楊志業(yè)，王進(jìn)軍，胡遐林，耿莽河，李 陽(yáng)

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110850；2.武漢材料保護(hù)研究所有限公司，湖北 武漢 430030)

0 前 言

鋅鎳合金鍍層的耐蝕性比鍍鋅層高，電位與鍍鎘層接近，具有良好的性價(jià)比、低污染性和低氫脆性，作為替代鍍鎘工藝，已廣泛應(yīng)用于民用航空產(chǎn)品中[1-4]。研究[5]表明堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能較好，可以代替無(wú)氰鍍鎘鈦工藝用于高強(qiáng)鋼的表面防護(hù)，但目前對(duì)鍍鋅鎳工藝氫脆性能的研究多集中在其與鍍鎘、鍍鎘鈦等傳統(tǒng)工藝的氫脆性能比較，試驗(yàn)方法多采用缺口圓棒拉伸試驗(yàn)方法，對(duì)堿性鍍鋅鎳工藝自身氫脆性能影響因素的研究較少。

目前航空工業(yè)企業(yè)常用測(cè)試槽液氫脆性能的方法為缺口圓棒拉伸試驗(yàn)和測(cè)氫儀法[6，7]，多數(shù)企業(yè)采用缺口圓棒拉伸試驗(yàn)檢測(cè)電鍍工藝氫脆性能，但其需進(jìn)行200 h拉力試驗(yàn)，時(shí)間較長(zhǎng)，往往僅給出定性結(jié)論，難以全面反映鍍層氫脆性能。測(cè)氫儀是一種定量地測(cè)量電鍍時(shí)氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器，能更為方便地比較槽液成分對(duì)氫脆性能的影響，本工作率先采用測(cè)氫儀試驗(yàn)方法對(duì)堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，研究了槽液成分對(duì)堿性鍍鋅鎳氫脆性能影響，并對(duì)堿性鍍鋅鎳溶液控制提出了建議。

1 試 驗(yàn)

1.1 測(cè)氫儀試驗(yàn)原理

測(cè)氫儀是利用一種鐵殼電子管作為探頭進(jìn)行電鍍，電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的一部分氫原子透過(guò)鍍層和管壁滲入電子管內(nèi)，使管內(nèi)真空度降低，并將滲氫引起真空度的變化轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。通過(guò)測(cè)氫儀在電鍍測(cè)試過(guò)程中所記錄的曲線可獲得氫脆傾向測(cè)試結(jié)果。探頭電鍍后，在烘箱中烘烤，在鍍層和管壁吸收的氫擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，出現(xiàn)氫峰值HP。此后管內(nèi)氫通過(guò)管壁和鍍層向外擴(kuò)散，氫壓電流曲線下降的速度與鍍層的氫可滲透性直接相關(guān)，因此規(guī)定曲線從最高點(diǎn)HP降到1/2HP所需要的時(shí)間為λ值(以s為單位)。HP表示鍍層與基體吸氫量，HP值越小表示鍍層氫脆危險(xiǎn)越小，λ表示鍍層的氫可滲透性，λ值越小，表示鍍層氫脆危險(xiǎn)越小。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前預(yù)熱測(cè)氫儀24 h，試驗(yàn)前30 min打開(kāi)烘箱。檢查烘箱溫度，試驗(yàn)前檢查表盤(pán)儀表零點(diǎn)和滿刻度。

試驗(yàn)前用輔助加熱器烘烤探頭至指示燈熄滅，待探頭冷卻后稱(chēng)重。用膠帶屏蔽探頭，確保僅露出探頭待電鍍窗口。用噴砂設(shè)備以三氧化鋁干燥磨料對(duì)探頭表面噴砂，拆下膠帶，要保證不觸及待電鍍窗口表面，用軟毛刷子掃除磨料。目視檢查窗口表面清潔度，稱(chēng)重檢查噴砂對(duì)電鍍窗口基體去除量，確保完全清除基體表面氧化物，噴砂前后減少質(zhì)量應(yīng)為(40±10) mg。

1.3 探頭標(biāo)定

用標(biāo)定溶液(50 g/L NaCN，50 g/L NaOH)對(duì)探頭進(jìn)行陰極充氫180 s，然后水洗、丙酮洗，濾紙吸干，并將探頭置于烘箱中烘烤。用測(cè)氫儀自動(dòng)記錄氫壓電流隨時(shí)間變化的曲線，并顯示氫峰值HPC和λC值，當(dāng)曲線衰減到1/2HP后結(jié)束標(biāo)定，記錄HPC和λC值。

1.4 氫脆性能測(cè)試

缺口圓棒拉伸試驗(yàn)：按ASTM F519“電鍍涂覆工藝和應(yīng)用環(huán)境機(jī)械氫脆評(píng)定試驗(yàn)方法”采用UH-F1000KNI液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。采用3根1a1型試樣在其最高載荷75%下進(jìn)行200 h拉伸試驗(yàn)，有1根試樣斷裂或在10倍放大鏡下檢查出現(xiàn)裂紋即為不合格。

測(cè)氫儀試驗(yàn)：按1.2、1.3節(jié)完成試驗(yàn)準(zhǔn)備后，將探頭放入電纜插座內(nèi)，用生料帶纏繞探頭基部及電纜裝置的螺紋，擰緊螺帽。檢查電鍍電流的接通。在冷水中清洗探頭30 s，再用去離子水沖洗探頭。將探頭放入鍍鋅鎳槽液[6.5～8.0 g/L Zn2+、0.7～1.5 g/L Ni2+、80～130 g/L NaOH，100～120 mL/L配位劑NZ-71，0～0.5 mL/L NZ-73(光亮劑)，25 ℃，2 A/dm2]，以不銹鋼棒為陽(yáng)極，接通電源電鍍900 s，然后水洗、丙酮洗，濾紙吸干，并將探頭置于烘箱中烘烤。測(cè)氫儀自動(dòng)記錄氫壓電流隨時(shí)間變化的曲線，并顯示氫峰值HPP和λP值，當(dāng)曲線衰減到1/2HP后結(jié)束標(biāo)定，記錄HPP和λP值。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

按如下公式計(jì)算HPPC數(shù)值及λPC數(shù)值，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

式中HPPC—— 電鍍測(cè)試結(jié)果用探頭標(biāo)定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化處理后的HP值

HPP—— 電鍍測(cè)試時(shí)測(cè)得的HPP值

HPC—— 探頭標(biāo)定測(cè)得的HPC值

式中λPC—— 電鍍測(cè)試結(jié)果用探頭標(biāo)定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化處理后的λ值，s

λP—— 電鍍測(cè)試時(shí)測(cè)得的λ值，s

λC—— 探頭標(biāo)定測(cè)得的λ值，s

λ0—— 探頭測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)λ值，40 s

2 結(jié)果與討論

2.1 光亮劑濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能的影響

因光亮劑直接影響到鍍層結(jié)晶細(xì)致程度及鍍層外觀，進(jìn)而影響到鍍層氫可滲透性，故先研究了光亮劑濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能的影響。鍍鋅鎳槽液成分：8 g/L Zn2+、1.5 g/L Ni2+、105 g/L NaOH，100 mL/L配位劑NZ-71。結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)不添加光亮劑時(shí)，鍍層存在微裂紋結(jié)構(gòu)，氫可滲透性性能良好，雖不滿足氰化鍍鎘鈦(λPC<80 s)氫可滲透性性能指標(biāo)，但可滿足無(wú)氰鍍鎘鈦氫可滲透性性能指標(biāo)(λPC<140 s)[7，8]，鍍鋅鎳層低氫脆機(jī)理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用[9，10]。添加光亮劑后，鍍層結(jié)晶細(xì)致，鍍層微裂紋急劇減少，基體中氫離子無(wú)法擴(kuò)散，鍍層氫可滲透性極差，鍍層結(jié)構(gòu)已不再具有低氫脆特性，此時(shí)鍍鋅鎳層低氫脆機(jī)理主要為鍍層成分作用，即鍍層中鎳吸氫而降低了基體的氫含量。當(dāng)NZ-73濃度大于0.5 mL/L時(shí)，鍍鋅鎳工藝氫脆性能無(wú)法通過(guò)缺口圓棒拉伸試驗(yàn)。

表1 光亮劑濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能的影響Table 1 Effect of brightener concentration on hydrogen brittleness of zinc-nickel coating

相比缺口圓棒拉伸試驗(yàn)，測(cè)氫儀試驗(yàn)僅考察鍍層氫可滲透性，如以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標(biāo)，其對(duì)鍍層的氫脆性能要求更高。但因鍍鋅鎳層低氫脆機(jī)理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用，是否應(yīng)以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標(biāo)還需更多比對(duì)試驗(yàn)確定。

對(duì)于航空產(chǎn)品電鍍，對(duì)鍍鋅鎳層的性能指標(biāo)要求主要為耐蝕性，而對(duì)鍍層的外觀要求不高。在不添加NZ-73光亮劑時(shí)，NZ-70系列堿性鍍鋅鎳溶液電鍍產(chǎn)品外觀性能也能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，僅光亮度稍差。因此NZ-70系列堿性鍍鋅鎳溶液用于高強(qiáng)度鋼等航空產(chǎn)品電鍍時(shí)，為杜絕氫脆隱患，應(yīng)不加入NZ-73光亮劑或嚴(yán)格控制NZ-73光亮劑的加入量。

2.2 其它成分濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能的影響

鑒于缺口圓棒拉伸試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高，采用測(cè)氫儀試驗(yàn)對(duì)其它成分濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能影響進(jìn)行了研究。

為確定NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝長(zhǎng)期使用條件下氫脆性能的變化，對(duì)堿性鍍鋅鎳溶液中鋅、鎳、氫氧化鈉、配位劑(NZ-71)濃度對(duì)鍍層氫脆性能影響進(jìn)行了四因素三水平試驗(yàn)(試驗(yàn)溶液中未添加NZ-73光亮劑)，并采用Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了田口分析，信噪比相應(yīng)表結(jié)果見(jiàn)表2。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，NaOH含量對(duì)鍍鋅鎳層氫可滲透性影響最大，配位劑NZ-71含量對(duì)鍍鋅鎳層氫可滲透性影響次之，Zn2+、Ni2+含量對(duì)鍍鋅鎳層氫可滲透性影響相近且較小。當(dāng)氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量較低，Zn2+、Ni2+含量較高時(shí)，鍍鋅鎳層氫可滲透性最好,這可能是因?yàn)榇藭r(shí)溶液中氫氧化鈉對(duì)Zn2+、配位劑對(duì)Ni2+配位能力相對(duì)較弱，電化學(xué)極化能力較弱，鍍層結(jié)晶相對(duì)較粗、致密性較低、存在較多微裂紋，進(jìn)而有利于電鍍后氫的析出。

表2 其它成分濃度對(duì)鍍鋅鎳氫脆性能影響Table 2 Effect of concentration of other components on hydrogen brittleness of Zinc-nickel coating

3 結(jié) 論

對(duì)于NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝，堿性鍍鋅鎳溶液中光亮劑NZ-73濃度對(duì)鍍層氫脆性能影響最大，在0.1 mL/L的光亮劑含量下，鍍層氫可滲透性就會(huì)顯著下降，但尚可通過(guò)缺口圓棒拉伸試驗(yàn)，在0.5 mL/L的光亮劑含量下，氫脆性能顯著下降，無(wú)法通過(guò)缺口圓棒拉伸試驗(yàn)，用于高強(qiáng)度鋼等航空產(chǎn)品電鍍時(shí)，為杜絕氫脆隱患，應(yīng)不加入NZ-73光亮劑或嚴(yán)格控制NZ-73光亮劑的加入量。

NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝，其余槽液成分對(duì)鍍層氫可滲透性影響的排序?yàn)镹aOH>NZ-71>Ni2+>Zn2+。當(dāng)氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量較低，Zn2+、Ni2+含量較高時(shí)，鍍鋅鎳層氫可滲透性最好。如需獲得氫可滲透性更好的鍍層，在保證鍍層其它性能的基礎(chǔ)上，宜將Zn2+、Ni2+含量控制在上限，將氫氧化鈉和配位劑NZ-71含量控制在下限。

如以λPC<140 s為判斷NZ-70系列堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能是否合格指標(biāo)，測(cè)氫儀試驗(yàn)相比缺口圓棒拉伸試驗(yàn)對(duì)鍍層的氫脆性能要求更高。為控制堿性鍍鋅鎳工藝氫脆性能，可采用測(cè)氫儀方法作為氫脆性能檢測(cè)手段。但因鍍鋅鎳層低氫脆機(jī)理為鍍層成分與鍍層結(jié)構(gòu)共同作用，是否應(yīng)以λPC<140 s為判斷氫脆性能合格指標(biāo)還需更多比對(duì)試驗(yàn)確定。