袁向儒,李 博,楊夏葦

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司,陜西 漢中 723200)

國內(nèi)外在鈦合金表面已開展了多種涂層制備及表面改性研究,但是每一種鈦合金具有自己的特性,在一種牌號上適用的表面處理方法在另一種牌號上不一定適用。因此,有必要對新材料鈦合金繼續(xù)進(jìn)行深入研究。Ti55531是一種新興的近β型超高強(qiáng)度鈦合金,其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。該合金擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍,特別適合制造必須承受巨大應(yīng)力的零部件,比較適合用于結(jié)構(gòu)件和起落架、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)掛架之間連接裝置等,在航空航天工業(yè)中日益受到青睞[1-2]。為了進(jìn)一步提高鈦合金的應(yīng)用范圍及使用壽命,常需要對鈦合金進(jìn)行表面處理,如鍍鉻、化學(xué)鍍鎳、功能轉(zhuǎn)化膜等,其中在鈦基表面化學(xué)鍍鎳,還能賦予鈦基表面特殊的物化性能[3-4],比如提高鈦基硬度、耐磨性等。

化學(xué)鍍鎳工藝由于深鍍能力好,鍍層具有均勻、孔隙率低、硬度高、可焊性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點,目前已廣泛應(yīng)用于化工、電子、汽車、機(jī)械、日用五金、精密儀器、航空航天等工業(yè)部門[5-6]?；瘜W(xué)鍍鎳工藝發(fā)展到今天,已經(jīng)研究并開發(fā)出了幾十種不同工藝,但鍍膜沉積原理是相同的,即在鍍件表面發(fā)生異相自催化還原沉積反應(yīng)。對鋼鐵、鎳、鈷等金屬材料一般可直接進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,而對鈦合金材料則必須進(jìn)行特殊的前處理才能沉積上合格的鎳層,保證功能的實現(xiàn)。為了滿足某型號需求,中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司開展了化學(xué)鍍鎳替代鍍硬鉻工藝研究并編制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),擬用于產(chǎn)品加工。

1 工藝試驗

1.1 試樣

結(jié)合力、硬度及磷含量試樣材料為國產(chǎn)Ti55531鈦合金,符合Q/1SM 1004—2020標(biāo)準(zhǔn),規(guī)格為100 mm×25 mm×(1～2) mm;耐蝕性試樣材料為30CrMnSiA,符合GJB 1951—1994標(biāo)準(zhǔn),規(guī)格為100 mm×150 mm×(1～2) mm。所有試樣表面粗糙度Ra≤0.8 μm,除硬度試樣鍍層厚度為25～35 μm外,其余試樣鍍層厚度為9～15 μm。工藝試驗的目的是通過檢驗試樣鍍層性能,進(jìn)一步驗證工藝設(shè)計的合理性及工藝參數(shù)的正確性。

1.2 試驗儀器

粗糙度測量采用MarSurf SD26粗糙度儀,硬度檢測采用HMV-G-FA-D型顯微維氏硬度計,采用Leco ONH836分析儀檢測氫化前、后基體的氫含量,鍍層顯微形貌使用奧林巴斯BX41M顯微鏡觀察,并用X射線熒光光譜儀X-Strata980檢測各元素的含量,耐蝕性采用CCT型Q-FOG循環(huán)腐蝕試驗箱進(jìn)行鹽霧試驗。

1.3 工藝流程及工序說明

1.3.1 工藝流程

工藝流程如下:鍍前驗收→有機(jī)溶劑除油→水洗→吹砂→裝掛和保護(hù)→化學(xué)除油→水洗→前處理→水洗→化學(xué)鍍鎳→水洗→干燥→熱處理→拆卸→檢驗。

前處理的作用是去除鈦合金基體表面鈍化膜,抑制新鈍化膜的生成,確保在活化的鈦合金表面鍍覆[7]。熱處理是利用金屬鍍層在高溫條件下會通過擴(kuò)散與基體形成牢固的金屬鍵的特性來增強(qiáng)鍍層結(jié)合力[8]。參照HB/Z 5071《化學(xué)鍍鎳工藝及質(zhì)量檢驗》,本研究前處理采用“活化”“氫化”或“活化+氫化”等3種方式分別進(jìn)行驗證,以確定最佳工藝流程。

1.3.2 工序說明

工序說明如下。

1)鍍前驗收。零件的表面性能應(yīng)符合HB 5034《零(組)件鍍覆前質(zhì)量要求》的規(guī)定。

2)有機(jī)溶劑除油。采用無氯的有機(jī)溶劑對鈦及鈦合金零件除油。

3)水洗。先在40～60 ℃的溫水中清洗,然后用流動水沖洗,清洗后零件表面應(yīng)完全被水浸潤,即在30 s內(nèi)有連續(xù)的水膜。

4)吹砂。在0.4～0.5 MPa的風(fēng)壓下,用直徑為250～325 μm(45～60目)的氧化鋁吹砂,不允許砂滯留在任何部位。吹砂應(yīng)均勻,整個吹砂表面應(yīng)為無光澤色調(diào);禁止赤手接觸吹砂后的表面;零件吹砂后,用干燥潔凈的壓縮空氣吹凈砂粒,為了完全去除砂粒,零件在水中用毛刷徹底刷凈。研究表明,控制鈦合金材料吹砂后的表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm,有利于提高鍍層結(jié)合力[9]。

5)裝掛和保護(hù)。采用膠帶等保護(hù)材料對零件不需要鍍鎳的表面進(jìn)行屏蔽保護(hù);零件裝掛時應(yīng)防止產(chǎn)生“氣袋”并便于瀝液。

6)化學(xué)除油。溶液組成為氫氧化鈉60～80 g/L,碳酸鈉30～50 g/L,磷酸鈉30～50 g/L,硅酸鈉10～30 g/L,溫度75～95 ℃。

7)活化。溶液組成為40～50 mL/L鹽酸(HCl,ρ=1.19 g/mL)和25～30 mL/L氫氟酸(HF,40%),室溫下活化30～45 s。試驗時去除量測試數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明,符合工藝要求的去除量2～3 μm。

8)氫化。溶液組成為650 mL硫酸(H2SO4,ρ=1.84 g/mL),350 mL鹽酸(HCl,ρ=1.19 g/mL),室溫下活化60～90 min,1 L溶液處理鈦合金鍍件的最大面積為5 dm2。

9)化學(xué)鍍鎳。溶液組成為硫酸鎳(NiSO4·7H2O)20～35 g/L,次磷酸鈉(NaH2PO2·H2O)8～12 g/L,乙酸鈉(CH3COONa)8～12 g/L,碘化鉀(KI)0.08～0.1 g/L,順丁烯二酸酐1.5～2.0 g/L,pH值為4.5～5.0,溫度為85～95 ℃。注:鈦合金在化學(xué)鍍鎳時,應(yīng)用鐵絲或鋁絲觸碰一下零件(試樣),否則難以反應(yīng)。

10)干燥。用壓縮空氣吹干或在不高于70 ℃的溫度下烘干。

11)熱處理。鈦及鈦合金零件在真空爐(殘余壓力不超過0.133 Pa)中或空氣爐中于300～350 ℃下進(jìn)行1～2 h的熱處理,零件隨爐加熱和冷卻。

12)拆卸。拆除工裝及保護(hù)膠帶等。拆卸時,嚴(yán)禁赤手拿取零件,應(yīng)佩戴潔凈的手套;拆卸過程中應(yīng)避免磕、劃、碰傷,嚴(yán)禁零件疊放、碰撞。

13)檢驗?；瘜W(xué)鍍鎳層應(yīng)為稍帶淺黃色的銀白色或帶黃色色彩的鋼灰色,拋光后為光澤的鋼灰色;化學(xué)鍍鎳層結(jié)晶應(yīng)細(xì)致、均勻。

1.4 檢測要求

檢測要求如下。

1)結(jié)合力。將被檢驗的零件或試樣沿一個直徑等于零件或試樣厚度的軸,反復(fù)彎曲180°,直至基體金屬斷裂,目視或在5倍放大鏡下檢查斷口,若基體金屬與鍍層發(fā)生龜裂,但并不起皮或脫落,則結(jié)合力合格。

2)顯微硬度。鍍層厚度應(yīng)≥25 μm,按照GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》,試驗載荷為50 g,載荷保持時間為10～15 s。測試鍍層截面上均勻分布的5個以上點,顯微硬度≥580 HV0.05為合格。

3)磷含量。鍍層磷含量為5%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

4)耐蝕性。HB/Z 5071—2004規(guī)定,對鋼鐵零件化學(xué)鍍鎳應(yīng)定期按GB/T 10125進(jìn)行48 h中性鹽霧試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合力

前處理采用“活化”處理后,電鍍的試樣進(jìn)行彎曲試驗時,出現(xiàn)了鎳層脫落現(xiàn)象,排除了這種方式;前處理采用“氫化”或“活化+氫化”等2種方式所得試樣進(jìn)行彎曲試驗時,化學(xué)鍍鎳層均未出現(xiàn)起皮和脫落現(xiàn)象,結(jié)合力合格。化學(xué)鍍鎳層外觀及結(jié)合力試驗如圖1所示。

a) 化學(xué)鍍鎳層外觀

b) 彎曲試驗后外觀

2.2 硬度

采用“氫化”的前處理方式所得試樣化學(xué)鍍鎳層平均顯微硬度為632.1 HV0.05;采用“活化+氫化”的前處理方式所得試樣化學(xué)鍍鎳層平均顯微硬度為614 HV0.05,均符合本公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的580～650 HV0.05。

2.3 磷含量

標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 5071—2004中未對鍍層“磷含量”提出明確的檢測要求,但基于考察新工藝性能考慮,本研究參考其他單位的研究成果[10],增加了鍍層磷含量的檢測要求。表2為不同前處理試樣化學(xué)鍍鎳層磷含量的測試值,均符合本公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的要求。

表2 不同前處理化學(xué)鍍鎳層磷含量測試值

2.4 耐蝕性

Ti55531鈦合金中鐵元素含量僅為0.2%～0.5%,在中性鹽霧中觀察不到銹蝕現(xiàn)象。因此,Ti55531鈦合金化學(xué)鍍鎳工藝一般不要求通過中性鹽霧試驗進(jìn)行耐蝕性檢查。但本研究為了驗證化學(xué)鍍鎳溶液的性能,選用30CrMnSiA鋼試樣6件,2件為1組,分3個不同的時間段進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,并按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125進(jìn)行中性鹽霧試驗,3組試樣出現(xiàn)銹蝕的時間分別為76、84和96 h,均大于48 h。其中通過了96 h鹽霧試驗的那組試樣試驗前、后外觀如圖2所示。

a) 試驗前

b) 試驗后

對于Ti55531鈦合金化學(xué)鍍鎳,本研究按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125進(jìn)行了360 h中性鹽霧試驗,主要考核化學(xué)鍍鎳層在中性鹽霧中的耐受性,試驗結(jié)果表明,試驗前、后試樣質(zhì)量未發(fā)生明顯變化。試驗前、后試樣外觀如圖3所示。

a) 試驗前

a) 試驗前 b) 試驗后

2.5 活化

室溫下,活化30～50 s。試驗測試不同活化時間對應(yīng)的去除量見表3,結(jié)果符合工藝要求的去除量2.0～3.0 μm。

表3 不同活化時間對應(yīng)的去除量

2.6 氫化

采用Ti55531和TC18材料試樣,氫化處理不同時間后測試增氫量(見表4)。試驗表明,氫化后試樣表面局部發(fā)黑(光亮區(qū)+發(fā)黑區(qū))(見圖4),并且隨著氫化時間的延長,表面顏色逐漸加深。分析認(rèn)為,這可能是由于被氫化溶液腐蝕晶界、相界顯現(xiàn)數(shù)量或深度增加所致[11]。對光亮區(qū)和發(fā)黑區(qū)進(jìn)行了能譜分析,表明發(fā)黑區(qū)與光亮區(qū)的元素含量基本相同,說明兩個區(qū)域無明顯的成分差異。由表4可知,Ti55531和TC18鈦合金氫化后,氫含量都未超過0.012 5%,滿足增氫量未超過0.005%的技術(shù)要求。可以看出,增氫量隨氫化時間的延長而增大,但氫化時間大于80 min,增氫量變化不明顯。

表4 不同鈦合金相同活化時間下氫含量測試值

圖4 氫化后試樣外觀

2.7 熱處理

鈦合金零件或試樣在真空爐(殘余壓力不超過0.133 Pa)中或空氣爐中于300～350 ℃下進(jìn)行1～2 h的熱處理,隨爐加熱和冷卻。本研究采用空氣爐熱處理,試樣熱處理前后外觀、顏色未見明顯變化。同時使用奧林巴斯BX41M顯微鏡觀察鈦合金試樣熱處理前、后微觀形貌(見圖5),未發(fā)現(xiàn)有明顯的金屬層擴(kuò)散現(xiàn)象(見圖6)。

a) 熱處理前

b) 熱處理后

圖6 熱處理后鎳層擴(kuò)散形貌

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)Ti55531鈦合金化學(xué)鍍鎳優(yōu)選工藝流程:鍍前驗收→有機(jī)溶劑除油→水洗→吹砂→裝掛和保護(hù)→化學(xué)除油→水洗→氫化→水洗→化學(xué)鍍鎳→水洗→干燥→熱處理→拆卸。

2)化學(xué)鍍鎳層為稍帶淺黃色的銀白色或帶黃色色彩的鋼灰色,拋光后為光澤的鋼灰色;化學(xué)鍍鎳層結(jié)晶應(yīng)細(xì)致、均勻。

3)Ti55531鈦合金化學(xué)鍍鎳層磷含量為5%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4)化學(xué)鍍鎳層硬度為580～650 HV0.05,接近硬鉻層,可代替鍍硬鉻層用于形狀復(fù)雜、不易或不能鍍鉻,但有較高耐磨要求的零件的表面防護(hù)。