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一種提高硬鉻鍍層氣密性的方法
湯智慧1，王長亮1，王力強2，戴述成2，岳文華1，陸峰1
（1.北京航空材料研究院，北京100095；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都610092）
摘要：分析研究了硬鉻鍍層氣密性不佳的原因。為提高電鍍硬鉻鍍層的氣密性，采用一種封孔技術對鍍層進行后處理。研究表明，用518封孔劑處理后的硬鉻鍍層，氣密性可滿足“20MPa，30min氣密性試驗，鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的要求，封孔劑可進入到鍍層20~30μm的深度，且耐液壓油性能較好。
關鍵詞：氣密性；硬鉻鍍層；封孔處理
中圖分類號：TQ153.1文獻標識碼：A
文章編號：1672－9242（2012）04－0071-03
電鍍硬鉻層是飛機有耐磨需求部位零件的常用涂覆層，具有工藝成熟、耐磨性較好、可滿足高強度鋼低氫脆防護需求等優(yōu)點[1]，因此在航空領域應用廣泛。硬鉻鍍層用于起落架、液壓系統(tǒng)等時，通常有氣密性要求，但長期以來，航空領域各工廠在氣密性試驗中都普遍存在滲漏氣泡的現(xiàn)象，俗稱“鍍鉻冒汗”[2]。氣密性不合格將嚴重影響起落架、液壓系統(tǒng)等零部件的功能，造成鍍鉻零件不能交付、反復返修，嚴重時超過50%的零件需返修，甚至出現(xiàn)零件超過返修次數(shù)而報廢的情況。近30年來，各航空工廠研究和采取了多種方法，如油封、金剛石碾壓等[2]，但均不能完全解決該問題。為此，筆者采用了一種封孔技術對鍍層進行后處理，從而較好地解決了這個問題，可滿足“20MPa，30min氣密性泡”的要求。
1·試驗
試驗采用經(jīng)最終熱處理制度后的A-100鋼試樣。用于鍍層微觀形貌觀察和耐蝕性試驗的試樣尺寸為50mm×30mm×5mm，用于耐液壓油性能試驗的試樣尺寸為25mm×100mm×1mm，用于氣密性試驗的試樣尺寸為φ60mm×200mm。
電鍍硬鉻工藝流程為：除油→清洗→電鍍硬鉻→除氫。電鍍硬鉻工藝參數(shù)為：溫度50～60℃，電流密度40～60A/dm2，電鍍硬鉻厚度40~60μm。封孔處理工藝流程為：硬鉻鍍層→除油→加熱→涂覆518封孔劑（刷涂或浸涂）→室溫固化（≥3h）→加溫固化（120℃，保溫時間≥120min）。
鍍層表面和截面微觀形貌用Quanta600掃描電鏡（SEM）進行分析；鹽霧試驗按ASTMB117在Q-FOG鹽霧箱中進行。耐液壓油性能試驗方法如下：對整塊固化的封孔劑進行考察，稱取兩塊封孔劑的質量后，將其中一塊封孔劑浸入60℃的15號航空液壓油中進行試驗，持續(xù)48h，取出后用丙酮去除表面的液壓油，觀察封孔劑表面有無溶脹、鼓泡，將封孔劑吹干后稱量，記錄質量，之后將兩塊封孔劑放入180℃烘箱中保溫2h，使封孔劑徹底干燥，取出后稱量。氣密性試驗采用實驗室模擬裝置和工廠起落架氣密性檢測裝置進行。
2·結果及討論
2.1鍍層微觀形貌分析
圖1是電鍍硬鉻鍍層的表面及截面微觀形貌。
由圖1可見，鍍層存在微裂紋，尤其是除氫后的微裂紋增多，微裂紋在鍍層內(nèi)隨機分布，當微裂紋貫通時，可能導致鍍層漏氣。微觀形貌很好地解釋了硬鉻鍍層氣密性不佳的原因。
鉻層中出現(xiàn)微裂紋，主要是由電鍍硬鉻沉積機理決定的。電鍍硬鉻時，電流效率很低，副反應產(chǎn)生大量氫，其中一部分氫進入鍍層中，由于氫的存在，鉻并不是直接沉積為正常的體心立方結構的金屬鉻，而是首先沉積為六方晶格形式的鉻氫化物（分子式Cr2H到CrH2）或者面心立方晶格形式的鉻氫化物（分子式CrH到CrH2）[1，3—4]。在正常電鍍條件下，最容易形成的是六方晶格的氫化物。六方晶格的氫化物容易分解為體心立方的鉻，并釋放出游離氫（常溫時即可分解）。無論是六方晶格的鉻氫化物，還是面心立方的鉻氫化物，在分解為體心立方的鉻時，都能使體積收縮15%以上，產(chǎn)生巨大拉應力，使得鍍層出現(xiàn)裂紋。因此采用目前傳統(tǒng)的電鍍硬鉻工藝，都將不可避免地在鍍層中產(chǎn)生微裂紋，當裂紋貫通時，將會導致鍍層氣密性測試時漏氣。除氫后裂紋會增多，這是由于溫度升高，鉻氫化物分解得更快、更多。
上述分析也很好地解釋了目前工廠生產(chǎn)中，硬鉻鍍層漏氣的不確定性現(xiàn)象，即同一批零件中既存在漏氣件，也有不漏氣零件，返修后可能合格，也可能不合格，這種不確定性是由裂紋的隨機分布和是否貫通來決定。
目前生產(chǎn)中解決硬鉻鍍層漏氣的主要方法有退除鍍層后返修、油封、金剛石碾壓等方法。根據(jù)硬鉻鍍層漏氣的原因可知，返修的方法不能徹底解決漏氣問題。油封方法只是臨時性措施，在服役使用過程中，由于壓力作用，油會從裂紋中流出。金剛石碾壓相對而言是一種較好的方法，通過碾壓塑性變形，使微裂紋封閉，但金剛石碾壓時如操作不當，會引起表面應力集中、過熱而重新產(chǎn)生微裂紋。工廠經(jīng)驗表明，金剛石碾壓可使漏氣率大幅下降，但不能完全解決漏氣問題；此外，金剛石碾壓還無法解決內(nèi)表面鉻層漏氣的問題。三價鉻電鍍層，雖然性能較普通鍍鉻有所提高，也仍然無法消除鍍鉻層中的裂紋[5]。
2.2性能分析
對電鍍硬鉻試樣進行實驗室模擬裝置氣密性試驗，增壓至20MPa時，鍍層表面出現(xiàn)大量氣泡（如圖2a所示），表明鍍層漏氣；采用518封孔劑對該試樣進行封孔處理后，氣密性試驗結果見圖2b。試驗表明，封孔處理后的硬鉻鍍層氣密性大幅度提高，可滿足“20MPa，30min鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的高氣密性要求。筆者將該封孔處理方法用于某型飛機前起落架活塞桿實際零件上，經(jīng)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司起落架氣密性檢測裝置進行氣密性試驗，結果同樣是20MPa保持30min未出現(xiàn)漏氣。
518封孔劑的滲透性好，可有效封閉硬鉻鍍層的微裂紋。封孔技術中還利用了溫差氣體收縮效應和毛細現(xiàn)象，即零件在較高溫度時涂覆封孔劑，冷卻后去除多余封孔劑，使封孔劑可在液體狀態(tài)深入到鍍層微裂紋深處，再固化成固態(tài)，達到氣密性穩(wěn)定的目的。
由于硬鉻鍍層微裂紋細小，無法通過光學顯微鏡、掃描電鏡或顯色等方法來直接判斷封孔深度或封孔完全與否。文中采用中性鹽霧試驗來間接判斷封孔劑的封孔深度。因硬鉻鍍層中存在大量微裂紋，電鍍硬鉻鍍層的鋼試樣進行鹽霧試驗會很快出現(xiàn)銹蝕（＜24h），采用封孔劑封孔后，有機高分子封孔劑封閉了微裂紋，進行鹽霧試驗時可長達數(shù)千小時不出現(xiàn)銹蝕。用金剛石砂紙打磨封孔后的硬鉻試樣，去除不同厚度鍍層后，進行鹽霧試驗，試驗結果如圖3所示。試驗結果表明，打磨20μm的試樣未出現(xiàn)腐蝕，打磨30μm的試樣則出現(xiàn)銹蝕，由此判斷封孔劑滲入深度應為20~30μm。
帶有硬鉻鍍層的零件在使用過程中經(jīng)常會與15號航空液壓油接觸，因此進行了封孔劑對15號航空液壓油的適應性試驗，試驗結果見表1。可見封孔劑浸泡液壓油后，有微弱增重，可能是邊緣的孔隙殘留了一定的液壓油。與未經(jīng)過液壓油浸泡的平行試樣進行對比，同在180℃烘箱保溫2h后，質量都減少，但相對變化幾乎為0，表明封孔劑在液壓油浸泡后沒有發(fā)生溶解。
3·結論
1）硬鉻鍍層氣密性不佳的主要原因是：電鍍硬鉻鍍層中存在微裂紋，除氫后，微裂紋增多。
2）采用518封孔劑處理后的硬鉻鍍層，氣密性可滿足“20MPa，30min氣密性試驗，鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的要求。
3）采用518封孔劑對硬鉻鍍層封孔，封孔劑可進入到鍍層20~30μm深度。
4）518封孔劑具有較好的耐液壓油性能。
參考文獻：
[1]張允城，胡如南，向榮.電鍍手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997：363—409.
[2]劉佑厚，蘇育龍，王宇.鍍鉻層氣密性研究[J].材料保護，2002，35（1）：19—20.
[3]SAIDDINGTONJC，HOEYGR.Crack-freeChromiumfromConventional
PlatingBaths[J].Plating，1974，61（10）：923—930.
[4]WILSONBA，TURLYDM.DevelopmentandCharacteristicsofCrack-free
ChromiumCoatingProductedbyElectroplating[J].TransIMF，1989，67：104—108.
[5]蒲滕，奚愚生，歐忠文，等.深管零件內(nèi)壁專用鍍鉻添加劑性能研究[J].表面技術，2012，41（2）：35—37.
湯智慧1，王長亮1，王力強2，戴述成2，岳文華1，陸峰1
（1.北京航空材料研究院，北京100095；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都610092）
摘要：分析研究了硬鉻鍍層氣密性不佳的原因。為提高電鍍硬鉻鍍層的氣密性，采用一種封孔技術對鍍層進行后處理。研究表明，用518封孔劑處理后的硬鉻鍍層，氣密性可滿足“20MPa，30min氣密性試驗，鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的要求，封孔劑可進入到鍍層20~30μm的深度，且耐液壓油性能較好。
關鍵詞：氣密性；硬鉻鍍層；封孔處理
中圖分類號：TQ153.1文獻標識碼：A
文章編號：1672－9242（2012）04－0071-03
電鍍硬鉻層是飛機有耐磨需求部位零件的常用涂覆層，具有工藝成熟、耐磨性較好、可滿足高強度鋼低氫脆防護需求等優(yōu)點[1]，因此在航空領域應用廣泛。硬鉻鍍層用于起落架、液壓系統(tǒng)等時，通常有氣密性要求，但長期以來，航空領域各工廠在氣密性試驗中都普遍存在滲漏氣泡的現(xiàn)象，俗稱“鍍鉻冒汗”[2]。氣密性不合格將嚴重影響起落架、液壓系統(tǒng)等零部件的功能，造成鍍鉻零件不能交付、反復返修，嚴重時超過50%的零件需返修，甚至出現(xiàn)零件超過返修次數(shù)而報廢的情況。近30年來，各航空工廠研究和采取了多種方法，如油封、金剛石碾壓等[2]，但均不能完全解決該問題。為此，筆者采用了一種封孔技術對鍍層進行后處理，從而較好地解決了這個問題，可滿足“20MPa，30min氣密性泡”的要求。
1·試驗
試驗采用經(jīng)最終熱處理制度后的A-100鋼試樣。用于鍍層微觀形貌觀察和耐蝕性試驗的試樣尺寸為50mm×30mm×5mm，用于耐液壓油性能試驗的試樣尺寸為25mm×100mm×1mm，用于氣密性試驗的試樣尺寸為φ60mm×200mm。
電鍍硬鉻工藝流程為：除油→清洗→電鍍硬鉻→除氫。電鍍硬鉻工藝參數(shù)為：溫度50～60℃，電流密度40～60A/dm2，電鍍硬鉻厚度40~60μm。封孔處理工藝流程為：硬鉻鍍層→除油→加熱→涂覆518封孔劑（刷涂或浸涂）→室溫固化（≥3h）→加溫固化（120℃，保溫時間≥120min）。
鍍層表面和截面微觀形貌用Quanta600掃描電鏡（SEM）進行分析；鹽霧試驗按ASTMB117在Q-FOG鹽霧箱中進行。耐液壓油性能試驗方法如下：對整塊固化的封孔劑進行考察，稱取兩塊封孔劑的質量后，將其中一塊封孔劑浸入60℃的15號航空液壓油中進行試驗，持續(xù)48h，取出后用丙酮去除表面的液壓油，觀察封孔劑表面有無溶脹、鼓泡，將封孔劑吹干后稱量，記錄質量，之后將兩塊封孔劑放入180℃烘箱中保溫2h，使封孔劑徹底干燥，取出后稱量。氣密性試驗采用實驗室模擬裝置和工廠起落架氣密性檢測裝置進行。
2·結果及討論
2.1鍍層微觀形貌分析
圖1是電鍍硬鉻鍍層的表面及截面微觀形貌。
由圖1可見，鍍層存在微裂紋，尤其是除氫后的微裂紋增多，微裂紋在鍍層內(nèi)隨機分布，當微裂紋貫通時，可能導致鍍層漏氣。微觀形貌很好地解釋了硬鉻鍍層氣密性不佳的原因。
鉻層中出現(xiàn)微裂紋，主要是由電鍍硬鉻沉積機理決定的。電鍍硬鉻時，電流效率很低，副反應產(chǎn)生大量氫，其中一部分氫進入鍍層中，由于氫的存在，鉻并不是直接沉積為正常的體心立方結構的金屬鉻，而是首先沉積為六方晶格形式的鉻氫化物（分子式Cr2H到CrH2）或者面心立方晶格形式的鉻氫化物（分子式CrH到CrH2）[1，3—4]。在正常電鍍條件下，最容易形成的是六方晶格的氫化物。六方晶格的氫化物容易分解為體心立方的鉻，并釋放出游離氫（常溫時即可分解）。無論是六方晶格的鉻氫化物，還是面心立方的鉻氫化物，在分解為體心立方的鉻時，都能使體積收縮15%以上，產(chǎn)生巨大拉應力，使得鍍層出現(xiàn)裂紋。因此采用目前傳統(tǒng)的電鍍硬鉻工藝，都將不可避免地在鍍層中產(chǎn)生微裂紋，當裂紋貫通時，將會導致鍍層氣密性測試時漏氣。除氫后裂紋會增多，這是由于溫度升高，鉻氫化物分解得更快、更多。
上述分析也很好地解釋了目前工廠生產(chǎn)中，硬鉻鍍層漏氣的不確定性現(xiàn)象，即同一批零件中既存在漏氣件，也有不漏氣零件，返修后可能合格，也可能不合格，這種不確定性是由裂紋的隨機分布和是否貫通來決定。
目前生產(chǎn)中解決硬鉻鍍層漏氣的主要方法有退除鍍層后返修、油封、金剛石碾壓等方法。根據(jù)硬鉻鍍層漏氣的原因可知，返修的方法不能徹底解決漏氣問題。油封方法只是臨時性措施，在服役使用過程中，由于壓力作用，油會從裂紋中流出。金剛石碾壓相對而言是一種較好的方法，通過碾壓塑性變形，使微裂紋封閉，但金剛石碾壓時如操作不當，會引起表面應力集中、過熱而重新產(chǎn)生微裂紋。工廠經(jīng)驗表明，金剛石碾壓可使漏氣率大幅下降，但不能完全解決漏氣問題；此外，金剛石碾壓還無法解決內(nèi)表面鉻層漏氣的問題。三價鉻電鍍層，雖然性能較普通鍍鉻有所提高，也仍然無法消除鍍鉻層中的裂紋[5]。
2.2性能分析
對電鍍硬鉻試樣進行實驗室模擬裝置氣密性試驗，增壓至20MPa時，鍍層表面出現(xiàn)大量氣泡（如圖2a所示），表明鍍層漏氣；采用518封孔劑對該試樣進行封孔處理后，氣密性試驗結果見圖2b。試驗表明，封孔處理后的硬鉻鍍層氣密性大幅度提高，可滿足“20MPa，30min鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的高氣密性要求。筆者將該封孔處理方法用于某型飛機前起落架活塞桿實際零件上，經(jīng)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司起落架氣密性檢測裝置進行氣密性試驗，結果同樣是20MPa保持30min未出現(xiàn)漏氣。
518封孔劑的滲透性好，可有效封閉硬鉻鍍層的微裂紋。封孔技術中還利用了溫差氣體收縮效應和毛細現(xiàn)象，即零件在較高溫度時涂覆封孔劑，冷卻后去除多余封孔劑，使封孔劑可在液體狀態(tài)深入到鍍層微裂紋深處，再固化成固態(tài)，達到氣密性穩(wěn)定的目的。
由于硬鉻鍍層微裂紋細小，無法通過光學顯微鏡、掃描電鏡或顯色等方法來直接判斷封孔深度或封孔完全與否。文中采用中性鹽霧試驗來間接判斷封孔劑的封孔深度。因硬鉻鍍層中存在大量微裂紋，電鍍硬鉻鍍層的鋼試樣進行鹽霧試驗會很快出現(xiàn)銹蝕（＜24h），采用封孔劑封孔后，有機高分子封孔劑封閉了微裂紋，進行鹽霧試驗時可長達數(shù)千小時不出現(xiàn)銹蝕。用金剛石砂紙打磨封孔后的硬鉻試樣，去除不同厚度鍍層后，進行鹽霧試驗，試驗結果如圖3所示。試驗結果表明，打磨20μm的試樣未出現(xiàn)腐蝕，打磨30μm的試樣則出現(xiàn)銹蝕，由此判斷封孔劑滲入深度應為20~30μm。
帶有硬鉻鍍層的零件在使用過程中經(jīng)常會與15號航空液壓油接觸，因此進行了封孔劑對15號航空液壓油的適應性試驗，試驗結果見表1。可見封孔劑浸泡液壓油后，有微弱增重，可能是邊緣的孔隙殘留了一定的液壓油。與未經(jīng)過液壓油浸泡的平行試樣進行對比，同在180℃烘箱保溫2h后，質量都減少，但相對變化幾乎為0，表明封孔劑在液壓油浸泡后沒有發(fā)生溶解。
3·結論
1）硬鉻鍍層氣密性不佳的主要原因是：電鍍硬鉻鍍層中存在微裂紋，除氫后，微裂紋增多。
2）采用518封孔劑處理后的硬鉻鍍層，氣密性可滿足“20MPa，30min氣密性試驗，鉻層不出現(xiàn)滲漏氣泡”的要求。
3）采用518封孔劑對硬鉻鍍層封孔，封孔劑可進入到鍍層20~30μm深度。
4）518封孔劑具有較好的耐液壓油性能。
參考文獻：
[1]張允城，胡如南，向榮.電鍍手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997：363—409.
[2]劉佑厚，蘇育龍，王宇.鍍鉻層氣密性研究[J].材料保護，2002，35（1）：19—20.
[3]SAIDDINGTONJC，HOEYGR.Crack-freeChromiumfromConventional
PlatingBaths[J].Plating，1974，61（10）：923—930.
[4]WILSONBA，TURLYDM.DevelopmentandCharacteristicsofCrack-free
ChromiumCoatingProductedbyElectroplating[J].TransIMF，1989，67：104—108.
[5]蒲滕，奚愚生，歐忠文，等.深管零件內(nèi)壁專用鍍鉻添加劑性能研究[J].表面技術，2012，41（2）：35—37.
