楊紅超;張曉再

(海軍駐平壩地區(qū)航空軍事代表室，平壩561102)

摘要：為做好鈦合金的表面處理，我們需要對(duì)鈦合金的工藝有一個(gè)全新的了解，通過(guò)鈦合金的化學(xué)鍍鎳的研究，可以給鈦合金表面處理指明了一個(gè)方向，即可將鎳層作為鈦合金表面電鍍中的中間鍍層，從而提高各種鈦合金電鍍的結(jié)合力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍鎳;結(jié)合力;鈦合金;活化處理;粗化處理

中圖分類號(hào)：TG27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311(2011)14-0046-02

0·引言

鈦及其合金由于具有質(zhì)輕、剛度大、耐蝕性強(qiáng)等特性，廣泛應(yīng)用航空、航天、化工以及民用行業(yè)中，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用鈦合金材料可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量從而提高推重比。但它本身存在易磨損、高溫下易氧化、硬度低、與其它金屬接觸共存時(shí)會(huì)產(chǎn)生危害很大的接觸腐蝕等缺陷，為了滿足應(yīng)用需要就必須對(duì)其加以表面改性，來(lái)克服這些缺陷，電鍍是完成這一過(guò)程的有效方法之一。鈦的標(biāo)準(zhǔn)電位E0為-1.628V(SHE)，其化學(xué)活性相當(dāng)高，在空氣中自然氧化，表面被一層氧化膜覆蓋，妨礙了金屬鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。如果將這層膜除去，它會(huì)立即重新形成，所以要想得到有良好結(jié)合強(qiáng)度的鍍層，必須要消除這層膜的影響。

1·工藝流程

裝掛→化學(xué)除油→清洗→粗化處理→清洗→酸洗→活化處理→清洗→化學(xué)鍍鎳

2·工藝說(shuō)明

2.1裝掛由于鈦合金零件鍍銅時(shí)采用的是銅絲裝掛零件，所以，初步化學(xué)鍍鎳試驗(yàn)時(shí)選用過(guò)銅絲進(jìn)行裝掛。但是，用銅絲裝掛的零件在第二步活化處理中效果不好，鈦合金零件表面生成了一層灰黑色的氟基薄膜，對(duì)后需的化學(xué)鍍鎳有所影響。在化學(xué)鍍鎳的過(guò)程中，零件表面的灰黑色氟基薄膜有脫落現(xiàn)象，化學(xué)鍍鎳的沉積速度很慢，大約經(jīng)過(guò)了15分鐘左右，零件局部表面才有鎳層，并且大多零件表面的鎳層都有局部發(fā)黑現(xiàn)象，懷疑是氟基薄膜的脫落造成的。化學(xué)鍍鎳時(shí)間結(jié)束后，對(duì)零件的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，可以看出，用銅絲裝掛的零件化學(xué)鍍鎳后，鎳層粗糙，為灰黑色，基本沒(méi)有光澤，并大多零件表面的鎳層都有局部發(fā)黑現(xiàn)象。

考慮到化學(xué)鍍鎳中所需要的誘發(fā)反應(yīng)，因此，我們選擇了不銹鋼絲進(jìn)行零件的裝掛。由于Cu標(biāo)準(zhǔn)電位E0為0.153V(SHE);Ni標(biāo)準(zhǔn)電位E0為-0.250V(SHE);Fe標(biāo)準(zhǔn)電位E0為-0.441V(SHE);F標(biāo)準(zhǔn)電位E0為2.87V(SHE)由于零件在第二次活化處理后，零件表面形成了一層氟基薄膜，故我們以F的標(biāo)準(zhǔn)電位近似于零件第二次活化處理后的電解電位)。因?yàn)殂~和氟的電極電位較正，沒(méi)有自催化作用，所以我們用銅絲裝掛，就很難在化學(xué)鍍鎳中形成短路電池，化學(xué)鍍鎳的沉積速度將很緩慢。用不銹鋼絲裝掛，可使作為陰極部分的表面首先沉積鎳層，致使化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)得以順利進(jìn)行。采用不銹鋼絲也有一定好處，既零件進(jìn)行酸洗時(shí)不至于松動(dòng)和脫落。用不銹鋼絲裝掛零件后經(jīng)過(guò)的工藝路線如上。在第二步活化處理時(shí)，零件表面的光澤得到了保護(hù)，沒(méi)有生成灰黑色的氟基薄膜?；瘜W(xué)鍍鎳時(shí)，沉積速度有所提高，大約經(jīng)過(guò)5分鐘左右，零件表面開(kāi)始沉積上鎳層。加工至終點(diǎn)時(shí)間，對(duì)零件表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，鎳層結(jié)晶細(xì)致，有光澤，為灰白色。

2.2化學(xué)除油鈦合金材料一般采用化學(xué)除油的方法。如果采用電解除油，陰極除油時(shí)易滲氫，陽(yáng)極除油時(shí)易被鈍化。在陰極時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)為：2H2O+2e→H2+2OH，H2進(jìn)入金屬晶格造成滲氫，在陽(yáng)極發(fā)生的電極反應(yīng)為：2H2O+O2+4e→4OH-，鈦合金迅速與氧親合成穩(wěn)定、致密的鈍化膜層，造成電鍍困難。配方如表1。

2.3粗化處理鈦的標(biāo)準(zhǔn)電位E0為-1.628V(SHE)，可見(jiàn)它的化學(xué)活性相當(dāng)活潑，在空氣中能迅速與氧結(jié)合生成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的氧化皮，這層氧化皮由TiO2、TiO、Ti2O3等組成，穩(wěn)定性極高，并永久覆蓋在基體上，它妨礙金屬鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。這層氧化皮能否去除徹底直接關(guān)系到后續(xù)電鍍加工能力，關(guān)系到鍍層質(zhì)量?？紤]到鈦合金零件經(jīng)過(guò)了機(jī)械加工，表面在機(jī)加高溫狀態(tài)下易產(chǎn)生一層至密的氧化膜，為此，我們選擇了近似堿崩工藝的方法對(duì)零件進(jìn)行第一道除膜。配方如表2。

由于在高溫狀態(tài)下，鈦合金零件在上述槽液中，NaOH會(huì)以溶液狀態(tài)粘覆在零件表面。出槽后迅速將零件放入冷水中，粘覆在零件表面的NaOH會(huì)結(jié)晶析出成為固態(tài)NaOH，從而可以對(duì)鈦合金零件表面的氧化膜有松動(dòng)和剝落作用。

2.4酸洗零件經(jīng)過(guò)了粗化處理后，表面的氧化膜相對(duì)變得不再緊密和連續(xù)，利于酸液的腐蝕。

2.4.1氫氟酸腐蝕(表3)

2.4.2混酸腐蝕(表4)

2.5活化處理鈦合金材料浸蝕除去鈍化膜后又會(huì)在新鮮表面迅速生成完整的新膜，所以為了保證鍍層與基體的良好結(jié)合，在浸蝕后還要進(jìn)行活化預(yù)處理，目的是在鈦合金表面獲得直接進(jìn)行電鍍的表面狀態(tài)。根據(jù)多次活化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們先用氟基薄膜作為鍍層與基體之間的中間轉(zhuǎn)化層。工藝配方如表5。

在氟硼酸鹽處理過(guò)程中，鈦合金與之通過(guò)較復(fù)雜的機(jī)理在其表面生成一層極薄而且均勻的氟基薄膜，它阻止了鈦合金的進(jìn)一步氧化，并使基體得到活化，使被鍍的金屬能直接沉積于氟基薄膜上。這層薄膜與基體金屬結(jié)合好，又與鍍層金屬結(jié)合力好，所以，在實(shí)際操作過(guò)程中，一定要避免薄膜受到機(jī)械損傷，而且浸蝕清洗干凈后零件立即轉(zhuǎn)入活化槽液。

2.6化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍是在無(wú)電流通過(guò)時(shí)借助還原劑在同一溶液中發(fā)生氧化還原作用，從而使金屬離子還原沉積在零件表面上的一種鍍覆方法?；瘜W(xué)鍍鎳的反應(yīng)歷程如下：

上述還原反應(yīng)是周期地進(jìn)行的，其反應(yīng)速度取決于界面上的pH值。pH值較高時(shí)，鎳離子還原容易;而pH值較低時(shí)磷還原變得容易，所以化學(xué)鍍鎳層中含磷量隨pH值升高而降低。因此，在化學(xué)鍍鎳的過(guò)程中，對(duì)pH值的調(diào)節(jié)很重要，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，確定pH值基本在3～5之間為最佳。

鍍液溫度是影響化學(xué)鍍鎳沉積速度最重要的因素之一。沉積速度幾乎是隨溫度成指數(shù)地增大，為取得高的沉積速度，都盡可能使用較高的工作溫度。我們采用的配方為酸性鍍液，工作溫度低于70℃，則反應(yīng)不能進(jìn)行，一般需要75～85℃。但是溫度太高，沉積速度太快也會(huì)失控，導(dǎo)致亞磷酸鹽迅速增加，這樣會(huì)觸發(fā)鍍液的自分解。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，我們采用水浴加熱，保持鍍液的溫度在85℃左右為最佳。化學(xué)鍍鎳配方如表6。

在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中，零件需在化學(xué)鍍鎳溫度上限時(shí)下槽，需保證零件和夾具的緊密接觸;化學(xué)鍍鎳時(shí)，需勤晃動(dòng)零件，以使槽液的溫度及濃度在零件表面基本均勻，誘發(fā)反應(yīng)。

3·數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)了的上述說(shuō)明，我們將所經(jīng)過(guò)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表7)。

4·結(jié)合力檢查

4.1鍍后零件在恒溫箱中加溫到200±10℃，保持1h，然后取出立即放入冷水中驟冷，觀察鍍層未發(fā)現(xiàn)起皮現(xiàn)象。

4.2鍍后零件在除氫爐中進(jìn)行，溫度180～220℃，時(shí)間2h，出爐后觀察鍍層未出現(xiàn)鼓泡或起皮現(xiàn)象。

4.3將鍍后試片用鉗子夾緊，反復(fù)彎曲180℃，直至斷裂，觀察斷口未發(fā)現(xiàn)斷口未發(fā)現(xiàn)與基體分離。

5·結(jié)論

通過(guò)采取粗化與活化的處理方法，能較好的除去鈦合金零件表面的氧化膜，同時(shí)，生成一層利于化學(xué)鍍鎳的氟基薄膜;采用不銹鋼絲代替銅絲裝掛，能較好的誘發(fā)化學(xué)鍍鎳向正方向進(jìn)行反應(yīng);通過(guò)對(duì)溫度的試驗(yàn)，確定了在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中，在溫度上限時(shí)將零件下槽，能較好的使零件的反應(yīng)得到保證。