耿育科，郭初陽，齊江江，方 磊，劉貢平

(1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089；2.中國人民解放軍駐西安飛機工業(yè)公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

近幾年，鈦合金零件被越來越多地應用于航空航天、艦船制造等領域，但隨著不斷地應用，材料基體腐蝕問題逐漸顯現(xiàn)[1-2]。電鍍鎘工藝是借電解作用，在鈦合金零件表面上沉積一層鎘，隨著工藝技術的不斷完善，電鍍鎘工藝已經(jīng)運用在船舶機件、航海儀器、儀表和緊固零件的批量生產(chǎn)中。在實際生產(chǎn)過程中，電鍍鎘技術要求較高，特別是鈦合金零件表面電鍍鎘工藝在國內(nèi)應用較少，而且涉及氰化物等劇毒物質(zhì)的使用，因此在制造過程中必須進行嚴格質(zhì)量控制，以得到質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

1 工藝通用要求

鈦合金零件電鍍鎘工藝使用的電鍍槽應具有連續(xù)過濾功能，過濾器系統(tǒng)應能使可溶性的鈦進入鍍槽，并且每小時的過濾量應為鍍液總體積的2～4倍。過濾器濾芯面積為14.7 dm2，100 L電鍍槽、過濾器以及連接管路等所有連續(xù)接觸鍍液的表面應采用不影響電鍍零件的低氫脆特性材料制造。其他所有盛裝槽液的槽子應采用鋼槽體內(nèi)襯軟聚氯乙烯薄板的結構形式或其他耐槽液腐蝕材料制成，并且能夠保證長期使用不腐蝕槽體。需要加熱的槽子應有溫度指示和控制裝置。零件貯存槽、酸性活化槽、電鍍槽、鉻酸出光槽以及鈍化槽都應配有槽邊抽風裝置，其中零件貯存槽和電鍍槽還應加裝槽蓋。電流表讀數(shù)應易讀取，且在要求電鍍范圍內(nèi)讀數(shù)精確到指示電流的±5%以內(nèi)。測量厚度應采用精度等于或高于被測厚度10%的方法進行。

電鍍前零件表面應干凈整潔，對于有嚴重油污的零件，可使用有機溶劑除去表面油污。電鍍應在所有基體金屬熱處理和機械操作完成后進行。開始操作之前，應檢查設備和所需溶液是否處于合格狀態(tài)，確認合格后應對電鍍?nèi)芤哼M行攪拌，使溫度梯度和濃度梯度最小化。除有機溶劑清洗外，零件在除油和活化之后必須獲得水膜連續(xù)表面。為確保鍍層的完整性和厚度要求，可采用輔助陽極對孔深和內(nèi)徑之比>1∶1的通孔或>0.5∶1的盲孔進行電鍍。允許將流過鍍槽、外陽極和內(nèi)陽極的電流分開調(diào)節(jié)，以保證內(nèi)孔具有適當?shù)碾娏髅芏?。電鍍時使用的鎘陽極板在停止電鍍操作后應及時從電鍍槽液中取出、清洗干凈，并放置到干凈的、不被污染的地方。零件在水中的清洗時間應≤2 min，最終漂洗槽的最大總固溶物含量應≤1 000 ppm。酸性和堿性溶液不能使用同一個漂洗槽。

按水質(zhì)指標將表面處理用水的純度分為以下等級：Ⅰ級(可溶性固體總含量≤10 ppm)、Ⅱ級(可溶性固體總含量≤50 ppm)和Ⅲ級(生活飲用水)。各主槽溶液配制用水需選用Ⅰ級水；各輔助槽(如堿槽、酸槽和鹽槽等)配制用水、鈍化后的最終清洗用水應選用Ⅱ級水；其余用水選用Ⅲ級水。零件入鍍鎘鈦槽后，應立即通電對電流密度進行監(jiān)視和測量，并進行記錄。工藝涉及的某些材料是有劇毒和腐蝕性的，須防止其與眼睛、皮膚和衣服直接接觸。工作之前應穿戴好防護用品，打開抽風，以免在場人員吸入有毒物質(zhì)的氣霧。操作者在零件生產(chǎn)過程中應注意通風，同時應遵守有關的安全操作規(guī)程。

2 工藝流程參數(shù)

鈦合金零件電鍍鎘典型工藝流程如下：預清洗→消除應力→堿清洗→溫水洗→流動冷水洗→干燥→保護→吹砂→裝掛→流動冷水洗→活化→流動冷水洗→電鍍鎘→流動冷水洗→鉻酸清洗→流動冷水洗→干燥→去除保護層并卸掛→刷鍍→烘烤→堿清洗活化及清洗→鉻酸鹽鈍化→流動冷水洗→干燥→包裝。具體說明及參數(shù)選取如下。

1)預清洗。根據(jù)零件的表面狀態(tài)，用有機溶劑進行手工溶劑清洗，以去除零件上的嚴重油污。

2)消除應力。進行消除應力處理。

3)堿清洗。槽液成分及工藝參數(shù)見表1。

表1 槽液成分及工藝參數(shù)

4)溫水洗。采用溫度為40～60 ℃的水沖洗1～3 min。

5)流動冷水洗。采用室溫的水沖洗至少5 min，冷水洗后零件表面應水膜連續(xù)。

6)干燥。用壓縮空氣吹干。

7)保護。需要局部電鍍的零件，采用3M的470#膠帶或可剝保護涂料AC-850進行保護，浸入槽液中的掛具也應進行保護。

8)吹砂。進行干法吹砂，在原始記錄上注明吹砂結束時間。零件吹砂后若不采取防護，在室溫下可保存1 h；零件吹砂后若使用中性牛皮紙進行包裝防護，在室溫下可以保存6 h。在1 h內(nèi)將零件浸泡在表2所規(guī)定的零件貯存溶液中，直到準備放入電鍍槽中為止，最長存貯時間為4 h。應確保吹砂過程中零件保護的完整性，對于保護損傷區(qū)域應重新進行保護。

表2 溶液成分

9)裝掛。裝掛零件應避免在電鍍過程中產(chǎn)生氣體滯留且便于排液，應使零件的電連接牢固可靠，防止產(chǎn)生電弧。

10)流動冷水洗。在室溫下采用流動水沖洗1～2 min。

11)活化。槽液成分及工藝參數(shù)見表3。表3中，當零件開始形成氣泡時，立即取出零件，在2 min內(nèi)轉(zhuǎn)至下道工序。

表3 槽液成分及工藝參數(shù)

12)流動冷水洗。根據(jù)零件大小，在室溫下用流動冷水洗10～360 s，并在120 s內(nèi)轉(zhuǎn)入下道工序。流動冷水洗后零件表面應水膜連續(xù)。

13)電鍍鎘。鍍鎘槽液成分及工藝參數(shù)見表4。

表4 電鍍鎘槽液成分及工藝參數(shù)

電鍍鎘工藝的具體要求如下。

a.沖擊電流密度為3.5～10.7 A/dm2，最小沖擊時間為10 s(見表5)。

表5 沖擊電流密度及時間

b.正常電鍍時應在2.2～3.7 A/dm2電流密度范圍內(nèi)進行電鍍。

c.為獲得滿意的覆蓋率，必要時可間斷電鍍過程，重新裝掛零件。

d.對于不能正常裝掛的大零件，可以先用輔助陽極進行局部沖擊電鍍使裸露夾具印獲得100%覆蓋率，再進行正常電鍍。對已電鍍的區(qū)域可以不進行局部沖擊電鍍。輔助陽極的尺寸應合適并牢固固定，避免移位和過度沖擊鍍。

e.鍍層厚度為12.7 μm的近似電鍍時間見表6。

表6 沉積約12.7 μm厚鍍層所需時間

f.在陰極電流密度<2.2 A/dm2下電鍍時，將會增加非針孔性鍍層的趨勢，這可能導致基體的氫脆性；對于表面面積>140 dm2的零件，在6.46 A/dm2以上的電流密度下，最大的沖擊電鍍時間可以延長至30 s。

14)流動冷水洗。在室溫下采用流動水沖洗1～10 min。

15)鉻酸清洗。鉻酸槽液成分及工藝參數(shù)見表7。

表7 鉻酸槽液成分及工藝參數(shù)

16)流動冷水洗。在室溫下采用流動冷水洗1～2 min。

17)干燥。流動冷水洗后5 min內(nèi)開始用壓縮空氣吹干。

18)去除保護層并卸掛。去除鈦合金零件保護層并將零件從掛裝上拆除。

19)刷鍍。對裝掛、重新裝掛或輔助陽極電鍍?nèi)赃_不到電鍍要求的夾具印、接觸部位等表面進行刷鍍鎘修復。

20)烘烤。電鍍后4 h內(nèi)對鈦合金零件進行烘烤除氫。

21)堿清洗活化及清洗。按上述3～5工序操作。

22)鉻酸鹽鈍化。鉻酸鹽鈍化槽液成分及工藝參數(shù)見表8。

表8 鉻酸鹽鈍化槽液成分及工藝參數(shù)

23)流動冷水洗。在室溫下用流動冷水洗1～2 min。

24)干燥。流動冷水洗后5 min內(nèi)用壓縮空氣吹干。

25)包裝。檢驗合格的零件應立即使用中性包裝紙進行包裝保護處理。

3 工藝質(zhì)量檢驗

3.1 一般要求

所有操作人員應經(jīng)過培訓并持有操作合格證。用于產(chǎn)品檢驗的場地應與生產(chǎn)場地隔離開，防止成品、在制品和拒收品的混淆。產(chǎn)品檢驗場地應干凈、整潔，不能使產(chǎn)品在檢查過程中遭受污染。檢驗場地應配備檢驗平臺，平臺上應襯有軟墊，軟墊應保持清潔。檢驗平臺上應有足夠的照明設備，無論采用天然散射光或無反射光的白色透射光，光的照度應≥300 lx；如果采用日光燈照明，需要40 W日光燈距檢驗臺面在500 mm范圍內(nèi)。

3.2 外觀要求

裸眼檢查時，要求鍍層應為黯淡、連續(xù)、光滑、細致的結晶，而且無氣泡、凹坑、結瘤、片狀或燒傷跡象，無不良的接合。無光澤的外觀是合格的標準，零件表面色彩可以不要求均勻一致，經(jīng)鉻酸鹽鈍化處理后，表面膜應粘附良好，并無粉末狀。

3.3 厚度要求

除裝掛印、夾具接觸點外，最小鍍層厚度應為12.7 μm。鍍層厚度要求僅適用于直徑為20 mm的球能接觸到的可見表面，并且所有的可見表面應完全被鍍層所覆蓋。厚度測量應在烘烤和輔助處理完成之后的鍍層上進行。除正常的高陰極電流密度區(qū)域外，最大鍍層厚度應為20 μm。

3.4 接合力要求

對電鍍表面進行膠帶試驗，包括凹處和可達到的內(nèi)孔。目視檢查零件的試驗表面和膠帶的膠粘劑表面時，應無起泡或片狀剝落。

3.5 鈦含量檢查

鈦含量的分析周期按下述要求控制：1)如果通過分批添加過氧化氫來維護鈦含量，則每電鍍8 h應分析1次；2)如果電鍍生產(chǎn)間斷超過168 h，則電鍍之前應分析1次；3)在開始電鍍零件之前，應使鍍層鈦含量和電鍍?nèi)芤衡伜慷歼_到合格值。

鍍層鈦含量及電鍍?nèi)芤衡伜繖z測方法如下：取2塊外形尺寸為50 mm×50 mm×(0.08～0.12) mm的銅箔，用有機溶劑進行手工溶劑清洗，將銅箔電鍍鎘至鍍層厚度大約為13 μm，對銅箔進行漂洗、干燥，并稱重精確到0.1 mg。在15.6～35 ℃的溫度下，分別用50 mL退除鍍層溶液(退除鍍層溶液由6%的硫酸和2%的硝酸組成)退除每個銅箔上的鍍層，當鍍層被完全退除時，立即從酸中取出銅箔，對銅箔進行漂洗、干燥，并稱重使精確到0.1 mg。分析上述退除溶液中的鈦含量，并從鍍層的質(zhì)量和溶液中鈦的量計算鍍層鈦含量，鈦含量為0.1%～0.7%為合格，電鍍?nèi)芤褐锈伜繛?5～97 ppm為合格。

3.6 氫脆性考核

氫脆性的試驗周期按下述要求控制。

1)用于連續(xù)生產(chǎn)的鈦合金電鍍鎘，每7個日歷天應至少進行2次測氫儀試驗。

2)對于下列情況應在電鍍當天進行測氫儀試驗：a.在過濾器中每次填料之后；b.在每次處理碳酸鹽之后；c.設備進行了更改；d.非連續(xù)的電鍍產(chǎn)品(自最后一次測氫儀試驗已超過3個工作日)；e.經(jīng)過處理的曾被污染的槽液；f.初次電鍍的產(chǎn)品。

4 工藝試驗驗證

選取4130低合金鋼或30CrMnSiA材料作為工藝試驗試樣，將工藝試驗試樣電鍍鎘至鍍層厚度為13～18 μm，在200 ℃環(huán)境下用烘箱烘烤12 h，然后進行鉻酸鹽鈍化處理，最后檢測鍍層接合力和試樣耐蝕性。

4.1 鍍層接合力檢測

選取2塊外形尺寸為25 mm×100 mm×(0.8～1.5) mm的試驗試樣，將試樣用鉗子夾緊，使彎曲直徑與試樣厚度相當，反復彎曲，直至基體金屬折斷。在放大5倍的條件下檢查斷口和相鄰區(qū)域，鍍層與基體金屬不分離為合格，在放大鏡下觀察到鍍層龜裂屬于合格；鍍層與基體金屬分離、鍍層起皮或脫落為不合格。鍍層接合力試驗至少每月進行1次檢測。

4.2 耐蝕性檢測

選取2塊外形尺寸為100 mm×150 mm×(0.8～1.5) mm的試驗試樣。鈍化膜層在室溫老化24 h后，進行連續(xù)暴露96 h的鹽霧試驗。鹽霧試驗后，如果既不出現(xiàn)鍍鎘層腐蝕的白色產(chǎn)物，也不出現(xiàn)基體腐蝕的紅褐色產(chǎn)物，則判為合格；如果在正常觀察距離出現(xiàn)用裸眼可見腐蝕產(chǎn)物，則判為不合格。耐蝕性試驗至少每2個月進行1次。