線擬合，擬合結果如圖1所示。

圖1 50CrVa試樣旋轉彎曲疲勞試驗擬合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

對比表1、2和表3的數據，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%。相對于裸材的疲勞極限，經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，對材料的使用不會造成太大的影響。

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驗結果分別見表4、5和表6，采用三參數模型進行S-N曲線擬合，擬合結果如圖2所示。

圖2 300M試樣旋轉彎曲疲勞試驗擬合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

對比表4、5和表6的數據，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%。相對于裸材的疲勞極限，經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，對材料的使用不會造成太大的影響。

從圖2結果來看，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基材的疲勞性能沒有不利影響。

2.2 300M鋼和50CrVA經過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的拉伸性能

2.2.1 300M鋼

對300M鋼空白試驗、無氰電鍍鎘鈦后和氰化電鍍鎘鈦后的300M試棒進行拉伸實驗，研究電鍍鎘鈦工藝對300M拉伸性能的影響，實驗結果見表7。對比鍍鎘鈦后基材的抗拉強度，其中氰化電鍍鎘鈦下降0.5%，無氰電鍍鎘鈦下降1.8%；對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%；對比鍍鎘鈦后基材的屈服強度，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基體拉伸性能影響不大，各項指標數值波動均在5%以內。

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50CrVA空白試驗、無氰電鍍鎘鈦后和氰化電鍍鎘鈦后的50CrVA試棒進行拉伸實驗，研究電鍍鎘鈦工藝對50CrVA拉伸性能的影響，實驗結果見表8。對比鍍鎘鈦后基材的抗拉強度，其中氰化電鍍鎘鈦上升1.4%，無氰電鍍鎘鈦上升1.1%；對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%；對比鍍鎘鈦后基材的屈服強度，其中氰化電鍍鎘鈦上升4.7%，無氰電鍍鎘鈦上升4.2%。因此可以認為：無氰電鍍鎘鈦和氰化電鍍鎘鈦工藝對基體拉伸性能影響不大，各項指標數值波動均在5%以內。

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鋼經過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦后的氫脆性能

2.3.1 300M鋼

對3根空白試樣進行抗拉強度測定，試驗數據見表9所示，抗拉強度均值為2605.12 MPa。

表9 300M鋼空白試樣抗拉強度Tab.9 Tensile strength of blank sample of 300M steel

將經過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦的300M鋼試樣在一定載荷下進行持久拉伸，12組試樣在200 h內均未發生斷裂，試驗數據見表10，符合標準ASTM F519-2017a氫脆性能要求，試樣氫脆性能合格。實驗結果說明重復電鍍對300M鋼的氫脆性能影響不大，在可接受范圍內。

表10 300M鋼鍍鎘鈦后試樣的氫脆試驗數據Tab.10 Hydrogen embrittlement test data of 300M steel samples plated cadmium titanium

2.3.2 4340鋼

對3根空白試樣進行抗拉強度測定，試驗數據見表11所示，抗拉強度均值為2353 MPa。

表11 4340鋼空白試樣抗拉強度Tab.11 Tensile strength of blank sample of 4340 steel

將經過無氰鍍鎘鈦和氰化鍍鎘鈦的4340鋼試樣在一定載荷下進行持久拉伸，12組試樣在200 h內均未發生斷裂，試驗數據見表12，符合標準ASTM F519-2017a氫脆性能要求，試樣氫脆性能合格。實驗結果說明重復電鍍對4340鋼的氫脆性能影響不大，在可接受范圍內。

表12 4340鋼鍍鎘鈦后的氫脆試驗數據Tab.12 Hydrogen embrittlement test data of 4340 steel

3 結 論

（1）以50CrVA為基材，鎘鈦鍍層未對基體疲勞性能產生顯著負面影響，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，鎘鈦鍍層未對基體疲勞性能產生顯著負面影響，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%。相對于裸材的疲勞極限，經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，對材料的使用不會造成太大的影響。

（2）300M鋼氫脆試棒經過氰化和無氰鍍鎘鈦后進行200 h延遲拉伸未斷裂；按照ASTM F519的規定，4340鋼1a.2氫脆試棒經過氰化和無氰鍍鎘鈦后進行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，無氰電鍍鎘鈦對基體拉伸性能影響較小，相比于裸材，各項指標數值波動均在5%以內。