鍍鎘工藝中電子測(cè)量氫脆試驗(yàn)的影響因素分析

吳 靜，韓金軍，肖 文

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723200)

高強(qiáng)度鋼電鍍鎘工藝被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架上，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用減輕了起落架的重量，但強(qiáng)度增高帶來(lái)材料韌性下降，尤其是對(duì)氫脆的敏感性，能使材料在低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力條件下發(fā)生早期脆性斷裂，因此高強(qiáng)度鋼的使用必須重視氫脆問(wèn)題。使用勞倫斯測(cè)氫儀對(duì)電鍍鎘槽液定期進(jìn)行氫脆性監(jiān)測(cè)，是降低零件脆性斷裂的一種重要手段，與缺口拉伸試棒和應(yīng)力環(huán)試樣相比，這一方法可簡(jiǎn)單、快速地對(duì)電鍍槽液的氫脆性進(jìn)行評(píng)估，短時(shí)間內(nèi)得到氫脆試驗(yàn)結(jié)果，降低氫脆發(fā)生的幾率，使得受影響的零件數(shù)量降低，因此廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼鍍鎘的質(zhì)量控制過(guò)程中。

勞倫斯測(cè)氫儀是一種測(cè)量電鍍時(shí)氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器。通過(guò)測(cè)量電鍍槽液的氫脆性(用λPC值表示)，將λPC值控制在一定范圍，從而來(lái)避免產(chǎn)品零件由于氫脆造成的破壞。通過(guò)對(duì)勞倫斯測(cè)氫儀檢測(cè)電鍍鎘槽液過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，找出了影響電鍍鎘槽液氫脆性的主要因素為試驗(yàn)用探頭、試驗(yàn)溶液溫度、電鍍槽液中的雜質(zhì)、電鍍效率、溶液攪拌、電流密度。針對(duì)這些影響因素，提出了提高試驗(yàn)精度的方法。

1 勞倫斯測(cè)氫儀的測(cè)試原理

勞倫斯測(cè)氫儀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(電鍍產(chǎn)生的氫脆正是這部分深入基體金屬內(nèi)部的原子氫引起的)。

勞倫斯測(cè)氫儀測(cè)試過(guò)程[1]如圖1所示：電鍍時(shí)，氫原子通過(guò)鍍層和管壁滲入管內(nèi)，氫原子在管內(nèi)被離子化，此時(shí)曲線上升(第Ⅰ階段)，電鍍結(jié)束后，清洗管壁，曲線稍有下降，即管內(nèi)氫稍向外擴(kuò)散(第Ⅱ階段)。最后將電子管置于烘箱中烘烤，鍍層和管壁吸收的氫向管內(nèi)擴(kuò)散，曲線逐漸上升。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，曲線達(dá)到最高點(diǎn)(最大氫壓值HP)，然后管內(nèi)氫通過(guò)管壁和鍍層向外擴(kuò)散，曲線開(kāi)始下降(第Ⅲ階段)。鍍層越疏松，氫越容易滲透，則曲線下降越快。規(guī)定曲線從最高點(diǎn)HP降到1/2HP所需時(shí)間為λ值(以s為單位)，λ值越小，表示鍍層的氫脆危險(xiǎn)越小。

圖1 勞倫斯測(cè)氫儀測(cè)試過(guò)程示意圖

2 試驗(yàn)流程

探頭烘烤→探頭檢查→探頭制備(屏蔽)→干燥磨料吹砂→校正/電鍍→洗滌和干燥→探頭插入烘箱里→在記錄儀上的數(shù)據(jù)顯示→記錄(圖表紙、記錄本、探頭烘烤記錄表)→數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3 影響因素分析

3.1 試驗(yàn)用探頭的影響

該試驗(yàn)使用的探頭為勞倫斯公司生產(chǎn)的HDP-3A型探頭，在使用前應(yīng)檢查探頭的SRP值(SRP值是作為背景或探頭中殘余氣壓而檢查的)，它是探頭靈敏度的象征，并且它隨著探頭的使用而損耗將逐漸升高，增加清洗時(shí)間有助于降低SRP值。探頭的SRP值小于0.5才能用于試驗(yàn)[2]。

探頭在校準(zhǔn)及電鍍前應(yīng)檢查探頭窗口尺寸，正規(guī)窗口尺寸應(yīng)滿足(16.0±0.8) mm[3](見(jiàn)圖2)，探頭窗口界限外的部分必須涂敷。如果有除窗口部位外的裸露金屬，會(huì)導(dǎo)致電鍍面積增大，在同樣的電鍍電流下，相當(dāng)于降低了電流密度，從而使電鍍?nèi)芤旱摩薖值降低。

a)涂敷準(zhǔn)備

探頭在校準(zhǔn)及電鍍前窗口部位應(yīng)使用磨料進(jìn)行噴射處理，其他不需要噴射處理的部位使用屏蔽物(如3M膠帶)進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于低氫脆鍍鎘來(lái)說(shuō)，在電鍍前，光滑的窗口表面(用較細(xì)的砂粒噴砂)比粗糙的表面孔隙更少，表面越粗糙，滲入探頭內(nèi)的氫會(huì)越多，HPP值(電鍍時(shí)最大氫壓值HP)將會(huì)越高，λP(電鍍時(shí)的λ值)也會(huì)偏高，這是由于較高的表面點(diǎn)將被鍍上更高的電流密度，凹槽的電流將更少，從而形成更多孔的金屬沉積物，因此清潔探頭時(shí)應(yīng)盡量選擇粒度合適的磨料。另外，濕磨料或壓縮空氣含水，也將增加氫的輸入，所以所用的磨料和壓縮空氣應(yīng)干凈、干燥，不含油、水和污物。

清潔完成后注意觀察窗口部位，應(yīng)無(wú)污物或指痕，表面質(zhì)量應(yīng)均勻一致，在清潔前后正規(guī)探頭的質(zhì)量損失應(yīng)滿足(40±10) mg。HDP-3A型探頭表面每進(jìn)行一次噴射處理，窗口上的鋼板就會(huì)變薄一些，這就使探頭的測(cè)試值HP值增大，λ值減小，為了保證試驗(yàn)結(jié)果能達(dá)到更高精度，每?jī)纱坞婂儾僮骱髴?yīng)對(duì)探頭進(jìn)行一次校準(zhǔn)。

3.2 試驗(yàn)溶液溫度的影響

溫度更高的溶液將會(huì)增加氫向零件的輸入。例如在5% NaOH和5% NaCN溶液中，當(dāng)溫度增加20 ℃時(shí)，氫的吸附將會(huì)是原來(lái)的2倍(見(jiàn)圖3)，這一溶液類似于電鍍鎘溶液。圖3中的吸氫率為觀察到的HP值與0 ℃時(shí)HP值的比值。對(duì)于電鍍鎘鈦溶液，如果溫度從74 ℉(23.3 ℃)增加到82 ℉(27.8 ℃)，λP值將增加10 s。為確保得到更精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡量在校準(zhǔn)和電鍍時(shí)或2次校準(zhǔn)之間使用相同或盡可能相近的溶液溫度。

圖3 氫的吸附與溫度的關(guān)系

3.3 電鍍槽液中雜質(zhì)的影響

3.3.1 有機(jī)物污染

一些分子，如小濃度的有機(jī)分子(如油、抑制劑、清洗劑、潤(rùn)滑劑等)，將會(huì)使電鍍金屬變得光亮，使其不具有多孔性。有機(jī)物傾向于作為光亮劑，使鎘層沉積在更均勻、多孔性更少的鎘板上，這往往會(huì)導(dǎo)致探頭λP值的增加[4]。在氰化鍍鎘溶液中，有機(jī)物污染經(jīng)常會(huì)引起氫脆，通過(guò)碳處理電鍍槽液，將有機(jī)物吸附到碳表面來(lái)可去除電鍍槽中的有機(jī)化合物。

3.3.2 金屬離子(氰化鍍鎘溶液)

在電鍍槽液中若含有鐵或銅離子，在用勞倫斯測(cè)氫儀測(cè)試時(shí)，HPP值往往會(huì)增加，可在試驗(yàn)前對(duì)電鍍槽液進(jìn)行成分分析來(lái)驗(yàn)證金屬污染物。電鍍槽液中的金屬離子很難去除，可以使用模擬槽來(lái)進(jìn)行。

模擬槽：將大陰極放置在槽中，并在低電流密度(1.7 A/ft2)下放置數(shù)小時(shí)，以除去金屬離子(如銅、鉛、鉻、鎳)。具有脊骨形狀的大陰極將導(dǎo)致電鍍電流密度因陰極形狀而變化。

去除鐵的模擬槽：高濃度鐵會(huì)導(dǎo)致鎘板變色，在80 A/ft2的條件下電鍍5 h，可以不同程度地從溶液中清除鐵。可選取1 L電鍍槽液進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)這一試驗(yàn)溶液進(jìn)行分析，以驗(yàn)證這一方法的可行性。另一種方法是將鍍液加熱到90 ℉(32.2 ℃)，并在碳處理時(shí)攪拌。

碳酸鹽濃度應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。在低氫脆鍍鎘溶液中，高濃度的碳酸鹽會(huì)在電鍍?nèi)芤褐芯奂⒁餒PP和λP值升高，也會(huì)導(dǎo)致電鍍鎘層耐鹽霧腐蝕性能變差。低氫脆鍍鎘槽冷卻(5～10 ℃)或加入化學(xué)添加劑時(shí)，會(huì)沉淀出碳酸鹽。含氰的槽液會(huì)吸收來(lái)自于大氣中的CO2形成碳酸鹽。

在含有鈦的固體微粒懸浮溶液中，可以對(duì)溶液里鈦的含量進(jìn)行分析。鈦粒子可能吸附沉積在陽(yáng)極上，這會(huì)引起一個(gè)陽(yáng)極的假的松孔作用，使λP值比干凈槽液的λP值要低。

鑒于以上雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在使用勞倫斯測(cè)氫儀測(cè)試電鍍槽液的氫脆性時(shí)，為確保抽取的槽液能代表電鍍槽的特性，并能獲得更接近真實(shí)結(jié)果的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)先攪動(dòng)電鍍槽液，確保溶液均勻，然后在電鍍槽液表面以下抽取試樣，不能從電鍍槽表面取樣，并在取樣后對(duì)溶液的化學(xué)成分進(jìn)行分析，確保溶液的成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求再進(jìn)行勞倫斯測(cè)氫試驗(yàn)。

3.4 電鍍效率的影響

電鍍槽效率低意味著陰極(零件)將會(huì)吸收更多的氫，因此零件也會(huì)吸收更多的氫，這將會(huì)引起HP值的增加。電鍍過(guò)程中零件上起泡的氫是陰極處2H++2e-=H2的結(jié)果，稱為“浪費(fèi)電流”，因?yàn)檫@些電子沒(méi)有沉積Cd2+。在電鍍過(guò)程中，由于H2的釋放，電鍍效率不可能達(dá)到100%。勞倫斯認(rèn)為一個(gè)好的鍍層沉積達(dá)到96%即可，比如按DPS 9.28中規(guī)定，在60 A/ft2條件下[5]，用正規(guī)窗口的探頭對(duì)松鍍鎘溶液電鍍6 min沉積0.166 9 g的鍍層(鍍層沉積達(dá)96%，4%轉(zhuǎn)化為H2釋放)，電鍍效率就可以被認(rèn)為達(dá)到了100%。記錄沉積在探頭上鍍層的質(zhì)量是監(jiān)測(cè)電鍍效率的一種簡(jiǎn)單方法，電鍍前、后對(duì)探頭進(jìn)行稱重，然后計(jì)算鍍層的質(zhì)量。

通過(guò)保持適當(dāng)?shù)腃dO和NaCN的濃度和比例，也可以提高電鍍效率，從實(shí)用角度和氫離子的滲入方面綜合考慮，CdO(30 g/L)和NaCN(100 g/L)的比例較好[6]。

3.5 溶液攪拌的影響

如果電鍍?nèi)芤菏艿轿廴?，則在電鍍零件時(shí)攪拌溶液會(huì)使板的多孔性降低，攪拌會(huì)增加氫的吸收。對(duì)于清潔、高效的電鍍?nèi)芤簞t沒(méi)有多大影響。攪拌溶液對(duì)鍍鎘氫脆性能的影響如圖4所示。從圖4[7]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，如果溶液沒(méi)有污染的話，不同程度的攪拌影響很小。但是，在污染和攪拌一起發(fā)生的情況下，將引起λPC值(電鍍時(shí)經(jīng)修正后的λ值)的增加。因此，探頭在電鍍期間，禁止攪拌溶液。

圖4 攪拌溶液對(duì)鍍鎘氫脆性能的影響

3.6 電流密度的影響

3.6.1 電流密度對(duì)污染的電鍍槽液氫脆性能的影響

在較高的電流密度下比在較低的電流密度下沉積的鎘鍍層更多孔[8]。電流密度對(duì)污染的鍍鎘溶液的氫脆性能的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，在探頭上的電流密度越低，則λPC越高。溶液污染程度的不同，在相同的電流密度下，λPC值也有很大的差距。相對(duì)于有污染的電鍍?nèi)芤簛?lái)說(shuō)，在干凈的電鍍?nèi)芤褐须婂儠r(shí)，電流密度對(duì)λPC值的影響更小。

圖5 電流密度對(duì)污染的鍍鎘溶液的氫脆性能的影響

3.6.2 電流密度對(duì)干凈的低氫脆鍍鎘槽液氫脆性能的影響

用勞倫斯測(cè)氫儀對(duì)干凈的低氫脆鍍鎘溶液進(jìn)行測(cè)試，在不同的電流密度下的測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，對(duì)于低氫脆鍍鎘溶液，電流密度低于60 A/ft2時(shí)，HPPC(經(jīng)修正后的HPP值)和λPC(經(jīng)修正后的λP值)值隨著電流密度的增加而急劇下降，電流密度高于60 A/ft2時(shí)，曲線趨于平穩(wěn)，因此在對(duì)低氫脆鍍鎘槽液氫脆性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，筆者選擇的電流密度為60 A/ft2，這也是電鍍零件表面預(yù)期的最低的電流密度。

圖6 低氫脆鍍鎘時(shí)電流密度對(duì)HPPC的影響

圖7 低氫脆鍍鎘時(shí)電流密度對(duì)λPC的影響

對(duì)于勞倫斯測(cè)氫儀來(lái)說(shuō)，電流是由儀器所固定的，因此對(duì)電流密度的控制主要是保證探頭窗口的固有尺寸，保證儀器檢定時(shí)要求的安培計(jì)上的電流大小，并在試驗(yàn)時(shí)保證沒(méi)有電流泄漏或旁路。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)在電鍍過(guò)程中，氫原子會(huì)滲入鋼基體內(nèi)，這部分氫能導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼在施加低應(yīng)力的情況下產(chǎn)生脆性斷裂。為避免或減少氫脆的發(fā)生，可采用勞倫斯測(cè)氫儀對(duì)電鍍槽液進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

2)電鍍探頭的處理、試驗(yàn)溶液溫度、電鍍槽液中的雜質(zhì)、電鍍效率、溶液的攪拌、電流密度不同程度地影響著HPP值(電鍍時(shí)最大氫壓值)和λP值(電鍍時(shí)從最高點(diǎn)HP降到1/2HP所需時(shí)間)，在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)采取一些措施，嚴(yán)格控制這些參數(shù)，保證試驗(yàn)精度，降低零件發(fā)生氫脆的幾率。