提高钛合金零件镀铬结合力

杨 鹏， 赵金航， 王 娟

(中航飞机股份有限公司长沙起落架分公司，湖南长沙 410200)

引 言

钛及钛合金是非常活泼的金属，由于表面容易生成一种自然的氧化膜，很难获得结合力良好的镀层。钛合金耐腐蚀性能优异，中温性能好，目前在各个领域特别是航空工业上得到应用。但是由于钛及钛合金耐磨性能差，表面易擦伤，限制了钛及钛合金的应用范围，为此，通过电镀铬可以提高表面硬度及耐磨性。近年来钛合金零件镀铬在工业上的应用，经对国内几大航空制造业统计，钛合金镀铬产品合格率不足50%。为了提高镀铬产品的合格率，对常见故障环节分析，通过实验对比研究，找准导致结合力差的原因，进行了工艺方法改进。通过生产验证，提高了镀铬层与钛合金基体的结合力，使钛合金镀铬产品合格率提高。

1 技术指标

钛及钛合金镀铬层技术质量要求为:

1)镀层外观。铬层外观为均匀一致乳白色，光滑，无鼓泡、无起皮;

2)厚度。硬铬铬层厚度达到工程镀铬厚度要求，δ为21～48μm;

3)结合力。镀硬铬后分别采用不同方法的结合力试验，更为严格的控制镀层结合力。

a.依据Q/J11-3046-2002《钛合金电镀铬工艺》要求进行磨削法;

b.依据转包BAC5709《电镀铬》的要求进行錾击法;

c.依据HB5041的要求进行加热法、弯曲法。

4)硬度。硬度按照ASTM E384检测，铬层硬度值不小于700HV。

2 方案设计

钛合金镀铬工艺流程为:

喷砂→除油→水洗→氢化→水洗→镀乳白铬→水洗→干燥→检验→真空热扩散→水吹砂→除油→水洗→镀硬铬→水洗→干燥→检验。

按照工艺流程进行分析。在生产过程中，铬层出现鼓泡、起皮和脱落的现象主要出现在镀乳白铬和真空热扩散后。因此镀乳白铬前的氢化、真空热扩散工序及乳白铬层的厚度是导致铬层质量低的主要环节，也是实验的主要方向。

3 实验及结果分析

3.1 氢化处理对镀铬层质量的影响

氢化处理是为了在钛合金表面形成钛氢化合物膜层，以提高钛合金与铬镀层的结合力。确定氢化处理液对氢化处理质量影响最佳参数。

实验方案。用4个1000mL的烧杯新配置氢化溶液，分别将2、3、4和5dm2的试件进行氢化处理，通过不同面积试件氢化处理后，对零件表面状态进行对比，验证氢化液的使用极限。

氢化液配方［1］及操作条件:

硫酸(ρ=1.84g/mL) 650mL

盐酸(ρ=1.19g/mL) 350mL

θ 18～25℃t 60～90min

经氢化处理后试件外观说明。

2dm2试件氢化处理后，外观呈深黑灰色，表面深黑灰色膜层致密、均匀;

3dm2试件氢化处理后，外观呈深黑灰色，表面深黑灰色膜层致密、均匀，但相比2dm2试件颜色稍浅，略带淡紫色;

4dm2试件氢化处理后，外观呈黑灰色，明显比2和3dm2试件色泽浅，但膜层致密、均匀;

5dm2试件氢化处理后，外观黑灰色明显变浅，生成膜层有不连续现象。

将4种氢化处理后的试件立即进行乳白铬电镀，其镀后外观分析。

2和3dm2氢化处理试件乳白铬外观表面颜色均匀一致，乳白色，光滑、无鼓泡和起皮现象;

4dm2氢化处理试件镀铬后呈乳白色，5dm2氢化处理试件镀铬后镀层颜色发黑，颜色差于4dm2处理试件，表面有大量细小鼓泡现象，氢化质量不合格。

通过以上对比实验，说明在氢化处理中1L氢化溶液，最多可处理3dm2钛合金零件，可得到结合力较好的钛氢化合物膜层，有利于提高镀硬铬层的结合力。

3.2 吹砂工序对乳白铬层厚度的影响

按照加工工艺流程，镀乳白铬层真空热扩散后需要水吹砂，然后镀硬铬。吹砂采用机械方法，对乳白铬层有影响。经分析吹砂工序有可能造成乳白铬层的损失，使基体表面无乳白铬底层，造成镀硬铬质量不合格。

将试件镀乳白铬后，对不同铬层吹砂前后铬层厚度损失进行检查，结果如表1所示。

表1 试片吹砂前后镀层厚度损失试验

由表1对通过吹砂前后试片尺寸分析:

a.吹砂对乳白铬层单面δ减小7～10μm;

b.要达到表面光滑，颜色一致，无鼓泡、起皮的铬层，应控制乳白铬镀后δ为15～25μm之间，保证吹砂后乳白铬层δ为5μm以上;

c.选取吹砂后，乳白铬层δ在5μm及以下试件进行金相分析。

使用ZEISS显微放大镜(德国)，在200倍下观察试片表面形貌，如图1所示。

图1 乳白铬层吹砂后金相照片

由图1显示，由于乳白铬层厚度不足，经吹砂处理后，局部乳白铬层脱落损失，造成镀硬铬层结合力不良。为了保证吹砂后乳白铬层完整，乳白铬层δ需控制在15～25μm。

3.3 硬铬层结合力试验

根据上述三个重点工序的实验分析，对零件经乳白铬电镀、真空热扩散和镀硬铬后进行结合力试验。

1)弯曲法。将试样用钳子夹紧，使弯曲直径与试样厚度相当，反复弯曲180°，直至基体金属折断;在放大5倍的条件下检查断口和相邻区域，镀层与基体金属不分离为合格，在放大镜下观察到镀层龟裂属于合格;镀层与基体金属分离、镀层起皮或脱落均为不合格［2］。试样外观见图2和图3。

图2 弯曲法测试前试件硬铬层外观

图3 弯曲法测试后试件断裂端面外观

由图2、图3显示，通过弯曲法对铬层结合力检查后，镀层无起皮、剥离，结合力合格。按产品技术要求对硬铬试件进行硬度检查［3］，测试结果见表2。其值均大于700HV，硬铬层硬度合格。

表2 弯曲法结合力测试结果

2)磨削法。使用MG1432A高精外圆磨床磨削铬层，目视或在放大5倍的条件下检查磨削表面，镀层与基体金属不分离、无镀层起皮或脱落时，镀层结合力合格［2］。试样外观见图4和图5。

图4 磨削法测试前试件硬铬层外观

图5 磨削法测试示意图

通过磨削法对结合力试件检查后，镀层无起皮、剥离现象，结合力合格，对铬层硬度检查［3］，其值均大于700HV，硬铬层硬度合格。测试结果见表3。

表3 磨削法结合力测试结果

3)錾击法。錾刀刀尖应紧贴在镀层/基体金属界面上，用一个0.45kg的非弹性塑料头的锤子錾切镀铬层，肉眼检查断裂区，若开裂区域有超过60%的电沉积铬层，则认为镀层结合力可接受，在錾刀冲击位置处要求基体金属局部暴露［5］。测试结果见图6和表4。

图6 錾击法测试试件硬铬层外观

表4 錾击法结合力测试结果

4)加热法。将錾击法试件在空气炉中加热至300℃，保温1h，在水中冷却。检查铬层是否脱落。测试结果见图7。

图7 加热法测试试件检测示意图

通过加热法对结合力试件检查，铬层无起皮、剥离现象，结合力合格，对铬层硬度检查［3］，其值均大于700HV，硬铬层硬度合格。

通过以上四种不同的结合力试验验证，镀层结合力均合格。

4 结论

经过多项工艺试验探索，分析了预处理氢化溶液参数对乳白铬层的质量影响，在乳白铬层上防止了吹砂对铬层厚度的损失，通过真空热扩散使乳白铬层与钛合金机体表面进行了组织扩散，更好的保证了乳白铬层的结合力，为后续的硬铬沉积打好了底层。经过各项结合力试验验证均满足铬层技术要求，为钛合金零件的铬层结合力的提高具有重要的指导意义。

［1］ 孙志华.Q/J11-3046-2002，钛合金电镀铬工艺［S］.

［2］ 卜建亮.HB 5041-1992铬层质量检测［S］.

［3］ ASTM E384，材料的努氏硬度和维氏硬度的标准测试方法［S］.

［5］ BAC5709 T，电镀硬铬［S］.