楊志業(yè)，王進軍，胡遐林，耿莽河，李 陽

(1.沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850；2.武漢材料保護研究所有限公司，湖北 武漢 430030)

0 前 言

鋅鎳合金鍍層的耐蝕性比鍍鋅層高，電位與鍍鎘層接近，具有良好的性價比、低污染性和低氫脆性，作為替代鍍鎘工藝，已廣泛應(yīng)用于民用航空產(chǎn)品中[1-4]。研究[5]表明堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能較好，可以代替無氰鍍鎘鈦工藝用于高強鋼的表面防護，但目前對鍍鋅鎳工藝氫脆性能的研究多集中在其與鍍鎘、鍍鎘鈦等傳統(tǒng)工藝的氫脆性能比較，試驗方法多采用缺口圓棒拉伸試驗方法，對堿性鍍鋅鎳工藝自身氫脆性能影響因素的研究較少。

目前航空工業(yè)企業(yè)常用測試槽液氫脆性能的方法為缺口圓棒拉伸試驗和測氫儀法[6，7]，多數(shù)企業(yè)采用缺口圓棒拉伸試驗檢測電鍍工藝氫脆性能，但其需進行200 h拉力試驗，時間較長，往往僅給出定性結(jié)論，難以全面反映鍍層氫脆性能。測氫儀是一種定量地測量電鍍時氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器，能更為方便地比較槽液成分對氫脆性能的影響，本工作率先采用測氫儀試驗方法對堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能進行測試和評估，研究了槽液成分對堿性鍍鋅鎳氫脆性能影響，并對堿性鍍鋅鎳溶液控制提出了建議。

1 試 驗

1.1 測氫儀試驗原理

測氫儀是利用一種鐵殼電子管作為探頭進行電鍍，電鍍過程中產(chǎn)生的一部分氫原子透過鍍層和管壁滲入電子管內(nèi)，使管內(nèi)真空度降低，并將滲氫引起真空度的變化轉(zhuǎn)變成電流信號。通過測氫儀在電鍍測試過程中所記錄的曲線可獲得氫脆傾向測試結(jié)果。探頭電鍍后，在烘箱中烘烤，在鍍層和管壁吸收的氫擴散達到平衡時，出現(xiàn)氫峰值HP。此后管內(nèi)氫通過管壁和鍍層向外擴散，氫壓電流曲線下降的速度與鍍層的氫可滲透性直接相關(guān)，因此規(guī)定曲線從最高點HP降到1/2HP所需要的時間為λ值(以s為單位)。HP表示鍍層與基體吸氫量，HP值越小表示鍍層氫脆危險越小，λ表示鍍層的氫可滲透性，λ值越小，表示鍍層氫脆危險越小。

1.2 試驗準備

試驗前預(yù)熱測氫儀24 h，試驗前30 min打開烘箱。檢查烘箱溫度，試驗前檢查表盤儀表零點和滿刻度。

試驗前用輔助加熱器烘烤探頭至指示燈熄滅，待探頭冷卻后稱重。用膠帶屏蔽探頭，確保僅露出探頭待電鍍窗口。用噴砂設(shè)備以三氧化鋁干燥磨料對探頭表面噴砂，拆下膠帶，要保證不觸及待電鍍窗口表面，用軟毛刷子掃除磨料。目視檢查窗口表面清潔度，稱重檢查噴砂對電鍍窗口基體去除量，確保完全清除基體表面氧化物，噴砂前后減少質(zhì)量應(yīng)為(40±10) mg。

1.3 探頭標定

用標定溶液(50 g/L NaCN，50 g/L NaOH)對探頭進行陰極充氫180 s，然后水洗、丙酮洗，濾紙吸干，并將探頭置于烘箱中烘烤。用測氫儀自動記錄氫壓電流隨時間變化的曲線，并顯示氫峰值HPC和λC值，當曲線衰減到1/2HP后結(jié)束標定，記錄HPC和λC值。

1.4 氫脆性能測試

缺口圓棒拉伸試驗：按ASTM F519“電鍍涂覆工藝和應(yīng)用環(huán)境機械氫脆評定試驗方法”采用UH-F1000KNI液壓伺服萬能試驗機進行氫脆試驗。采用3根1a1型試樣在其最高載荷75%下進行200 h拉伸試驗，有1根試樣斷裂或在10倍放大鏡下檢查出現(xiàn)裂紋即為不合格。

測氫儀試驗：按1.2、1.3節(jié)完成試驗準備后，將探頭放入電纜插座內(nèi)，用生料帶纏繞探頭基部及電纜裝置的螺紋，擰緊螺帽。檢查電鍍電流的接通。在冷水中清洗探頭30 s，再用去離子水沖洗探頭。將探頭放入鍍鋅鎳槽液[6.5～8.0 g/L Zn2+、0.7～1.5 g/L Ni2+、80～130 g/L NaOH，100～120 mL/L配位劑NZ-71，0～0.5 mL/L NZ-73(光亮劑)，25 ℃，2 A/dm2]，以不銹鋼棒為陽極，接通電源電鍍900 s，然后水洗、丙酮洗，濾紙吸干，并將探頭置于烘箱中烘烤。測氫儀自動記錄氫壓電流隨時間變化的曲線，并顯示氫峰值HPP和λP值，當曲線衰減到1/2HP后結(jié)束標定，記錄HPP和λP值。

1.5 試驗結(jié)果計算

按如下公式計算HPPC數(shù)值及λPC數(shù)值，每組試驗進行3次，取平均值作為試驗結(jié)果。

式中HPPC—— 電鍍測試結(jié)果用探頭標定結(jié)果標準化處理后的HP值

HPP—— 電鍍測試時測得的HPP值

HPC—— 探頭標定測得的HPC值

式中λPC—— 電鍍測試結(jié)果用探頭標定結(jié)果標準化處理后的λ值，s

λP—— 電鍍測試時測得的λ值，s

λC—— 探頭標定測得的λ值，s

λ0—— 探頭測試結(jié)果標準λ值，40 s

2 結(jié)果與討論

2.1 光亮劑濃度對鍍鋅鎳氫脆性能的影響

因光亮劑直接影響到鍍層結(jié)晶細致程度及鍍層外觀，進而影響到鍍層氫可滲透性，故先研究了光亮劑濃度對鍍鋅鎳氫脆性能的影響。鍍鋅鎳槽液成分：8 g/L Zn2+、1.5 g/L Ni2+、105 g/L NaOH，100 mL/L配位劑NZ-71。結(jié)果見表1。

試驗結(jié)果表明當不添加光亮劑時，鍍層存在微裂紋結(jié)構(gòu)，氫可滲透性性能良好，雖不滿足氰化鍍鎘鈦(λPC<80 s)氫可滲透性性能指標，但可滿足無氰鍍鎘鈦氫可滲透性性能指標(λPC<140 s)[7，8]，鍍鋅鎳層低氫脆機理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用[9，10]。添加光亮劑后，鍍層結(jié)晶細致，鍍層微裂紋急劇減少，基體中氫離子無法擴散，鍍層氫可滲透性極差，鍍層結(jié)構(gòu)已不再具有低氫脆特性，此時鍍鋅鎳層低氫脆機理主要為鍍層成分作用，即鍍層中鎳吸氫而降低了基體的氫含量。當NZ-73濃度大于0.5 mL/L時，鍍鋅鎳工藝氫脆性能無法通過缺口圓棒拉伸試驗。

表1 光亮劑濃度對鍍鋅鎳氫脆性能的影響Table 1 Effect of brightener concentration on hydrogen brittleness of zinc-nickel coating

相比缺口圓棒拉伸試驗，測氫儀試驗僅考察鍍層氫可滲透性，如以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標，其對鍍層的氫脆性能要求更高。但因鍍鋅鎳層低氫脆機理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用，是否應(yīng)以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標還需更多比對試驗確定。

對于航空產(chǎn)品電鍍，對鍍鋅鎳層的性能指標要求主要為耐蝕性，而對鍍層的外觀要求不高。在不添加NZ-73光亮劑時，NZ-70系列堿性鍍鋅鎳溶液電鍍產(chǎn)品外觀性能也能滿足相關(guān)標準要求，僅光亮度稍差。因此NZ-70系列堿性鍍鋅鎳溶液用于高強度鋼等航空產(chǎn)品電鍍時，為杜絕氫脆隱患，應(yīng)不加入NZ-73光亮劑或嚴格控制NZ-73光亮劑的加入量。

2.2 其它成分濃度對鍍鋅鎳氫脆性能的影響

鑒于缺口圓棒拉伸試驗時間較長、成本較高，采用測氫儀試驗對其它成分濃度對鍍鋅鎳氫脆性能影響進行了研究。

為確定NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝長期使用條件下氫脆性能的變化，對堿性鍍鋅鎳溶液中鋅、鎳、氫氧化鈉、配位劑(NZ-71)濃度對鍍層氫脆性能影響進行了四因素三水平試驗(試驗溶液中未添加NZ-73光亮劑)，并采用Minitab軟件對試驗結(jié)果進行了田口分析，信噪比相應(yīng)表結(jié)果見表2。

從試驗結(jié)果來看，NaOH含量對鍍鋅鎳層氫可滲透性影響最大，配位劑NZ-71含量對鍍鋅鎳層氫可滲透性影響次之，Zn2+、Ni2+含量對鍍鋅鎳層氫可滲透性影響相近且較小。當氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量較低，Zn2+、Ni2+含量較高時，鍍鋅鎳層氫可滲透性最好,這可能是因為此時溶液中氫氧化鈉對Zn2+、配位劑對Ni2+配位能力相對較弱，電化學(xué)極化能力較弱，鍍層結(jié)晶相對較粗、致密性較低、存在較多微裂紋，進而有利于電鍍后氫的析出。

表2 其它成分濃度對鍍鋅鎳氫脆性能影響Table 2 Effect of concentration of other components on hydrogen brittleness of Zinc-nickel coating

3 結(jié) 論

對于NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝，堿性鍍鋅鎳溶液中光亮劑NZ-73濃度對鍍層氫脆性能影響最大，在0.1 mL/L的光亮劑含量下，鍍層氫可滲透性就會顯著下降，但尚可通過缺口圓棒拉伸試驗，在0.5 mL/L的光亮劑含量下，氫脆性能顯著下降，無法通過缺口圓棒拉伸試驗，用于高強度鋼等航空產(chǎn)品電鍍時，為杜絕氫脆隱患，應(yīng)不加入NZ-73光亮劑或嚴格控制NZ-73光亮劑的加入量。

NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝，其余槽液成分對鍍層氫可滲透性影響的排序為NaOH>NZ-71>Ni2+>Zn2+。當氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量較低，Zn2+、Ni2+含量較高時，鍍鋅鎳層氫可滲透性最好。如需獲得氫可滲透性更好的鍍層，在保證鍍層其它性能的基礎(chǔ)上，宜將Zn2+、Ni2+含量控制在上限，將氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量控制在下限。

如以λPC<140 s為判斷NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能是否合格指標，測氫儀試驗相比缺口圓棒拉伸試驗對鍍層的氫脆性能要求更高。為控制堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能，可采用測氫儀方法作為氫脆性能檢測手段。但因鍍鋅鎳層低氫脆機理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用，是否應(yīng)以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標還需更多比對試驗確定。