CN101705509B - 一种低应力镀镍工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低应力镀镍工艺，该工艺以镍盐为主盐，通过检查镀液、去所镀材料应力、阳极电解除油、腐蚀、预镀镍、镀镍以及热处理获得内应力低，硬度高，结合力强，且具有极为优越的延展性的保护层。该项工艺操作简单，易于维护，工作效率高。对环境污染小，污水处理简单。能够在航空发动机低合金高强度钢零件的防护处理中得到广泛应用，并可以推广应用到各航空、航天发动机、民用产品等低合金高强度钢零件及其它零件的防护方面。
Description
技术领域
本发明属于技术腐蚀与防护技术领域，特别涉及一种低合金高强度钢零件的防护处理方法。
背景技术
低合金钢属于优质钢系列，它是在普通钢种内加入微量的各种合金元素。
用于航空工业中的低合金高强度钢零件需要进行防护处理，而且根据其工作环境的不同，对于防护层性能的要求也不同。对在中等高温下工作的低合金高强度钢零件提供一定的抗氧化和抗腐蚀能力，要求镀层中有较低的张应力以避免明显降低疲劳强度。作为紧固件要求采用低应力的防护层，同时，零件的预处理和电镀整个过程还必须控制氢脆的产生。
镍是白色微黄的金属，具有铁磁性。通常，在其表面存在一层钝化膜，因而具有较高的化学稳定性。在常温下，对水和空气都是稳定的。镍电极电位比铁电极电位正，镍表面钝化后，电极电位更正，因而铁基体上的镍镀层是阴极性镀层。镍镀层现已广泛地用于钢、铜、铝、塑料等许多导体或非金属材料的装饰和防护等各个方面。镍镀层的性能与采用的镀镍工艺有密切关系，工艺不同，获得的镍镀层的性能也不同。作为功能性镀层，可以用作修复电镀，在被磨损的、被腐蚀的，或加工过度的零件上镀比实际需要更厚的镀层，然后经过机械加工，使其达到规定的尺寸。另外，选择适当的镀液，可以高速度镀得韧性好、内应力低的镍镀层。
镀层应力可以通过紫铜试片单面镀镍，试片的弯曲情况来判断，镀层面向上弯成凹面，显示镀层的拉力状态，镀层面的凹面曲率表示镀层的拉力，试片无拉应力显示；另外进行氢脆试验检查：采用轴向与晶粒流向平行的圆形开槽钢稳定载装试样，镀镍层厚度不小于0.13mm，消除应力8h，在3-5吨的持久试验机下加载一定的静力负荷(应力)来评定材料电镀处理后的机械性能变化。加载应力缺口强度σbH的75％，在规定的静载荷上持续200小时，试棒不破断或不产生裂纹。
传统的镀镍工艺，氢脆试验在2小时甚至更短的时间内就会断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低应力镀镍工艺，特别适用于低合金高强度钢零件的防护处理，该工艺所获得的沉积层的内应力低、硬度高，结合力强，且具有极为优越的延展性。
本发明具体提供了一种低应力镀镍工艺，该工艺以镍盐为主盐，通过检查镀液、去所镀材料应力、阳极电解除油、腐蚀、预镀镍、镀镍以及热处理获得内应力低，硬度高，结合力强，且具有极为优越的延展性的保护层。
本发明所提供的一种低应力镀镍工艺，其特征在于该工艺具体步骤为：
(a)、检查镀液：使用￠0.8的钢丝折成￠75的圆，蘸镀液后沿圆周产生的透明状膜20S不破裂为合格；检查的目的：检查镀液中十二烷基硫酸钠的添加量是否足够。
(b)、去应力：将所镀零件置于246℃±14℃温度下3～4h。
(c)、阳极电解除油：将去应力后的零件置于除油溶液中进行阳极电解除油，检查所镀零件表面水膜在10-30内的连续性，若连续则合格；目的： 清除所镀材料表面油污、手汗等污染，提高镀层的结合力。
其中除油溶液的成分及成分浓度为：NaOH 30-70g/l、Na2CO330-100g/l、Na3PO410-30g/l、Na2SiO33-10g/l；除油电流密度为3～5A/dm2，温度60～80℃，时间2～3min。
(d)、腐蚀：在室温下，将除油后的材料置于腐蚀溶液中腐蚀0.5-1min；目的：除去所镀材料表面的轻微氧化膜，使材料表面活化。
其中腐蚀溶液的成分及成分浓度为：盐酸150-200ml/l，若丁1～2g/l；
(e)、预镀镍：在室温下，将腐蚀后的材料置于预镀镍溶液中1～4min，再在预镀镍溶液中通电流3～5min，电流密度为5～8A/dm2；目的：提高镀层结合力同时促进氢气的释放。
其中预镀镍溶液的成分及成分浓度为：NiCl2.6H2O 200～250g/l，HCl180～220g/l。
(f)、镀镍：将预镀镍后的材料置于pH为3.5-4.2的镀镍溶液中通电镀镍，镀镍时间为32-210min，镀镍温度为40-70℃；阴极电流密度为1～4A/dm2；
其中镀镍溶液的成分及成分浓度为：氨基磺酸镍270-330g/l、硼酸40-60g/l、氯化钠15-30g/l、0.3g/l≤十二烷基硫酸钠＜0.8g/l。
(g)、热处理：温度为246±14℃，时间为8h±15min。目的：除去电镀过程渗进的氢气。
本发明最明显的特征之一在于，没有使用任何去应力添加剂，而只是添加了少量的表面润湿剂十二烷基硫酸钠来获得低应力的保护层，这是为了防止由于添加去应力剂而给镀层性能如镀层的韧性、耐蚀性能等带来的负面影响。
本发明另一明显特征在于，上述步骤(f)与步骤(g)之间的时间间隔要小于60min，最好控制在30min之内。由于随着两步骤之间间隔时间的延长，电镀过程中渗入到基体的氢元素随着时间的推移，根据浓差原理不断向基体内部扩散，导致氢元素释放能增加，从而使镀层的应力增加，氢脆试棒拉伸过程中断裂。发明人通过四年来几千次的试验结果总结出，步骤(f)与步骤(g)之间的时间间隔要小于60min，最好控制在30min之内，这样所得的镀层氢脆试验通过率大幅提高。
本发明所提供的一种低应力镀镍工艺，其特征在于上述步骤(b)中去应力温度优选为246℃，时间优选为4h。步骤(f)中镀镍温度优选为60℃。
本发明所提供的一种低应力镀镍工艺，其特征在于上述步骤(e)中预镀镍的层厚最好控制在2.5μm。
本发明所提供的一种低应力镀镍工艺，其特征在于上述步骤(f)中镀镍溶液的pH最好为4，并且在镀镍时用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液，以使所镀镍层均匀。镀镍的层厚控制在0.008mm～0.038mm之间最佳。
本发明所提供的一种低应力镀镍工艺，特别适用于航空工业中的低合金高强度钢零件的防护处理，用于航空工业中的低合金高强度钢零件需要进行防护处理，而且根据其工作环境的不同，对于防护层性能的要求也不同。作为紧固件要求采用低应力的防护层。因此，零件的预处理和电镀整个过程都必须控制氢脆的产生。我们研究的工艺所获得的沉积层的内应力低、硬度高，结合力强，且具有极为优越的延展性。氢脆试验达到美军标ASTM519的要求。它所需要突破的技术关键是在规定的静载荷上持续200小时，试棒不破断或不产生裂纹。本发明镀镍工艺的试验成功，从根本上 解决了氢脆试棒在拉伸过程中断裂及产生裂纹的关键问题。同时，引进自动控制***，实现了生产过程自动控制及实时在线监测功能，解决了因人为误差造成的质量不稳定、过程监控能力差的问题。该技术工艺简单，易于操作和维护。该项技术已应用于航空发动机低合金高强度钢零件的生产过程中，效果良好，性能、状态非常稳定，满足航空工业中低合金高强度钢零件的防护处理技术要求，同时该技术还可以面向同行业推广、普及。
本发明采用符合特定工艺要求的槽液，通过选择合适的槽液配方和工艺参数，获得最佳的保护镀层，从根本上解决了低合金高强度钢零件的保护问题。
使用本发明提供的低应力镀镍工艺所获得的镀层，通过以下测试均得到较好的测试结果：
本发明中耐蚀性测试采用ASTM B117进行48±1h的连续盐雾腐蚀实验，所镀工件工作面不应有明显的腐蚀迹象。
本发明中耐热性测试采用ASM2424D中规定的方法：在循环空气炉里加热到538℃±8℃，并保温2h以上，镀层无起泡和裂纹。
本发明中附着力测试采用ASM2424D中规定的方法：试片规格为0.81×25×102mm，绕着相当于其厚度两倍的直径弯曲大约180°后，放大4倍检查，试样的镀层不应有剥落，不会导致镀层剥落和起泡的裂纹形成是允许的。
本发明中氢脆试验采用ASTM F 519中规定的方法：采用轴向与晶粒流向平行的圆形开槽钢稳定载装试样，镀镍层厚度不小于0.13mm，消除应力8h，在3-5吨的持久试验机下加载一定的静力负荷(应力)来评定材料电镀 处理后的机械性能变化。加载应力缺口强度σbH的75％，在规定的静载荷上持续200小时，试棒不破断或不产生裂纹。
本发明中应力测试采用ASM2424D中规定的方法：紫铜试片单面镀镍，镀层面向上弯成凹面，显示镀层的拉力状态，镀层面的凹面曲率表示镀层的拉力，试片无拉应力显示。
采用本发明提供的低应力镀镍工艺所获得的镀层，光滑、连续附着于基体上并且外观均匀，没有可见的针孔、气孔、起泡、节瘤、坑点等缺陷。轻微的污斑和变色是允许的。镀层缺陷如果经机械加工后可以消除，也是可以允许的。
采用本发明的低合金高强度钢镀镍层进行附着力、耐蚀性、耐热性及应力等性能检测，完全符合上述标准要求，镀层无起泡、剥落现象，应力测试结果无拉应力显示，耐蚀性采用中性盐雾试验，试片表面均未出现白色腐蚀点。氢脆试验试棒均未出现破断和裂纹现象。
该工艺所需要突破的技术关键是镀层应无拉应力；同时该工艺所获得的镀层按照ASTM F 519中规定的氢脆试验的检测，在规定的静载荷上持续200小时，试棒不破断或不产生裂纹。
本发明技术应用于转包零件的生产过程中，效果良好，性能、状态非常稳定，满足低应力沉积镀镍层技术要求，同时该技术还可以面向同行业推广、普及。
将本发明工艺应用到军用机和民用机等零件的低应力沉积内镀层保护工艺中，对于低合金高强度零件表面防护技术是一次重大推动，具有可观的经济效益和良好的社会效益。
该项工艺操作简单，易于维护，工作效率高。对环境污染小，污水处理简单。能够在航空发动机低合金高强度钢零件的防护处理中得到广泛应用，并可以推广应用到各航空、航天发动机、民用产品等低合金高强度钢零件及其它零件的防护方面。
附图说明
图1为镀镍设备；
图2为实施例所用零件与夹具；
图3为预镀镍前后零件的微观表面形貌(×1000)(a)为处理前(b)为活化预镀镍后。
具体实施方式
在本实施例中所镀材料均选用CF6-80E发动机前风扇连轴器螺母，仅是为了举例说明本发明的原理及其作用，而非用于限制本发明。任何所属技术领域的技术人员均可在不违背本发明思想及精神的范围内，对上述实施例进行修改与变化。因此，本发明的权利保护范围，应以权利要求所列为准。
实施例1
使用￠0.8的钢丝折成的￠75的圆，蘸镀液检查槽液透明状膜30S不破裂。将CF6-80E发动机前风扇连轴器螺母置于246℃下190min，以去除应力。
在除油槽内对去应力后的零件进行阳极除油，电流密度为3.5A/dm2，电解时间2min，温度60℃，检查所镀零件表面水膜20S连续。之后将除油后的零件置于盐酸160ml/l，若丁1.5g/l的腐蚀溶液中腐蚀0.6min。
采用预镀镍槽对经过前处理的零件进行预镀镍，在24℃(室温)下将 零件置于NiCl2.6H2O 246.3g/l、HCl 190.7g/l的预镀镍溶液中3min，之后通电镀4min，电流密度为6.5A/dm2，零件面积(含夹具面积)为5dm2。
在镀镍槽对预镀后的零件进行镀镍，镀镍溶液的成分及成分浓度为：氨基磺酸镍286.4g/l、硼酸45g/l、氯化钠21.61g/l、十二烷基硫酸钠0.4g/l，镀镍时采用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液，pH值为3.92，电流密度为3A/dm2，温度为60℃，时间60min，试样规格：￠13mm×102mm，试样镀层厚度1#0.015mm～0.020mm，2#0.020mm～0.025mm，3#0.015mm～0.025mm。将除氢炉的温度升到热处理温度，镀镍后的零件吹干后立即入除氢炉，除氢温度为246℃，时间8h。
镀后零件在3-5吨的持久试验机下加载8843POUNDS的载荷持续200小时，未出现破断或裂纹。按此流程采用普通镀镍工艺加工的氢脆试样在同样载荷下30min断裂。
实施例2
使用￠0.8的钢丝折成的￠75的圆，蘸镀液检查槽液透明状膜20S不破裂。将CF6-80E发动机前风扇连轴器螺母置于246℃下180min，以去除应力。
在除油槽内对去应力后的零件进行阳极除油，电流密度为4A/dm2，电解时间2min，温度60℃，检查所镀材料表面水膜20S连续。之后将除油后的零件置于盐酸190ml/l，若丁1.0g/l的腐蚀溶液中腐蚀0.8min。
采用预镀镍槽对经过前处理的零件进行预镀镍，在24℃(室温)下将零件置于NiCl2.6H2O 242.9g/l、HCl 190.1g/l的预镀镍溶液中3.5min，之后通电镀4.5min，电流密度为6A/dm2，零件面积(含夹具面积)为5dm2。
在镀镍槽对预镀后的零件进行镀镍，镀镍溶液的成分及成分浓度为： 氨基磺酸镍305.3g/l、硼酸50g/l、氯化钠22.68g/l、十二烷基硫酸钠0.5g/l，镀镍时采用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液，pH值为3.6，电流密度为3A/dm2，温度为60℃，时间60min，试样规格：￠13mm×102mm，试样镀层厚度1#0.025mm～0.038mm，2#0.025mm～0.038mm，3#0.020mm～0.025mm。将除氢炉的温度升到热处理温度，镀镍后的零件吹干后立即入除氢炉，除氢温度为246℃，时间8h。
镀后零件在3-5吨的持久试验机下加载8843POUNDS的载荷持续200小时，未出现破断或裂纹。按此流程采用普通镀镍工艺加工的氢脆试样在同样载荷下50min断裂。
实施例3
使用￠0.8的钢丝折成的￠75的圆，蘸镀液检查槽液透明状膜20S不破裂。将CF6-80E发动机前风扇连轴器螺母置于246℃下180min，以去除应力。
在除油槽内对去应力后的零件进行阳极除油，电流密度为4A/dm2，电解时间2min，温度60℃，检查所镀材料表面水膜20S连续。之后将除油后的零件置于盐酸160ml/l，若丁1.8g/l的腐蚀溶液中腐蚀0.6min。
采用预镀镍槽对经过前处理的零件进行预镀镍，在24℃(室温)下将零件置于NiCl2.6H2O 242.3g/l、HCl 194.9g/l的预镀镍溶液中3min，之后通电镀4min，电流密度为6.5A/dm2，零件面积(含夹具面积)为5dm2。
在镀镍槽对预镀后的零件进行镀镍，镀镍溶液的成分及成分浓度为：氨基磺酸镍285.0g/l、硼酸43g/l、氯化钠21.44g/l、十二烷基硫酸钠0.3g/l，镀镍时采用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液，pH值为4，电流密度为3A/dm2，温度为60℃，时间60min，试样规格：￠13mm×102mm，试样镀 层厚度1#0.025mm～0.038mm，2#0.025mm～0.038mm，3#0.020mm～0.025mm。将除氢炉的温度升到热处理温度，镀镍后的零件吹干后立即入除氢炉，除氢温度为246℃，时间8h。
镀后零件在3-5吨的持久试验机下加载8843POUNDS的载荷持续200小时，未出现破断或裂纹。按此流程采用普通镀镍工艺加工的氢脆试样在同样载荷下2h断裂。
实施例4
使用￠0.8的钢丝折成的￠75的圆，蘸镀液检查槽液透明状膜20S不破裂。将CF6-80E发动机前风扇连轴器螺母置于246℃下190min，以去除应力。
在除油槽内对去应力后的零件进行阳极除油，电流密度为3.5A/dm2，电解时间2min，温度60℃，检查所镀材料表面水膜20S连续。之后将除油后的零件置于盐酸180ml/l，若丁1.6g/l的腐蚀溶液中腐蚀0.5min。
采用预镀镍槽对经过前处理的零件进行预镀镍，在24℃(室温)下将零件置于NiCl2.6H2O 241.3g/l、HCl 192.4g/l的预镀镍溶液中3min，之后通电镀4min，电流密度为6.5A/dm2，零件面积(含夹具面积)为5dm2。
在镀镍槽对预镀后的零件进行镀镍，镀镍溶液的成分及成分浓度为：氨基磺酸镍284.3g/l、硼酸40g/l、氯化钠21.32g/l、十二烷基硫酸钠0.4g/l，镀镍时采用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液，pH值为3.89，电流密度为3.5A/dm2，温度为60℃，时间60min，试样规格：￠13mm×102mm，试样镀层厚度1#0.015mm～0.020mm，2#0.020mm～0.025mm，3#0.015mm～0.025mm。将除氢炉的温度升到热处理温度，镀镍后的零件吹干后立即入除氢炉，除氢温度为248℃，时间8h。
镀后零件在3-5吨的持久试验机下加载8843 POUNDS的载荷持续200小时，未出现破断或裂纹。按此流程采用普通镀镍工艺加工的氢脆试样在同样载荷下1.5h断裂。
Claims (8)
1.一种镀镍工艺，其特征在于该工艺具体步骤为：
(a)、检查镀液：使用￠0.8的钢丝折成￠75的圆，蘸镀液后沿圆周产生的透明状膜10S以上不破裂为合格；
(b)、去除预镀零件应力：将预镀零件置于246℃±14℃温度下3～4h；
(c)、阳极电解除油：将去应力后的零件置于除油溶液中进行阳极电解除油，检查所镀零件表面水膜在10-30s内的连续性，若连续则合格；
其中除油溶液的成分及成分浓度为：NaOH 30-70g/l、Na2CO330-100g/l、Na3PO410-30g/l、Na2SiO33-10g/l；除油电流密度为3～5A/dm2，温度60～80℃，时间2～3min；
(d)、腐蚀：在室温下，将除油后的材料置于腐蚀溶液中腐蚀0.5-1min；
其中腐蚀溶液的成分及成分浓度为：盐酸150-200ml/l，若丁1～2g/l；
(e)、预镀镍：在室温下，将腐蚀后的材料置于预镀镍溶液中1～4min，再在预镀镍溶液中通电流3～5min，电流密度为5～8A/dm2；
其中预镀镍溶液的成分及成分浓度为：NiCl2.6H2O 200～250g/l，HCl 180～220g/l；
(f)、镀镍：将预镀镍后的材料置于pH为3.5-4.2的镀镍溶液中通电镀镍，镀镍时间为32-210min，镀镍温度为40-70℃；阴极电流密度为1～4A/dm2；
其中镀镍溶液的成分及成分浓度为：氨基磺酸镍270-330g/l、硼酸40-60g/l、氯化钠15-30g/l、0.3g/l≤十二烷基硫酸钠＜0.8g/l；
(g)、热处理：温度为246±14℃，时间为8h±15min；
其中步骤(f)与步骤(g)之间的时间间隔小于60min。
2.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于所述步骤(b)中去应力温度为246℃，时间为4h。
3.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于步骤(e)中预镀镍的层厚为2.5μm。
4.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于所述步骤(f)中镀镍温度为60℃。
5.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于所述步骤(f)中镀镍溶液的pH＝4。
6.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于步骤(f)中镀镍时用清洁的经过过滤的压缩空气搅拌镀液。
7.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于步骤(f)中镀镍的层厚为0.008mm～0.038mm。
8.按照权利要求1所述镀镍工艺，其特征在于步骤(f)与步骤(g)之间的时间间隔小于30min。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20110720 Termination date: 20170928 |