飛機鋁基零件鍍層結合力影響因素分析

鄭勇宏

摘要：鋁及鋁合金性質活潑，需經過特殊的前處理才能進行電鍍，鋁合金電鍍效果取決于前處理準備的細致程度。對鋁及合金前處理過程中容易出現質量問題的原因進行了分析，提出了去除氧化膜和防止氧化膜再次生成的解決方法，對關鍵工序控制因素進行了分析。

關鍵詞：鋁基體;鍍層結合力;前處理

0引言

某型飛機上有大量鋁及鋁合金零件，為防止該類零件在腐蝕氣候環境下使用時發生腐蝕，一些零件需要用電鍍手段鍍覆一層防腐層，另有一些電器零件需要鍍錫和化學鍍鎳。

鋁及鋁合金材料屬于兩性金屬，化學性質比較活潑，既能與酸發生反應，又能與堿發生反應，在電鍍時存在許多困難，主要表現為鍍層起皮、鼓泡，導致鍍層與基體金屬結合力差。造成這些故障的主要原因如下。

1）鋁是一種化學性質非常活潑的金屬，與氧的親和力較強。在自然條件下，表面極易生成一層薄而致密的氧化膜，甚至剛剛除過氧化膜的表面又會迅速生成新的氧化膜，從而嚴重削弱了鍍層與鋁基體的結合力。

2）鋁的標準電極電位為1.67V，很容易失去電子。當鋁基零件浸入電解液中，立即就會與電位較高的金屬離子發生置換反應，在鋁基零件表面產生疏松的接觸沉積。

3）鋁是典型的兩性金屬，能和大多數酸作用生成鋁鹽并放出氫氣，與堿作用生成偏鋁酸鹽并放出氫氣，沒有適于直接電鍍的電解液。

4）鋁基零件與鍍層之間常有氫氣吸藏，造成鍍層鼓泡。

5）鋁的膨脹系數與許多金屬鍍層相差很大（鋁為24×10^-6，鉻為7×10^-6），容易引起內應力，影響鍍層金屬與鋁基體的結合力。特別是當環境溫度發生變化時，鋁基體與鍍層金屬同時膨脹，造成鍍層鼓泡、裂紋。

因此，鋁基零件電鍍的關鍵是需要特殊的鍍前處理，目的在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次生成，以及當鋁基金屬零件浸入電鍍液時阻止置換反應的深度發生。

1鍍前處理工藝流程

一般采取的工藝流程為：將鋁基金屬零件經有機溶劑脫脂、堿浸蝕、酸洗活化等過程后，采用二次浸鋅工藝等建立電鍍中間層，以保證獲得較好的電鍍層。具體的工藝流程是：除油→水洗→堿蝕→水洗→酸洗活化→水洗→浸鋅→水洗→電鍍。

2前處理影響因素

鋁基零件和鍍層金屬的結合需要滿足三個條件：一是完全無氧化膜的清潔表面;二是與鋁基體直接接觸的底層金屬的電位要與鋁的電位接近;三是如果形成合金則要有較高的固溶度，以利于鍍層在原沉積層上延伸。因此，在前處理工藝中控制各工序特性是提高鋁基零件鍍層結合力的重要途徑。

2.1堿腐蝕

堿腐蝕的目的是進一步去除鋁基零件的自然氧化膜并粗糙表面，進而暴露金屬結晶組織，提高鍍層結合力。鋁基零件在堿腐蝕過程中，基體表面的氧化膜首先被溶解，之后基體與堿作用生成偏鋁酸鹽并放出氫氣。

Al₂O₃+2NaOH→2NaAlO₂+2H₂O

2Al+2NaOH⁺→2NaAlO₂+3H₂↑

鋁基零件堿腐蝕處理實際上是化學腐蝕的過程，因此零件在進行堿腐蝕時一定要掌握時間，控制相應的溫度。若溫度過高、時間過長，基體組織去除較多，容易引起零件過腐蝕或尺寸超差。溫度與腐蝕時間的關系在前處理工序中尤為重要。

堿腐蝕后的鋁基零件應及時用40℃～50℃的流動熱水清洗，流動熱水是為避免水中堿性過強造成二次腐蝕，之后再用流動冷水清洗。

2.2浸酸活化

鋁基零件經過堿腐蝕處理后，鋁合金中的金屬或非金屬元素如Fe、Mn、Cu、Mg、Si等不溶于堿，形成一層黑褐色膜殘留在零件表面，俗稱“掛灰”，這些“掛灰”影響基體與鍍層的結合力，必須在酸性溶液中經活化處理除去，從而使零件表面顯露出金屬結晶結構。

只有選擇適合不同鋁合金成分的活化處理工藝，才能真正達到活化基體和提高結合力的目的。如果活化處理得當，鋁基零件上的鍍層經200℃和3h耐熱試驗后也不會剝離和起泡。因此，要根據鋁基零件的材料成分、表面狀態的不同，選擇合適的活化處理工藝。對純鋁和含銅鋁合金的零件常采用比例為1：1的硝酸和水的溶液（體積比）進行浸蝕活化處理;硬鋁零件用1：1硝酸和硫酸的混合溶液（體積比）;含硅10%以下的硅鋁合金，用3：1硝酸和氫氟酸的混合溶液（體積比）;對含硅大于10的高硅鋁合金則在1：1硝酸和氫氟酸的混合溶液（體積比）中進行活化處理。經過酸洗活化處理后，鋁基零件表面必須均勻、光潔、濕潤并呈灰白色，才能保證鍍層結合力良好。

2.3浸鋅

經過前兩道工序處理后的鋁基零件在鋅酸鹽中化學浸鋅，在有效地除去表面氧化膜的同時，零件表面的金屬鋁與溶液中含絡合物（Zn（OH）₄）^2-中的鋅離子發生置換反應，生成一層薄而平整、細致均勻的浸鋅層，從而防止鋁基體氧化膜的再次生成，使鋁基體的表面電位向正方向移動，從而使基體獲得結合良好的鍍層。

實際上，鋁基零件在鋅酸鹽溶液中處理的過程是一個電化學過程。

在陽極，鋁被溶解：

A1+30H→Al（OH）₃+3e

Al（OH）₃

AlO²+H₂O+H⁺

在陰極，鋅被析出：

（Zn（OH）₄）^2-

Zn²⁺+4OH^-

Zn²⁺+2e→Zn

由于在強堿溶液中氫離子的含量非常低，且鋅的電位非常高，所以反應過程中沒有明顯的氫析出。

鋅酸鹽的濃度對獲得的接觸鋅的結構和結構強度有很大影響。實驗證明，鋅酸鹽含量低時，鋅層結晶粗糙，結合力差;提高鋅酸鹽含量后，鋅層細致、緊密，鍍層結合牢固。在鋅酸鹽含量不變時，游離氫氧化鈉含量越高，被置換出來的鋅層越薄，這是因為提高了氫氧化鈉的含量，相應地提高了（Zn（OH）₄）^2-的穩定性，使鋅的電位更接近鋁的電位，鋅從堿性溶液中的置換過程很快就會停止。

鋁基零件進行鋅酸鹽處理時，鋅的厚度只在開始很短的時間內以一定的速度增加，達到一定值后隨著時間增加但鋅層厚度的增加不再明顯，如果浸漬時間超過3min，甚至會使鋅層與基體的結合力變差。

在鋅酸鹽中添加少量的三氯化鐵和酒石酸鉀鈉，可以改善鋅層結構，提高鋁和鋁合金電鍍后的耐蝕能力。這是由于在強堿溶液中，酒石酸鉀鈉能夠與鐵生成絡合物，當鋁基零件浸入溶液后，鐵與鋁同時發生置換反應，形成與基體緊密結合的鋅鐵合金層，以此代替純鋅，減少了鍍層起泡、脫落現象，可以進一步改善浸鋅層的結合力。

為提高浸鋅層的結合力，改善鍍層質量，鋁基零件鋅酸鹽處理在工藝上大都采用兩次浸鋅。第一次浸鋅難免有氧化膜殘留，浸鋅層結合力不好，因此在第一次浸鋅后用1：1的硝酸和水溶液退除（體積比），經水洗后進行第二次浸鋅，這樣能得到薄而致密、晶粒細致的鋅置換層，從而保證良好的結合力。不過，第二次浸鋅的時間不宜過長，以防止出現零件過腐蝕現象。

2.4夾具等的影響

浸鋅掛具一般由鍍鎳的鋼或銅制成，不能用銅及銅合金掛具，是為了防止銅與鋁基零件接觸發生置換反應而出現鼓泡、起皮等結合力不良現象。前處理有多道工序時，宜用鋁絲吊掛零件，便于各工序間的快速操作和清洗。裝掛夾具時，除裝掛點外，不允許碰撞零件浸鋅層，否則應重新進行浸鋅。

浸鋅溶液可以用碳鋼槽、不銹鋼槽盛裝，但在操作時，零件不允許與槽壁接觸，這是因為鋁基體可能會成為陽極而影響鋅的沉積。

2.5在浸鋅層上電鍍

浸鋅層很薄，鍍其他金屬時必須選擇適合的電鍍工藝，如鍍鎘、鍍銅、鍍錫、化學鍍等。以飛機電器零件化學鍍鎳為例，浸鋅后閃鍍一層氰化銅，任何鍍層或多層電鍍都可以在銅上鍍覆，電鍍時先用2.6A/dm²沖擊鍍1～2min，再降至1.3A/dm²鍍2～3mm。之后，再進行化學鍍鎳，化學鍍鎳不僅防腐性能優良，而且具有可焊性（適用于電阻焊）、導電性好。

3主要工序注意事項

鋁基零件屬于特種電鍍工藝，電鍍的效果主要取決于鍍前準備的細致程度，要點在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次形成。操作中應注意以下幾點。

1）零件經浸酸活化處理后，各道工序必須迅速進行，工序間的間隔時間越短越好。活化處理后的零件應在流動水中除去表面殘留的溶液，尤其是盲孔死角，否則影響浸鋅層的質量。同樣，浸鋅后也必須進行徹底清洗。

2）第二次浸鋅時間不宜過長，應控制在工藝規定的范圍內，以防止造成零件過腐蝕現象的發生。浸鋅后的零件表面應呈青灰色，有一層微光澤、色澤均勻一致的薄而致密的鋅膜，如出現斑點或光澤不均，或浸鋅層被碰傷時，都必須在酸溶液中除去后重新進行前處理，直至色澤符合要求。

3）為了避免各種溶液互相滲雜，冷、熱水清洗必須徹底，尤其要注意重金屬離子不得混入電鍍槽中。

4）在熱的電解液中電鍍時，鋁基零件應在干凈的熱水槽中預熱。預熱時間不能過長，以防止鋅層氧化而影響鍍層結合力。

5）由于鋅的電位很低，在普通電鍍槽液中會發生強烈的置換反應，嚴重影響鍍層結合力，因此，浸鋅后的鋁基零件必須帶電下槽進行快速閃鍍，用大電流沖擊1～2min后，再轉為正常電鍍，使其表面有一層鍍層，以免浸鋅層氧化或產生置換層。

6）經閃鍍后，浸鋅層雖被覆蓋，但鍍層仍然很薄，電鍍溶液仍能通過閃鍍層孔隙致鋅層腐蝕。因此，閃鍍后鍍覆其他金屬仍需要帶電下槽。

4結論

1）鋁基零件電鍍前需經過特殊的預處理才能獲得優良鍍層。

2）前處理工序中堿腐蝕、浸酸活化、浸鋅是影響鍍層結合力的關鍵工序。

3）在鋅酸鹽中化學浸鋅，能有效地除去零件表面氧化膜，同時從溶液中置換出一層薄而致密的金屬鋅，從而阻止氧化膜的再次發生。

參考文獻

[1]張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊[M].北京：國防工業出版社，2007.