宇 波， 湯智慧， 彭 超， 劉 江， 陸 峰， 張曉云， 高 健

(北京航空材料研究院，北京100095)

無氰電鍍鎘-鈦合金對鋼基體氫脆性能的影響

宇 波， 湯智慧， 彭 超， 劉 江， 陸 峰， 張曉云， 高 健

(北京航空材料研究院，北京100095)

研究了無氰電鍍鎘-鈦合金工藝對A100鋼基體氫脆性能的影響，分別采用測氫儀法、氫含量測定法、恒載荷持久拉伸及慢拉伸的方法對A100鋼基體電鍍鎘-鈦合金氫脆性進行評價。結果表明:A100鋼具有較低的氫脆敏感性，電鍍鎘-鈦合金后氫大部分存在于鍍層中，基體中氫含量較低;采用慢拉伸試驗可以評價A100鋼電鍍鎘-鈦合金工藝的氫脆性能，試樣的斷裂強度、斷口面積等性能與基體裸材的性能基本一致，說明無氰電鍍鎘-鈦合金工藝具有非常低的滲氫量;試驗還證明較小的拉伸速率更有助于氫脆的判斷。

A100鋼;無氰電鍍鎘-鈦合金;氫脆性;慢拉伸

引 言

電鍍鎘-鈦合金具有耐蝕性好、低氫脆及工藝簡單等特點，特別適合于航空工業(yè)用高強度鋼的防護層。目前國內(nèi)外對于飛機起落架等重要部位高強度鋼的耐腐蝕防護均采用電鍍鎘-鈦合金技術，差別在于美國波音公司采用的是氰化鍍鎘-鈦合金，我國采用的是無氰鍍鎘-鈦合金工藝，二者獲得的鍍層性能技術指標基本一致，均滿足MIL-STD-1500(美軍標)［1］和 AMS 2419(美國宇航材料標準)［2］要求。

A100鋼是一種韌性非常好的二次硬化型超高強度鋼，航空工業(yè)中廣泛應用于主要承力構件，具有非常好的應用前景。A100鋼零件無氰電鍍鍍鎘-鈦合金過程中，可能會由于氫的滲入導致金屬材料的內(nèi)部損傷，從而使金屬材料在低于材料屈服強度的靜應力作用下發(fā)生延遲斷裂。

本文對A100鋼零件電鍍鎘-鈦合金的氫脆性能進行研究，以保障無氰電鍍鎘-鈦合金工藝在A100鋼零件上的順利應用。

1 實驗

1.1 基體材料

基體材料采用A100鋼(23Co14Ni12Cr3Mo)，其化學成分見表 1［3-4］。

表1 A100鋼的化學成分

1.2 電鍍鎘-鈦合金工藝

電鍍鎘-鈦合金工藝流程為:

鍍前檢查與表面準備→除油→噴砂→弱浸蝕→電鍍鎘-鈦合金→干燥→除氫→檢查。

電鍍鎘-鈦合金溶液配方及操作條件為:

1.3 實驗方法

1)測氫儀法。采用勞倫斯測氫儀進行測試，氫脆試驗

按 HB5067.2［5］分別進行電鍍鎘-鈦合金的氫脆試驗。

2)氫含量法。氫含量檢測按HB 5220.50-2008進行，采用脈沖加熱-熱導法測試基體及鍍層中氫的質(zhì)量分數(shù)。

3)恒載荷持久拉伸法。按HB5067.1進行，采用缺口圓棒試樣電鍍鎘-鈦合金后進行200h持久拉伸試驗。試樣采用A100鋼加工。

4)慢拉伸法。通過控制應變的慢拉伸法對無氰電鍍鎘-鈦合金工藝進行評價，通過對抗拉強度、斷面面積及拉伸曲線等指標的比較，分析電鍍鎘-鈦合金工藝對A100鋼基體滲氫的影響。

2 結果與討論

2.1 測氫儀法檢測

采用勞倫斯測氫儀對無氰鍍鎘-鈦合金工藝進行測試，測試結果見表2。表2給出了氫壓峰(HP)，氫壓曲線對時間的積分(Ir)，Hp和Ir值的大小表征電鍍過程中探頭的吸氫量，氫壓峰到半氫壓峰的時間(λ)表征工藝的氫脆性能，λ值越大表明鍍層越致密，氫越不容易被烘烤去除，工藝造成的氫脆嚴重。由表2中測試結果可知，無氰鍍鎘-鈦合金λ值較小，滿足規(guī)定的技術指標要求，低氫脆性能好。

表2 無氰鍍鎘-鈦合金工藝氫的檢測結果

2.2 氫含量法檢測

采用脈沖加熱-熱導法測定A100鋼電鍍鎘及鎘-鈦合金試樣的氫含量，考察電鍍過程中氫的滲入量，檢測結果如表3。

表3 氫的檢測結果

從檢測結果可以看出，A100鋼無氰電鍍鎘-鈦合金試樣比鍍光亮鎘試樣氫質(zhì)量分數(shù)高。經(jīng)過除氫工序后，無氰電鍍鎘-鈦合金試樣的氫質(zhì)量分數(shù)稍有降低。將電鍍鎘-鈦合金鍍層去除后檢測基體氫的質(zhì)量分數(shù)發(fā)現(xiàn)，基體w(氫)只有0.000 1%，說明無氰電鍍鎘-鈦合金試樣的氫大部分存在于鍍層中，只有極少量滲入到基體內(nèi)，而除氫工序?qū)τ阱儗又袣涞娜コ龥]有明顯的作用。這一結果與湯智慧的研究結果［6］基本一致，主要由于電鍍鎘-鈦合金工藝特殊的鍍層結構決定。

2.3 恒載荷持久拉伸法檢測

恒載荷持久拉伸法是目前國內(nèi)外評價材料氫脆性的主要方法，國內(nèi)航空業(yè)對高強度鋼電鍍工藝的氫脆性評價主要采用此方法。該方法可以簡便、準確地評價出高強度鋼零件經(jīng)表面處理后在使用中發(fā)生氫脆的可能性，但無法定量測定材料在表面處理過程中滲氫量影響的程度，同時檢測周期較長。

本研究采用了酸洗、噴砂等不同前處理及后處理方法，對A100鋼無氰鍍鎘-鈦合金工藝氫脆性能的影響，試驗結果見表4。從試驗結果可以看出，氫脆性能均滿足要求。

表4 橫載荷持久拉伸法試驗結果

2.4 慢拉伸法檢測

采用A100鋼持久拉伸缺口試樣，分別對電鍍鎘-鈦合金、光亮鍍鎘以及未表面處理的A100鋼試樣，進行 10-5s-1、10-6s-1、10-7s-1三種拉伸速率的慢拉伸試驗，測試試樣的斷裂強度以及斷裂時間，評價對A100鋼氫脆性的影響，試驗結果如表5。

從表5中可以看出，A100鋼電鍍鎘-鈦合金工藝試棒的斷口面積與未表面處理A100鋼試樣的斷口面積基本一致，均為14.4 mm2左右，相比拉伸前的16 mm2都產(chǎn)生了一定的頸縮，說明電鍍鎘-鈦合金工藝對基體的滲氫量較少，拉斷過程試樣表現(xiàn)出很好的塑性。從試樣的斷裂時間比較可以看出，未經(jīng)處理的A100鋼基材和電鍍鎘-鈦合金工藝兩種拉伸試棒的斷裂時間基本一致，而光亮鍍鎘試棒的拉伸斷裂時間有所減小，材料提前發(fā)生了斷裂，這種現(xiàn)象在拉伸速率低于10-6s-1時更為明顯。說明當拉伸速率低于一定值時，氫脆對于材料的力學性能影響更為顯著。從斷裂強度比較可以看出，未經(jīng)處理的A100鋼基材與電鍍鎘-鈦合金工藝處理的試樣斷裂強度基本一致，而鍍光亮鎘處理的試樣其斷裂強度有一定的降低。圖1～圖3分別為未經(jīng)處理的基材、鍍光亮鎘及電鍍鎘-鈦合金制備慢拉伸試樣拉斷后的斷口形貌。

表5 慢拉伸試驗結果

圖1 A100鋼基材斷口形貌

圖2 鍍光亮鎘斷口形貌

圖3 電鍍鎘-鈦合金斷口形貌

通過微觀形貌可以明顯地看到鍍光亮鎘材料的氫脆斷口，而未經(jīng)處理的基材及電鍍鎘-鈦合金試樣未發(fā)現(xiàn)氫脆斷口特征。慢拉伸試驗結果表明，電鍍鎘-鈦合金工藝對于A100鋼基體的滲氫量較小，基本不會產(chǎn)生材料的脆性斷裂，而鍍光亮鎘工藝較顯著地向基體內(nèi)產(chǎn)生滲氫，以致影響材料的力學性能。

圖4～圖6分別列出了不同拉伸速率下，A100鋼、光亮鎘鍍層和鎘-鈦合金鍍層的對比拉伸曲線。從曲線可以看出在同一拉伸速率下A100鋼與鎘-鈦合金鍍層的慢拉伸曲線基本一致，說明滲氫量很小，對于鋼基體基本不產(chǎn)生氫脆敏感。而隨著拉伸速率的降低，光亮鎘鍍層與鎘-鈦合金鍍層的最大拉伸應力相差逐漸增大，證明鍍光亮鎘工藝相比于電鍍鎘-鈦合金工藝滲氫量大得多。從圖4、圖5和圖6可以看出，較低的拉伸速度可更容易比較不同工藝滲氫程度的大小。

圖4 10－5s－1拉伸速率下的拉伸曲線

圖5 10－6s－1拉伸速率下的拉伸曲線

圖6 10－7s－1拉伸速率下的拉伸曲線

3 結論

1)A100鋼基體氫脆敏感性較低，采用恒載荷持久拉伸方法進行考核，不同工藝參數(shù)條件下進行A100鋼電鍍鎘-鈦合金，均可以通過氫脆檢驗。

2)對A100鋼采用無氰電鍍鎘-鈦合金工藝處理后進行慢拉伸試驗，試棒的斷裂強度、斷口面積、斷裂時間基本與未經(jīng)處理A100鋼基材一致，證明無氰電鍍鎘-鈦合金工藝過程對基體滲氫很少，顯著低于光亮鍍鎘工藝。

3)慢拉伸方法中的拉伸速率對材料脆性斷裂行為具有影響，較小的拉伸速率更有利于材料氫脆性能的判斷。

［1］MIL-STD-1500A，Cadmium-Titanium Plating，Low Embrittlement Electro-deposition［S］.

［2］AMS 2419A，Cadmium-Titanium Alloy Plating［S］.

［3］張淑玉，王春旭，史慶南.跳過深冷處理對A100鋼斷裂韌性的影響［J］.特鋼技術，2006，4(49):8-9.

［4］李杰，王麗，李志，等.熱處理對高Co-Ni超高強度鋼沖擊斷口的影響［J］.航空材料學報，2008，1，(28):35-39.

［5］HB 5067-2005，鍍覆工藝氫脆試驗［S］.

［6］湯智慧，張曉云，陸峰，等.鍍層結構與氫脆關系研究［J］.材料工程，2006，(10):37-42.

Effect of Cyanide-free Electrodeposited Cd-Ti Coating on Hydrogen Embrittlement of Steel Substrate

YU Bo，TANG Zhi-hui，PENG Chao，LIU Jiang，LU Feng，ZHANG Xiao-yun，GAO Jian
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

Hydrogen embrittlement effects of cyanide-free Cd-Ti plating on A100 steel was studied by hydrogen meter method，hydrogen content determination method，sustained load test(SLT)and slow strain rate test.Results indicated that A100 steel has low sensitivity to hydrogen embrittlement after cyanidefree Cd-Ti plating.Most of the hydrogen remained in Cd-Ti coating while little in metal substrate;slow strain rate test was available to evaluate hydrogen embrittlement effects of cyanide-free Cd-Ti plating on A100 steel.The fracture strength and fracture area of plated samples remained the same as non-plated samples，which meant cyanide-free Cd-Ti plating induced less hydrogen permeation.Slower strain rate would benefit the evaluation of hydrogen embrittlement.

A100 steel;cyanide-free Cd-Ti plating;hydrogen embrittlement;slow strain rate test

TQ153.2

A

1001-3849(2011)11-0001-04

2011-06-12