CN101204861A - 钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途,主要包括除油、除膜、催化、化学镀镍、电镀金、热处理过程,制得的钛合金基体表面形成有氟化膜,在氟化膜镀覆有镍磷过渡层,在过渡层上镀覆有厚度为5~20μm的致密金层本发明;本发明可以有效防止钛合金基体在氢气气氛中的氢脆现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金表面保护层和处理方法,具体是涉及钛合金零件防氢脆保护层及其制备方法和用途,属于防护材料领域。
背景技术
钛及其合金具有一系列优异特性,广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中,被誉为现代金属。然而,钛及其合金生产使用的早期,由于氢的作用导致的脆断经常发生。随着钛冶金和制造水平的提高,钛及其合金中氢含量明显降低,由冶金、制造产生的氢脆问题极少发生。然而在使用过程中,钛作为一种储氢材料,很容易吸氢造成脆化和开裂,是金属材料最危险的破坏方式之一。
目前从国内外氢脆问题的研究来看,绝大部分研究报告是偏重于氢脆机理方面,而对于控制及制造工程方面的研究薄弱。利用在钛合金表面镀覆金膜来达到防止氢渗入的工艺,在国内外还未见报导。
发明内容
本发明的目的是填补国内在这方面的空白,提供一种可以有效防止钛合金氢脆的表面处理工艺。
实现本发明的目的的技术解决方案是:对需要进行保护的钛合金基体除油、水洗后,使用本发明研制的全新除膜、催化溶液,在特定温度下,使钛合金基体表面得到除膜、催化,并形成灰色的氟化膜,可以阻止活泼的钛合金在空气中被氧化,有效提高和镀层的结合力,经过催化后的钛合金水洗后,进行化学镀镍,镀液控制PH为4.5~5.5,温度为85~95℃,搅拌条件下,在钛合金基体表面镀覆镍磷过渡层,水洗后再进行电镀金,控制温度为40~60℃,电流密度为50mA/dm2,在过渡层上镀覆出厚度为5~20μm左右的致密金层,最后在150℃以上热处理2小时以上,消除镀层中的残余应力,提高结合强度。
上面说述的除膜溶液组成是:
HNO3(70%) 20~30ml/L;HF(40%) 200~250ml/L;时间:20~30s。
催化溶液组成是:
HF(40%) 200~250ml/L;CrO3 130~150g/L;SbF3 1~5g/L;
温度:50~60℃;时间;30~60分钟。
化学镀镍溶液组成是:
NiSO4·7H2O 25~35g/L;NaH2PO2·H2O 20~30g/L;
乳酸 30~40ml/L;
PH 4~5;温度 90~95℃;时间:1~2小时。
电镀金溶液组成是:
Na2SO3 120~140g/L;亚硫酸金钠 150~175ml/L;
柠檬酸钾 110~130g/L;EDTA 35~45g/L;
PH 8~10;温度 40~60℃;电流密度 45~55mA/dm2;
时间:3~4小时
电镀金的时间可根据镀层厚度而自行调节,沉积速率为2.5~3.5μm/h。这里时间为3~4小时,使其能够在钛合金表面镀出厚度5~20μm左右的致密金镀层,性能优良,即防氢渗入——在氢气氛炉中600℃保温三小时,延伸率与断面收缩率仍然保持在14%与38%,没有金层保护的钛合金延伸率与断面收缩率下降到10%与30%;结合力好——金层与钛合金基体的结合强度大于60Mpa,超过了结构胶的极限抗拉强度;耐腐蚀性佳——在5%浓度盐水的盐雾试验中,连续48小时没有腐蚀现象。
本发明填补国内在这方面的空白,提供一种可以有效防止钛合金氢脆的表面处理工艺,使其能够在钛合金表面镀出5~20μm左右的致密金镀层,色泽均匀,并达到性能优良,即防氢渗入,结合力好,耐腐蚀性佳,在航空、航天等许多部门都有广阔的应用空间。
附图说明
图1为结合强度测试用圆筒。
图2为耐腐蚀用圆片。
具体实施方式
实施例1:
在拉伸试片上涂覆过渡镍层及金层,测试其拉伸性能。涂覆过程如下工艺流程:
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油:将钛合金基体放入除油液中,加热,直至除油液沸腾,继续加热3分钟停止。
2.水洗:用水冲洗试片,防止试片表面有残余除油液。
3.除膜:HNO3(70%) 27.5ml/L;
HF(40%) 225ml/L;
温度:室温
时间:20~30s
经过除膜、水洗后,试片有明亮的金属光泽。
4.催化:HF(40%) 250ml/L;
CrO3 145g/L;
SbF3 2g/L;
温度 50℃
催化时间 30min
试片催化、蒸馏水洗后,表面形成一层深灰色的膜层,颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化,属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数:
NiSO4·7H2O 30g/L;
NaH2PO2·H2O 25g/L;
乳酸 36.6ml/L;
PH 4.5;
温度 90℃
时间 2小时
施镀时间根据所需镀镍层厚度而定,沉积速率大致为每小时5μm,镀液装载量按每升溶液镀1~2dm2的面积计算。
6.电镀金配方和参数:
Na2SO3 130g/L;
亚硫酸金钠 150ml/L;
柠檬酸钾 120g/L;
EDTA 40g/L;
PH 8~10;
温度 50℃;
电流密度 50mA/dm2
时间 4小时
化学镀镍后经蒸馏水洗干净后,直接放入镀金液施镀,时间根据镀层厚度而定,沉积速率大致为每小时2~3μm,电流不可过大。
7.热处理:镀金试片经水洗,擦干,放入烘箱进行200℃高温热处理,时间为2小时,以消除镀层应力,提高结合强度。
试验结果:在氢气氛炉中600℃保温三小时,延伸率与断面收缩率仍然保持在14%与38%,与未经渗氢处理的钛合金试片基本一致。
实施例2:
在Φ25mm*26mm的拉伸圆筒上涂覆过渡镍层及金层,测试其结合强度。涂覆过程如下工艺流程:
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油:将圆筒放入除油液中,加热,直至除油液沸腾,继续加热3分钟停止。
2.水洗:用水冲洗圆筒,防止圆筒表面及螺纹内有残余除油液。
3.除膜:同例1
4.催化:HF(40%) 200ml/L;
CrO3 130g/L;
SbF3 2g/L;
温度 50℃
催化时间 60min
圆筒经催化、蒸馏水洗后,表面形成一层深灰色的膜层,颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化,属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数:同例1
施赌过程中一定要把有螺纹开口向上,防止气泡囤积影响镀层质量。
6.电镀金配方和参数:
Na2SO3 130g/L;
亚硫酸金钠 150ml/L;
柠檬酸钾 120g/L;
EDTA 40g/L;
PH 8~10;
温度 50℃;
电流密度 50mA/dm2
时间 4小时
施赌过程中一定要把有螺纹开口向上,防止气泡囤积,造成局部金层沉积不上,影响金层质量。
7.热处理:同例1
试验结果:金层与钛合金圆筒的结合强度超过60Mpa,超过了结构胶的极限抗拉强度。
例3:
在Ф50mm*2mm的圆片上涂覆过渡镍层及金层,测试其耐腐蚀性能。涂覆过程如下工艺流程:
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油:同例1。
2.水洗:同例1。
3.除膜:同例1
4.催化:HF(40%) 220ml/L;
CrO3 135g/L;
SbF3 3g/L;
温度 50℃
催化时间 30min
圆片经催化、蒸馏水洗后,表面形成一层深灰色的膜层,颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化,属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数:同例1
6.电镀金配方和参数:同例1
7.热处理:同例1
把圆片放入盐雾试验做盐雾试验,盐水浓度为5%的NaCl溶液,试验结果:48小时,圆片表面失去金属光泽,未出现腐蚀现象。
Claims (7)
1.钛合金零件保护层,其特征在于钛合金基体表面形成有氟化膜,在氟化膜镀覆有镍磷过渡层,在过渡层上镀覆有厚度为5~20μm的致密金层。
2.按权利要求1所述的钛合金零件保护层的制备方法,包括除油、除膜、水洗、催化、化学镀镍、电镀金、热处理工序,其特征在于:
(1)除油条件为90~100℃高温,时间为1~2分钟;
(2)除膜条件为浸入除膜溶液中,常温下,时间为30秒~1分钟;
(3)催化条件为浸入催化溶液中,50~60℃,时间为30~60分钟;
(4)化学镀镍是将催化后的钛合金基体浸入化学镀镍溶液,PH控制为4.5~5.5,温度为85℃-95℃;
(5)电镀金是将镀完镍后的钛合金浸入电镀金溶液,温度为40~60℃,电流密度为45~55mA/dm2,沉积速率为2.5~3.5μm/h;
(6)热处理工序为在150℃以上热处理2小时以上。
3.按权利要求2所述的钛合金零件保护层的制备方法,其特征在于除膜溶液的组成为:HNO3(70%)20~30ml/L;HF(40%)200~250ml/L;时间:20~30s。
4.按权利要求2所述的钛合金零件保护层的制备方法,其特征在于催化溶液的组成为:HF(40%)200~250ml/L;CrO3 130~150g/L;SbF3 1~5g/L;温度:50~60℃;时间;30~60分钟。
5.按权利要求2所述的钛合金零件保护层的制备方法,其特征在于化学镀镍溶液的组成为:NiSO4·7H2O 25~35g/L;NaH2PO2·H2O20~30g/L;乳酸30~40ml/L;PH 4~5;温度90~95℃。
6.按权利要求2所述的钛合金零件保护层的方法,其特征在于电镀金溶液的组成为:Na2SO3 120~140g/L;亚硫酸金钠150~175ml/L;柠檬酸钾 110~130g/L;EDTA 35~45g/L;PH 8~10;温度 40~60℃;电流密度 45~55mA/dm2。
7.按权利要求1所述的钛合金零件保护层用于防氢脆领域。
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