鄒松華*,王帥東李曼賈方舟
(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津 300462;2.首都航天機(jī)械公司,北京 100076)
【工藝開(kāi)發(fā)】
TC4鈦合金電鍍鎳工藝及鍍層性能
鄒松華1,*,王帥東1,李曼1,賈方舟2
(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津300462;2.首都航天機(jī)械公司,北京100076)
介紹了一種TC4鈦合金表面電鍍鎳工藝,該工藝流程簡(jiǎn)單,化學(xué)除油、酸洗、活化后直接電鍍鎳。采用本工藝可在TC4鈦合金表面制得均勻、平整和結(jié)合力合格的鎳鍍層,提高了鈦合金基體的顯微硬度和耐磨性。
鈦合金;電鍍鎳;前處理;結(jié)合力;顯微硬度;耐磨性
First-author's address: Tianjin Aerospace Long March Rocket Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462, China
鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),在航天、航空、船舶、兵器、醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用日益擴(kuò)大[1]。但鈦合金耐磨性差,易發(fā)生接觸腐蝕,焊接困難,導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差,嚴(yán)重制約了其應(yīng)用[2-3]。因此有必要對(duì)鈦合金進(jìn)行一定的表面處理,以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和提高使用壽命。
鈦合金的表面處理技術(shù)主要有電鍍[4]、化學(xué)鍍[5]、陽(yáng)極氧化[6]、微弧氧化[7]等。其中,通過(guò)陽(yáng)極氧化和微弧氧化可在鈦合金表面原位形成結(jié)合力較好的氧化膜,但膜層較薄,耐磨性較差,并且微弧氧化一般在高壓下進(jìn)行,容易在鈦合金零件表面產(chǎn)生燒傷痕跡,嚴(yán)重影響氧化膜的性能。電鍍可以根據(jù)不同的使用要求來(lái)選擇合適的工藝,但鈦合金在空氣中較活潑,表面容易生成較為致密的氧化膜,給電鍍帶來(lái)較大的困難。趙立才等通過(guò)噴砂電鍍?nèi)榘足t等處理,在 TC2鈦合金表層得到了耐磨性好和硬度較高的硬鉻鍍層[8];劉玉敏等通過(guò)濕吹砂,在TC11表面得到結(jié)合力良好的銅鍍層和鍍銀層[9];于海等通過(guò)對(duì)鈦合金進(jìn)行活化、氫化處理,得到了結(jié)合力合格的鍍銅層,發(fā)現(xiàn)電鍍銅提高了鈦合金基體的導(dǎo)電性,削弱了其電偶腐蝕傾向[10]。
目前,成熟的鈦合金電鍍前活化處理工藝流程中多數(shù)都包含吹砂工序,而對(duì)于含內(nèi)腔、孔洞的零件,吹砂處理較難操作和實(shí)施。本文對(duì)TC4鈦合金試片進(jìn)行化學(xué)除油、酸洗及活化處理后直接電鍍鎳,表征了鎳鍍層的表面形貌、結(jié)合力、顯微硬度和耐磨性,以期為鈦合金電鍍鎳航天產(chǎn)品的應(yīng)用提供理論依據(jù),也為其他領(lǐng)域鈦合金的電鍍前處理工藝提供參考。
試驗(yàn)材料為T(mén)C4鈦合金試片,尺寸為50 mm × 50 mm × 2 mm,元素組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Fe≤0.30%,C≤0.10%,N≤0.05%,H≤0.015%,O≤0.20%,Al 5.5% ~ 6.8%,V 3.5% ~ 4.5%,Ti余量。所用試劑均為化學(xué)純。
工藝流程為:化學(xué)除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍鎳。
1. 1化學(xué)除油
氫氧化鈉35 g/L,碳酸鈉30 g/L,磷酸鈉30 g/L,硅酸鈉5 g/L,氟化鈉2 g/L,溫度75 °C,時(shí)間30 m in。
1. 2 酸洗
氫氟酸20 g/L,硝酸45 g/L,室溫,時(shí)間3 ~ 15 s。
酸洗主要是為了清除鈦合金表面的氧化皮。為防止過(guò)腐蝕,表面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的鈦合金產(chǎn)品需嚴(yán)格控制酸洗時(shí)間,在鈦合金表面出現(xiàn)均勻氣泡后2 s左右就應(yīng)取出并進(jìn)行水洗。
1. 3活化
鹽酸400 g/L,硫酸900 g/L,緩蝕劑A 20 g/L,室溫,時(shí)間30 m in。
1. 4鍍鎳
七水合硫酸鎳150 g/L,硼酸19 g/L,硫酸鹽M 80 g/L,陽(yáng)極活化添加劑B 5 g/L,pH 5.2,溫度55 °C,時(shí)間20 min,陽(yáng)極為99.9%的鎳板。采用XRF2000鍍層測(cè)厚儀測(cè)得鎳層厚度約為5.1 μm。
2. 1表面形貌
圖1和圖2分別為電鍍鎳試片的外觀照片和采用FEI Novanano SEM 450掃描電子顯微鏡觀察所得表面形貌。從中可知,電鍍鎳層顏色均勻,表面光滑、平整,無(wú)結(jié)瘤、毛刺、漏鍍、起皮等缺陷。
圖1 TC4鈦合金表面Ni鍍層的照片F(xiàn)igure 1 Photo of Ni coating on sur face of TC4 alloy編者注:圖1原為彩色,請(qǐng)見(jiàn)C1頁(yè)。
圖2 TC4鈦合金表面Ni鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphology of Ni coating on TC4 alloy
2. 2結(jié)合力
采用熱震試驗(yàn)法,將電鍍鎳試樣置于300 °C的恒溫爐中保溫1 h,取出后立刻放入冷水中,鎳鍍層沒(méi)有起皮、脫落等現(xiàn)象,說(shuō)明其與鈦合金基體結(jié)合良好。這也間接表明,選用的酸洗、活化工藝起到很好的溶解、緩蝕鈦合金表層和保護(hù)活化鈦的作用,從而使鈦合金表面難以迅速生成氧化膜,最終在活性較高的鈦合金表面實(shí)現(xiàn)電鍍鎳。
2. 3顯微硬度
使用北京時(shí)代之峰科技有限公司的HVS-100數(shù)字式顯微硬度計(jì),加載力為0.98 N,加載時(shí)間為10 s,測(cè)得鈦合金基體和鎳鍍層的顯微硬度分別為310 HV和510 HV,說(shuō)明電鍍鎳后鈦合金的顯微硬度提高至原來(lái)的1.6倍左右,鈦合金的抗劃傷能力將顯著增強(qiáng)。
2. 4耐磨性
采用濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)研究所的MDW-02機(jī)械往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定干摩擦條件下鈦合金基體和鍍層的摩擦因數(shù)及磨損量,載荷25 N,頻率3 Hz,時(shí)間60 m in,對(duì)偶件為直徑6.35 mm的GCr15軸承鋼球,結(jié)果如圖3所示。
圖3 Ni鍍層及TC4鈦合金基體摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化Figure 3 Variation of friction coefficients of Ni coating and TC4 alloy substrate w ith abrasion time
由圖 3可知,在規(guī)定的干摩擦條件下,鈦合金基體的摩擦因數(shù)最初較低,后期逐漸穩(wěn)定。這主要是由于為防止鈦合金在酸洗、活化后腐蝕摩擦試驗(yàn)機(jī),需要對(duì)其進(jìn)行吹干,短時(shí)間的空氣接觸使鈦合金表面形成一層薄氧化膜,因此在摩擦試驗(yàn)前期主要是對(duì)氧化膜進(jìn)行磨損,摩擦因數(shù)相對(duì)較低,影響了磨損初期鈦合金基體摩擦因數(shù)的測(cè)定,也在一定程度上影響了鈦合金基體的磨損量。摩擦試驗(yàn)穩(wěn)定后,即對(duì)偶件接觸到鈦合金基體后,鈦合金基體的摩擦因數(shù)約為0.38,60 min后的磨損量為8.4 mg。
鎳鍍層的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定,始終保持在0.2左右,60 m in后的磨損量為1.0 mg,說(shuō)明鎳鍍層沒(méi)有被完全磨透,所測(cè)摩擦因數(shù)及磨損量均屬于鎳鍍層。
鍍鎳試樣的摩擦因素和磨損量分別為鈦合金基體的52.6%和11.9%,可見(jiàn)鈦合金電鍍鎳后,鎳鍍層的減磨作用顯著改善了鈦合金表面的耐磨性,從而提高了鈦合金產(chǎn)品在轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配過(guò)程中的抗滑動(dòng)磨損能力。
相對(duì)于吹砂處理而言,采用化學(xué)活化法處理含內(nèi)腔、孔洞的鈦合金零件,其操作更簡(jiǎn)單。本工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金活化處理后直接電鍍鎳,目前已在形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品上得到應(yīng)用,也可為鈦合金電鍍功能性鉻、銅等的鍍前處理提供技術(shù)參考。
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[ 編輯:周新莉 ]
Process for nickel plating on TC4 titanium alloy and performance of coating
ZOU Song-hua*, WANG Shuai-dong,LI Man, JIA Fang-zhou
A process for nickel plating on TC4 titanium alloy was introduced. The process flow is simple as shown by directly nickel plating after chemical degreasing, pickling and activation successively. A uniform and smooth nickel coating w ith qualified adhesion strength can be obtained on the surface of TC4 titanium alloy by using the given process, resulting in the improvement of m icrohardness and wear resistance of titanium alloy substrate.
titanium alloy; nickel electroplating; pretreatment; adhesion strength; microhardness; wear resistance
TQ153.12
A
1004 - 227X (2016) 12 - 0626 - 03
2016-03-28
2016-05-03
鄒松華(1976-),男,江西九江人,本科,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榻饘俑g與防護(hù)。
作者聯(lián)系方式:(E-mail) zousonghua2005@sina.com,(Tel) 010-88033396。