鄒松華*，王帥東李曼賈方舟

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津　300462；2.首都航天機械公司，北京　100076）

【工藝開發(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.天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462；2.首都航天機械公司，北京100076）

介紹了一種TC4鈦合金表面電鍍鎳工藝，該工藝流程簡單，化學除油、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度高、耐蝕性好等優(yōu)點，在航天、航空、船舶、兵器、醫(yī)學等方面的應用日益擴大［1］。但鈦合金耐磨性差，易發(fā)生接觸腐蝕，焊接困難，導電、導熱性差，嚴重制約了其應用［2-3］。因此有必要對鈦合金進行一定的表面處理，以擴大其應用范圍和提高使用壽命。

鈦合金的表面處理技術主要有電鍍［4］、化學鍍［5］、陽極氧化［6］、微弧氧化［7］等。其中，通過陽極氧化和微弧氧化可在鈦合金表面原位形成結合力較好的氧化膜，但膜層較薄，耐磨性較差，并且微弧氧化一般在高壓下進行，容易在鈦合金零件表面產生燒傷痕跡，嚴重影響氧化膜的性能。電鍍可以根據不同的使用要求來選擇合適的工藝，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，給電鍍帶來較大的困難。趙立才等通過噴砂電鍍乳白鉻等處理，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］；劉玉敏等通過濕吹砂，在TC11表面得到結合力良好的銅鍍層和鍍銀層［9］；于海等通過對鈦合金進行活化、氫化處理，得到了結合力合格的鍍銅層，發(fā)現電鍍銅提高了鈦合金基體的導電性，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都包含吹砂工序，而對于含內腔、孔洞的零件，吹砂處理較難操作和實施。本文對TC4鈦合金試片進行化學除油、酸洗及活化處理后直接電鍍鎳，表征了鎳鍍層的表面形貌、結合力、顯微硬度和耐磨性，以期為鈦合金電鍍鎳航天產品的應用提供理論依據，也為其他領域鈦合金的電鍍前處理工藝提供參考。

1　鈦合金電鍍鎳工藝

試驗材料為TC4鈦合金試片，尺寸為50 mm × 50 mm × 2 mm，元素組成和質量分數為：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。所用試劑均為化學純。

工藝流程為：化學除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍鎳。

1. 1化學除油

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，時間30 m in。

1. 2 酸洗

氫氟酸20 g/L，硝酸45 g/L，室溫，時間3 ～ 15 s。

酸洗主要是為了清除鈦合金表面的氧化皮。為防止過腐蝕，表面經過機械加工的鈦合金產品需嚴格控制酸洗時間，在鈦合金表面出現均勻氣泡后2 s左右就應取出并進行水洗。

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，陽極活化添加劑B 5 g/L，pH 5.2，溫度55 °C，時間20 min，陽極為99.9%的鎳板。采用XRF2000鍍層測厚儀測得鎳層厚度約為5.1 μm。

2　鈦合金電鍍鎳層的性能

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，無結瘤、毛刺、漏鍍、起皮等缺陷。

圖1　TC4鈦合金表面Ni鍍層的照片Figure 1　Photo of Ni coating on sur face of TC4 alloy編者注：圖1原為彩色，請見C1頁。

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結合力

采用熱震試驗法，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，鎳鍍層沒有起皮、脫落等現象，說明其與鈦合金基體結合良好。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現電鍍鎳。

2. 3顯微硬度

使用北京時代之峰科技有限公司的HVS-100數字式顯微硬度計，加載力為0.98 N，加載時間為10 s，測得鈦合金基體和鎳鍍層的顯微硬度分別為310 HV和510 HV，說明電鍍鎳后鈦合金的顯微硬度提高至原來的1.6倍左右，鈦合金的抗劃傷能力將顯著增強。

2. 4耐磨性

采用濟南益華摩擦學測試技術研究所的MDW-02機械往復摩擦磨損試驗機測定干摩擦條件下鈦合金基體和鍍層的摩擦因數及磨損量，載荷25 N，頻率3 Hz，時間60 m in，對偶件為直徑6.35 mm的GCr15軸承鋼球，結果如圖3所示。

圖3　Ni鍍層及TC4鈦合金基體摩擦因數隨磨損時間的變化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機，需要對其進行吹干，短時間的空氣接觸使鈦合金表面形成一層薄氧化膜，因此在摩擦試驗前期主要是對氧化膜進行磨損，摩擦因數相對較低，影響了磨損初期鈦合金基體摩擦因數的測定，也在一定程度上影響了鈦合金基體的磨損量。摩擦試驗穩(wěn)定后，即對偶件接觸到鈦合金基體后，鈦合金基體的摩擦因數約為0.38，60 min后的磨損量為8.4 mg。

鎳鍍層的摩擦因數較穩(wěn)定，始終保持在0.2左右，60 m in后的磨損量為1.0 mg，說明鎳鍍層沒有被完全磨透，所測摩擦因數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品在轉運、裝配過程中的抗滑動磨損能力。

3　結語

相對于吹砂處理而言，采用化學活化法處理含內腔、孔洞的鈦合金零件，其操作更簡單。本工藝實現了對鈦合金活化處理后直接電鍍鎳，目前已在形狀簡單的產品上得到應用，也可為鈦合金電鍍功能性鉻、銅等的鍍前處理提供技術參考。

［1］ 孫志華， 劉佑厚， 張曉云， 等. 鈦及鈦合金的電鍍工藝述評［J］. 腐蝕與防護， 2005， 26 （11）: 493-496.

［2］ 陶春虎， 劉慶瑔， 曹春曉， 等. 航空用鈦合金的失效及其預防［M］. 北京: 國防工業(yè)出版社， 2002: 50-58.

［3］ 徐杰， 張春華， 張松， 等. 鈦合金表面防護技術及發(fā)展［J］. 鈦工業(yè)進展， 2003， 20 （3）: 17-21.

［4］ 孫志華， 劉佑厚， 張曉云， 等. 鈦及鈦合金的電鍍工藝述評［J］. 腐蝕與防護， 2005， 26 （11）: 493-496.

［5］ 唐恩軍， 劉智， 趙云強. 鈦合金化學鍍Ni-P合金工藝的研究［J］. 電鍍與環(huán)保， 2003， 23 （4）: 21-22.

［6］ 吳筱蘭， 李勇亭， 謝超英. 鈦合金陽極化工藝及膜層性能測試［J］. 洪都科技， 2009 （1）: 15-20.

［7］ 周慧， 劉正堂， 李爭顯， 等. 鈦合金表面微弧氧化膜及抗氧化性能的研究［J］. 稀有金屬材料與工程， 2005， 34 （11）: 1835-1838.

［8］ 趙立才， 高晶， 沙春鵬. TC2鈦合金表面電鍍雙層鉻工藝［J］. 電鍍與涂飾， 2014， 33 （21）: 919-921.

［9］ 劉玉敏， 李鵬， 李任和. 鈦合金鍍銅、鍍銀工藝［J］. 電鍍與涂飾， 2015， 34 （1）: 30-33.

［10］ 于海， 李云飛， 王志煜， 等. TC2鈦合金電鍍銅的應用［J］. 腐蝕與防護， 2015， 36 （5）: 432-434.

［ 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，高級工程師，研究方向為金屬腐蝕與防護。

作者聯系方式：（E-mail） zousonghua2005@sina.com，（Tel） 010-88033396。