鈦合金電鍍鉻前處理技術(shù)研究

1、前言

鈦合金具有很高的強(qiáng)度質(zhì)量比及耐蝕性，在航空產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用?鈦合金硬度低?耐磨性能差，對(duì)于有耐磨性能要求的軸類(lèi)?桶類(lèi)零件，需在鈦合金表面進(jìn)行鍍鉻，以提高其表面硬度和耐磨性能?鈦是非常活潑的金屬，與空氣中的氧和氮易生成薄而致密的鈍化膜，這層鈍化膜會(huì)阻礙電鍍的進(jìn)行?為避免鈍化膜對(duì)鈦合金電鍍鉻的影響，多采用轉(zhuǎn)化膜+預(yù)鍍層工藝對(duì)鈦合金進(jìn)行前處理?

目前，在生產(chǎn)中應(yīng)用較多的電鍍鉻前處理工藝為活化+氫化處理+鍍?nèi)榘足t，但在實(shí)際零件生產(chǎn)中，受多種因素影響，鈦合金電鍍鉻零件產(chǎn)品合格率仍不穩(wěn)定?且氫化處理工藝采用純硫酸與純鹽酸配制高純酸液，溶液去除量大，危險(xiǎn)性高，使用時(shí)溫度控制范圍較窄，既容易影響到零件尺寸，又容易造成安全事故?為優(yōu)化鈦合金電鍍前處理工藝，避免氫化處理工藝存在的缺陷，對(duì)理論上膜層穩(wěn)定性更好的氟化處理工藝進(jìn)行了研究?

2、試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)配方

表1 轉(zhuǎn)化膜工藝配方

鑒于除油?吹砂?預(yù)鍍層(鍍?nèi)榘足t)?熱處理工藝為鈦合金電鍍通用處理工藝，且按照以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，也未發(fā)生過(guò)只有鍍硬鉻層脫落，乳白鉻層未脫落現(xiàn)象，因此，鈦合金鍍鉻前處理工藝主要研究對(duì)象為活化工藝及轉(zhuǎn)化膜工藝?

現(xiàn)有零件均為經(jīng)過(guò)了精密機(jī)械加工的零件，且經(jīng)過(guò)吹砂，氧化膜較薄，因此可不采用活化工藝，而是在吹砂后直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化膜工藝?轉(zhuǎn)化膜工藝配方見(jiàn)表1,活化工藝配方見(jiàn)表2?

表2 活化工藝配方

2.2選型試驗(yàn)方案

鈦合金鍍鉻工藝主要應(yīng)用于有一定耐磨要求的鈦合金表面的防護(hù)，從設(shè)計(jì)指標(biāo)上主要要求其具有較高的結(jié)合強(qiáng)度?對(duì)基體的疲勞影響較小，從工藝上其處理工藝主要要求其對(duì)基體的去除量較小?因此采用TC2?TC6?TC18圓柱試料?棒狀試料進(jìn)行試驗(yàn)，分別考察每組試驗(yàn)中試料的基體去除量?電鍍后鍍層結(jié)合力(熱震法)?

基體去除量：在處理前?后對(duì)試樣進(jìn)行稱(chēng)重，計(jì)算基體表面去除量?

熱震法測(cè)結(jié)合力：將試樣加熱到300℃,保溫0.5h,放入室溫水中驟冷?

試樣圖片見(jiàn)圖1?圖2?

2.3 性能對(duì)比試驗(yàn)方案

采用脈沖加熱熱導(dǎo)氫測(cè)定儀測(cè)定試樣氫含量，試樣鍍鉻層厚度 80 ～ 100μm，試樣尺寸為 4mm×4mm×2mm。按照 HB5143《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)電鍍鉻后的試樣進(jìn)行拉伸，試樣光桿區(qū)域鍍鉻層厚度 80 ～100μm，試樣如圖 3 所示。

3、結(jié)果與討論

3.1選型試驗(yàn)結(jié)果

在選型試驗(yàn)中，采用ASTMB481-68高濃度的硝酸氫氟酸活化工藝(活化工藝3)?重鉻酸鉀-氫氟酸轉(zhuǎn)化膜工藝時(shí)(轉(zhuǎn)化膜工藝5),反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量氣泡-氮氧化物紅煙，去除量較大(活化工藝單面去除量>2μm,轉(zhuǎn)化膜工藝單面去除量>4μm)?且考慮到氫氟酸有較大安全風(fēng)險(xiǎn)，硝酸?重鉻酸鉀屬于易制爆化學(xué)品，采購(gòu)及存儲(chǔ)存在一定困難，未進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)?

表3 TC2材料選型試驗(yàn)結(jié)果

表4 TC6材料選型試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于TC2材料，不采用活化工藝時(shí)，采用各種轉(zhuǎn)化膜工藝均不能獲得結(jié)合力良好的鍍層；采用磷酸鈉-氟化鈉-醋酸配方時(shí)，均不能獲得結(jié)合力良好的乳白鉻層；采用鹽酸-氫氟酸活化或硝酸-氫氟酸活化?RLD-1100轉(zhuǎn)化膜時(shí)，均可獲得結(jié)合力良好的鍍層?但考慮到硝酸-氫氟酸活化溶液濃度較高，且需使用易制爆品硝酸，最終選擇鹽酸-氫氟酸活化+RLD-1100轉(zhuǎn)化膜作為優(yōu)選工藝?

對(duì)于TC6?TC18材料，不采用活化工藝時(shí)，采用RLD-1100轉(zhuǎn)化膜時(shí)，也可獲得結(jié)合力良好的鍍層?采用磷酸鈉-氟化鈉-醋酸轉(zhuǎn)化膜時(shí)，均不能獲得結(jié)合力良好的鍍鉻層，不采用硝酸-氫氟酸活化工序，可避免使用易制爆品硝酸及危險(xiǎn)性較大的氫氟酸，去除量及吸氫量也更小，最終選擇RLD-1100轉(zhuǎn)化膜作為優(yōu)選工藝?

3.2氫化處理與氟化處理性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

氫含量?結(jié)合強(qiáng)度?抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(含斷面收縮率?斷后伸長(zhǎng)率)結(jié)果分別見(jiàn)表6?表7?表8?

表5 TC18材料選型試驗(yàn)結(jié)果

表6 基體氫含量

表7 鍍層結(jié)合強(qiáng)度

表8：抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，TC2?TC6?TC18鈦合金電鍍鉻后，基體氫含量數(shù)值均未超過(guò)0.015%的要求值，但數(shù)值均相對(duì)較高?理論上氟化處理時(shí)間更短，酸液濃度更低，基體含氫量應(yīng)更低，但電鍍鉻時(shí)間長(zhǎng)?電流效率低，是基體吸氫的主要來(lái)源，且電鍍鉻層厚度可能有一定波動(dòng)，因此決定基體氫含量的更多是鍍鉻工序，可認(rèn)為經(jīng)2種前處理工藝后基體含氫量基本相當(dāng)?

由表7可知，TC2?TC6?TC18鈦合金鍍鉻層的結(jié)合強(qiáng)度均在60~66MPa范圍內(nèi)，采原氟化處理工藝電鍍的鍍層結(jié)合強(qiáng)度與采用氫化工藝電鍍的鍍層結(jié)合強(qiáng)度基本相當(dāng)，沒(méi)有明顯差距?

由表8可知，對(duì)于TC2?TC6?TC18鈦合金，不論采用何種前處理工藝，基體的抗拉強(qiáng)度均會(huì)有所下降?經(jīng)2種前處理工藝處理后，TC2材料基體抗拉強(qiáng)度基本一致?經(jīng)2種前處理工藝處理后，經(jīng)氫化處理的TC6鈦合金基體的抗拉強(qiáng)度稍高于經(jīng)氟化處理工藝處理的基體，經(jīng)氫化處理的TC18鈦合金基體的抗拉強(qiáng)度稍低于經(jīng)氟化處理工藝處理的基體?對(duì)于TC2?TC6?TC18鈦合金，不論采用何種前處理工藝，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均會(huì)有所下降?經(jīng)2種前處理工藝處理后，3種材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均相差很小，且滿足伸長(zhǎng)率≥10%,斷面伸縮率≥23%的要求?考慮到試棒尺寸存在一定偏差?鍍層厚度也存在一定偏差，可能導(dǎo)致的基體抗拉強(qiáng)度變化，可認(rèn)為經(jīng)2種前處理工藝后電鍍鉻的基體抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)，伸長(zhǎng)率?斷面收縮率基本相當(dāng)，沒(méi)有明顯差距?

4、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于TC2材料，采用鹽酸-氫氟酸活化+RLD-1100氟化處理液，可獲得結(jié)合強(qiáng)度良好的鈦合金鍍鉻鍍層?對(duì)于TC6?TC18材料直接采用RLD-1100氟化處理液，即可獲得結(jié)合強(qiáng)度良好的鈦合金鍍鉻鍍層?采用RLD-1100氟化處理并電鍍的基體，其基體含氫量?抗拉強(qiáng)度與采用氟化處理并電鍍的基體性能相當(dāng)?

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