30CrMnSiA鍍鎘層厚度優化研究

王小龍，孫祚東

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30CrMnSiA鍍鎘層厚度優化研究

王小龍，孫祚東

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點試驗室，湖北 荊門 448035）

目的基于GJB 594A《金屬鍍覆層和化學覆蓋層選擇原則與厚度系列》，綜合考慮防腐蝕和疲勞性能，對30CrMnSiA鍍鎘層厚度進行優化。方法開展30CrMnSiA鍍鎘5個厚度系列的疲勞試驗，計算材料的DFRcutoff，研究鍍層厚度對疲勞性能的影響。通過中性鹽霧試驗，研究鍍層厚度對材料抗腐蝕性能的影響規律，最后綜合考慮疲勞及抗腐蝕性能，提出優化后的鍍鎘層厚度范圍。結果鍍層厚度控制在5～25 μm時，材料的DFRcutoff下降幅度在15%以內，厚度超過25 μm后基體材料的DFRcutoff值下降20%。在中性鹽霧環境下，厚度控制在12～25 μm時，能滿足海軍飛機一般鋼結構件抗腐蝕性能的要求，當厚度超過25 μm后，繼續增加鍍層厚度對抗腐蝕性能的提升并不明顯。結論鍍鎘使材料的疲勞性能降低，其抗中性鹽霧腐蝕能力與鍍層厚度成正比。針對海軍飛機使用環境特點，推薦30CrMnSiA鋼結構件的鍍鎘厚度范圍為12～18 μm，取上限值。

鍍鎘；DFRcutoff；疲勞性能；中性鹽霧試驗；厚度優化

鍍鎘層具有良好的耐海洋環境腐蝕的特點，是我國航空工業碳鋼和低合金鋼的主要防護層[1—2]。雖然屬于限制使用的鍍層，目前仍廣泛應用于海軍飛機結構、航電設備、緊固件等零部件的表面防護層設計[3—4]。此外在外場修理中，還大量采用電刷鍍鎘工藝對起落架、發動機合金鋼部件進行鍍層修復[5—6]。

目前關于鍍鎘的研究多集中在電鍍工藝、除氫工藝的優化及耐蝕性方面[7—9]，鮮有開展材料疲勞性能的影響方面的研究。胡小華等人的研究指出，鍍硬鉻可使材料的疲勞性能下降，隨鍍層厚度的增加，疲勞性能下降明顯[10]。因此有必要開展鍍鎘厚度對材料疲勞性能影響方面的相關研究工作，為飛機的結構材料的鍍層設計提供數據支撐。

基于此，文中以標準規定的5個厚度系列為基礎，通過中性鹽霧試驗，研究鍍層厚度對材料耐腐蝕性能的影響。通過疲勞試驗，計算不同鍍層材料的的DFRcutoff，研究鍍層對材料疲勞性能的影響。最后綜合權衡鍍層厚度對材料疲勞及抗腐蝕性的影響，優選出適合海洋環境下高強鋼結構件表面鍍鎘層的工程使用厚度，為高強鋼鍍鎘防護層設計提供技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗材料及試驗件

采用飛機結構設計常用的高強度鋼30CrMnSiA熱軋板材為試驗材料，參照HB 7110—94《金屬材料細節疲勞額定強度截止值（DFRcutoff）試驗方法》加工預制損傷應力集中系數t≤1.5的試驗件，然后按照HB/Z 5068—1992工藝對試驗件進行鍍鎘鈍化處理，以GJB 594A—2000規定的厚度系列控制鍍鎘厚度，分別為5～8 μm，8～12 μm，12～18 μm，18～25 μm，25～30 μm。同時加工50 mm×100 mm×5 mm的中性鹽霧平板試驗件，鍍層厚度與預制損傷件一致。

1.2 試驗設備

采用Landmark 250 kN疲勞試驗機開展疲勞試驗，靜載誤差小于1%，動載誤差小于2%。采用VSC1000鹽霧試驗箱開展中性鹽霧試驗，溫度范圍為室溫～55 ℃，誤差為±0.5 ℃；相對濕度范圍50%～98%，誤差為1%；鹽霧沉降量為（1～2) mL/(80 cm2·h)范圍內可調。

1.3 試驗方法

1.3.1 疲勞試驗

按照HB 7110—94《金屬材料細節疲勞額定強度截止值（DFRcutoff）試驗方法》進行，應力比=0.06，試驗頻率=15 Hz，波形為正弦波。根據經驗選擇一應力水平，使特征壽命為1.5×105～4×105，最少有效數據為5個。材料DFRcutoff計算方法如下：

假設試樣疲勞壽命服從威布爾分布，各組試樣的特征壽命為：

式中：鋁合金=4；鈦合金和鋼=3。

具有95%可靠度和95%置信度的疲勞壽命可按式（2）計算：

式中：試件系數T=1；可靠性系R=2.7；置信系數C=1.218。將（2）計算結果帶入式（3）：

(3)

式中：=1.8；m0=930 MPa

1.3.2 中性鹽霧試驗

按照GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗——鹽霧試驗》[11]進行，采用中性鹽溶液連續噴霧。試驗周期為1000 h。中性鹽霧試驗檢測周期為480，720，1000 h。

2 結果與討論

2.1 鍍層厚度對材料疲勞性能的影響

按照HB 7110—94《金屬材料細節疲勞額定強度截止值（DFRcutoff）試驗方法》，對高強鋼鍍鎘5個厚度系列進行疲勞試驗，得到了一組5個有效的原始數據，結果見表1。

根據式（3）計算不同鍍層材料的細節疲勞額定強度截止值DFRcutoff，計算結果見表2。

將試驗獲得的數據與航空材料手冊給出的相同熱處理狀態下30CrMnSiA的DFRcutoff(443 MPa)進行參考對比發現，鍍鎘對材料的疲勞性能有影響，鍍層越厚疲勞性能下降越明顯。當鍍鎘層厚度為5～8 μm時，基體材料的DFRcutoff下降11.2%；厚度為8～12 μm時，基體材料的DFRcutoff下降13.5%；厚度為12～18 μm時，基體材料的DFRcutoff下降12.7%；厚度為18～25 μm時，基體材料的DFRcutoff下降14.7%；厚度為25～30 μm時，基體材料的DFRcutoff下降20%。

表2 五個厚度系列的鍍鎘試驗件DFRcutoff

圖1 鍍鎘層厚度對材料的DFRcutoff影響曲線

采用SEM對試樣的斷口進行了分析，圖2為試驗件的宏觀、微觀斷口形貌。由此可見，試樣的預制損傷缺口處為疲勞裂紋源，圖2中疲勞擴展區和瞬斷區清晰可見。缺口處的鍍層厚度對裂紋擴展的機理及影響規律有待進一步研究。圖3為不同鍍層厚度的鍍鎘層放大400倍后的表面形貌。

從圖3可以看出，鎘鍍層中存在疏松的微孔，不同厚度的鍍層孔的大小和數量并不相同。隨著鍍層厚度的增加，孔的數量和大小基本呈增加的趨勢。孔隙率的增加也可能是導致疲勞強度的降低原因之一。此外由于鎘鍍層對氫的阻擋作用，使電鍍過程中進入鋼中的微量氫難以去除，鍍層越厚，阻擋作用越明顯，一旦除氫不徹底很容易誘發材料氫脆現象，導致材料的強度下降。

2.2 鍍層厚度對材料耐蝕性能的影響

通過中性鹽霧試驗考察了5個鍍層厚度的試樣的腐蝕情況。圖4—6分別為試驗件經480，720，1000 h中性鹽霧試驗后的表面形貌。

圖4的結果表明，當中性鹽霧試驗至480 h，試驗件表面鍍層的黃色膜基本褪掉，在褪色的表面鎘鍍層發生腐蝕。其中鍍層厚度為5～8 μm的試驗件表面可見少量麻點，其他厚度的試驗件表面也出現了幾個點蝕斑。厚度為25～30μm的蝕點最少，鍍層厚度對材料的耐蝕性有影響。

圖5的結果表明，試驗至720 h，試驗件大部分的黃色膜層基本都已經失效，表面呈暗灰色，但是基體未出現紅銹。其中厚度為5～8 μm，8～12 μm的試驗件表面還出現了鎘腐蝕坑，厚度為12～18 μm，18～25 μm，25～30 μm的試驗件表面仍有部分黃色鈍化膜未消失。

圖6的結果表明，當試驗繼續進行至1000 h，鍍層厚度為5～8 μm，8～12 μm的試驗件表面金黃色的鈍化鍍膜都消失。鍍層厚度為12～18 μm的試驗件表面開始出現鎘腐蝕坑，但基體金屬并沒有出現腐蝕情況。當鍍層厚度在18～25 μm和25～30 μm時，試驗件的表面鎘鍍層均未出現鎘腐蝕后留下的蝕坑，基體也沒有出現紅銹，表現出具有良好的抗腐蝕性能。在試驗1000 h的情況下，當厚度范圍控制在18～25 μm和25～30 μm時，其防護能力基本相當。

綜合分析上述試驗結果可知，鍍鎘層厚度與材料的抗腐蝕性成正比，即鍍層越厚，對鋼基體的防護效果越好。當厚度增加到一定范圍時即能滿足海軍飛機對一般鋼結構件的工程防護基本要求。

2.3 鍍鎘層厚度優化設計

通過上述研究可知，鍍鎘層越厚，材料的細節疲勞額定強度截止值DFRcutoff下降幅度越大，鍍層越厚，抗腐蝕能力越強。從飛機結構設計來講，高強度鋼一般為承力結構，必須兼顧材料的靜強度和疲勞性能。針對海軍飛機海洋環境下的使用特點，推薦高強鋼鍍鎘的厚度范圍選擇為12～18 μm，取上限值。

3 結論

1）鍍鎘層厚度對基體結構鋼材料的疲勞性能有影響，鍍鎘層越厚，材料的細節疲勞額定強度截止值DFRcutoff下降幅度越大。

2）鍍鎘層的耐腐蝕性能與鍍層厚度有關，鍍層越厚，抗腐蝕能力越強。當厚度控制在12～25 μm時即能滿足防護要求，當厚度超過25 μm后，繼續增加鍍層厚度對抗腐蝕性能的提升并不顯著。

3）根據海軍飛機的海洋使用環境特點，推薦高強鋼鍍鎘的厚度范圍選擇為12～18 μm，取上限值。

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[11] GB/T 10125—1997, 人造氣氛腐蝕試驗——鹽霧試驗[S].

Thickness Optimization Study on 30CrMnSiACadmium Plated Layer

WANG Xiao-long, SUN Zuo-dong

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control, Special Vehicle Research Institute of China, Jingmen 448035, China)

Objective To optimize the thickness of the 30CrMnSiA cadmium plating by comprehensive consideration of the corrosion resistance and fatigue properties based on the Selection principle and thickness series for metallic and chemical coatings of GJB594A. Methods Influences of the thickness of cadmium plating on the fatigue property and the corrosion resistance were studied by five thickness series fatigue tests to calculate the DFRcutoffvalue and neutral salt spray test of 30CrMnSiA steel. Finally, the plated thickness after optimization was put forward by comprehensive consideration of the corrosion resistance and fatigue property. Result The fatigue property declined by 15% when the plating thickness was controlled in 5 ~ 25 μm, and declined by 20% when the thickness was more than 25 μm. In neutral salt fog environment, the plating thickness controlled in 12 ~ 25 μm could meet the design requirement for general steel structure corrosion protection. If the thickness exceeds 25μm, increasing the plating thickness its influences on the improvement of corrosion resistance was not obvious. Conclusion Cadmium plating decreases the fatigue property of materials. The corrosion resistance was proportional to the plating thickness in the neutral salt-frog environment. According to the environment characteristics of naval aircraft, it is recommended to adopt the upper limit value of 12 ~ 18μm for thickness of the 30CrMnSiA steel cadmium plating.

cadmium plating; detail fatigue rating cutoff; fatigue property; neutral salt spray test; thickness optimization

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.016

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)03-0080-04

2017-01-22；

2017-02-08

王小龍（1980—），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要研究方向為飛機結構腐蝕防護與控制。