钛合金镀铬工艺研究
摘要：研究了一种可行的工艺方法，在钛及钛合金表面先化学镀镍，再电镀一层铬，可增加零件表面硬度，提高其耐磨性，表面硬度可达HRC55-60。
0 简介
钛及钛合金具有两大优越性能：高的比强度、比刚度和热稳定性；强的耐腐蚀性和易钝化性。而且资源丰富。因此，钛及钛合金在航空工业中得到广泛的应用，成为航空发动机风扇、压气机盘、叶片、导弹壳体及舵翼表面的主要材料。钛合金的缺点是对粘着磨损和微动磨损十分敏感，且硬度较低，仅为HRC30左右，在一定程度上限制了其在工程中的应用。为了提高抗磨粒、磨损和微动磨损的性能，必须进行表面处理。
在钛及钛合金表面镀一层涂层，不仅可以提高表面硬度，而且可以提高耐磨性和耐腐蚀性，可以使钛及钛合金在航空工业乃至其他工业中发挥更大的作用。但由于它们的表面覆盖着一层天然致密的氧化膜，当表面清洗后暴露在空气或水中时，这层膜会重新生成。因此，普通金属常用的电镀方法并不完全适用于钛及钛合金，镀后涂层与基体的结合强度较差。对此，经过多次试验和改进，在钛基体上化学镀镍后镀铬，结合强度好，表面硬度可达HRC55~60。
1 实验
1.1 示例
选取的钛合金试件为TC4()退火板，规格为100mm×30mm×1mm。
1.2 加工和配方
选定的工艺流程如下：
钛合金试件→喷砂→蚀刻→水洗→活化→预镀镍→镀铬→水洗→烘干或吹干→热处理。
1.2.1 喷砂
喷砂处理会降低零件的表面光洁度，但可以改善表面粗糙度，去除部分表面氧化层，提高涂层与母材的结合强度。喷砂对光洁度的影响见表1（为湿式喷砂处理，压缩空气压力为0.2-0.3MPa，喷嘴与工件距离为150-200mm）。
1.2.2 蚀刻
已喷砂处理的零件在镀镍前必须进行蚀刻处理，工艺规范如下：
氢氟酸（浓度60%）-----1份（体积比）
硝酸（浓度69%）-----------3份（体积比）
温度 ---------室温
时间----------直至出现红烟，再用流水冲洗。
1.2.3 激活
钛合金经蚀刻处理后，露出基体表面，但极易继续氧化形成氧化膜，可降低基体金属与镀层结合强度。通过活化处理，在基体表面生成一层暂时性的钛氟膜。此膜可在钛合金件进入预镀镍槽前阻断其继续氧化，从而提高镀层与基体的结合强度。工艺配方如下：
重铬酸钠---------200～210g/L
氟化氢（60%）------------35～45g/L
RG21(添加剂)-----------20～30g/L
水-------------剩余
温度---------80～100℃
时间-----------------20～25分钟
1.2.4 化学预镀镍
采用碱性法进行预镀镍，镀前将样品预热至反应温度，镀液配方为
NiSO4·7H2O----------30～35g/L
·水--------------15～20克/升
NH4Cl------------40～60g/L
RG22（固体添加剂）-------70～90g/L
pH值------------9.5
温度------------（85±5）℃
时间-----------5分钟
1.2.5 镀铬
将预镀镍的部件用去离子水快速冲洗后，再将部件放入标准镀铬溶液中进行电镀。条件如下：
铬酐250g/L、硫酸2.5g/L、镀液温度55-65℃、电流密度15-30A/dm2。
根据镀层厚度确定相应的电镀时间，一般5分钟可沉积1μm的镀层。
1.2.6除氢及稳定化处理
钛合金对氢渗透十分敏感，电镀过程中渗入的氢若不及时清除，将影响零件镀层的疲劳强度、力学性能及结合强度。试件若反复弯曲三次90°，镀层就会与基体发生开裂。为此，采用热处理使预镀镍层部分扩散到钛基体中，从而提高基体预镀层的结合强度。热处理采用真空处理，工艺条件为676～843℃，保温4h，出炉空冷。炉温降到200℃前，应保持炉内的真空度，当炉温降到200℃以下时，炉内真空度就不要求了，否则易引起零件的二次氢渗透，造成力学强度的下降。热处理后，将镀铬试件一端夹在虎钳中，另一端反复弯曲90°20次，镀层与基体完好，无开裂现象。
2 总结
（1）钛合金表面有一层致密的氧化膜，经蚀刻后遇到空气、水等会形成新的氧化膜，给镀层带来困难。对钛合金表面进行蚀刻活化处理后再镀一层镍层，可以提高镀层的结合强度。
（2）采用该工艺方法在钛合金表面获得的镀铬层结合强度好，减少了钛及钛合金基体的氢渗透现象，显著提高了钛合金的表面硬度，增加了其耐磨性。目前，采用该工艺方法处理的部分零件已在科研和生产中得到应用。