新型鍍鉻封孔技術的性能及其在某型飛機起落架上的應用

王浩軍，詹中偉，周雁文，湯智慧，孫志華，彭 超

（1.中航飛機西飛公司制造工程部，西安710089；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京100095）

電鍍硬鉻鍍層是鋼制零件最常用的耐磨防護鍍層［1］，硬度較高，一般為700～1 000 HV，具有良好的耐磨性，在飛機液壓部件、軸承、軸筒等部位有著廣泛的應用。盡管目前超音速火焰噴涂、爆炸噴涂等新型替代技術的應用逐漸普遍［2-3］，但是電鍍硬鉻因工藝成熟、鍍層穩(wěn)定和耐磨性能良好等優(yōu)點，在軍工行業(yè)仍然有大量的應用，在可預見的時期內(nèi)仍將是鋼制零件的主要表面處理工藝。但是，采用傳統(tǒng)電鍍硬鉻工藝獲得的硬鉻鍍層，本身結(jié)構(gòu)存在網(wǎng)狀裂紋，而且后續(xù)的磨削加工往往會造成裂紋的增加，可能形成相互貫穿的網(wǎng)狀裂紋，這就使得有氣密性要求的鍍鉻零件發(fā)生漏氣現(xiàn)象，俗稱“冒汗”。不僅如此，網(wǎng)狀裂紋的存在還會造成腐蝕介質(zhì)更易深入鍍層內(nèi)部，造成基體腐蝕［4-6］。據(jù)統(tǒng)計，某型飛機主起落架活塞桿零件，鍍鉻后在氣密試驗中，“冒汗”率最高可達80%，難以通過氣密試驗，導致活塞桿零件不得不退除鉻層重新鍍覆；個別零件甚至返工3次。這種現(xiàn)象嚴重耽誤生產(chǎn)進度，影響零件正常交付，另外按照工藝文件規(guī)定，超過三次返工仍不合格的零件必須報廢處理，這也造成嚴重浪費。

目前工業(yè)界解決硬鉻鍍層氣密性差、耐蝕性差問題的主要思路是采取措施減少或消除微裂紋，主要方法包括油封、金剛石碾壓等。但是這些方法的效果并不十分理想，根本原因在于油封可能會在高壓作用下失效，而金剛石碾壓盡管能減少已有裂紋，但無法完全消除裂紋，甚至可能會催生出新的裂紋。目前國內(nèi)外普遍采用有機聚合物封閉的方法來提高硬鉻鍍層的耐蝕性。美國Messier-Dowty公司采用特殊的有機物對硬鉻鍍層進行封孔后處理，實現(xiàn)在中性鹽霧中750 h不出現(xiàn)銹蝕，同時還提高了鍍層氣密性。

本工作針對某型飛機主起落架活塞桿鉻鍍層氣密性差的問題，采用北京航空材料研究院研發(fā)的518封孔劑，對鉻鍍層進行封閉處理，并對封孔后的活塞桿零件進行全面適應性考核，以期為鍍鉻封孔處理工藝提供理論基礎。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料選用航空工業(yè)常用的30Cr MnSiNi2A高強度鋼，其名義成分見表1。用于孔隙率、耐蝕性、顯微硬度、耐溫性、耐油性、耐紫外老化檢測的試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm，氫脆測試試樣按照HB 5067.1－2005《鍍覆工藝氫脆試驗》中的標準尺寸進行加工。某型飛機主起落架活塞桿功能考核的試驗均采用實際零件，包括常溫氣密試驗、耐高低溫試驗和耐磨試驗。電鍍硬鉻及測試過程中所用藥品，包括鉻酐、硫酸等，均為分析純。本工作選用北京航空材料研究院研發(fā)的雙組份518封孔劑。

表1 30Cr MnSiNi2A高強度鋼的名義化學成分Tab.1 Nominal chemical composition of 30Cr MnSiNi2A steel %

1.2 鍍鉻封孔處理

電鍍硬鉻工藝按照HB／Z 5072－1992《電鍍鉻工藝》進行，電鍍參數(shù)為：槽液溫度50～60℃，電流密度40～60 A／dm2，鍍層厚度40～60μm。所有試樣鍍后都需要進行除氫處理：（190±10）℃下保持至少8 h。試樣除氫后即可進行封孔處理。對于活塞桿零件，在封孔之前，還需要進行超精磨削處理，以達到規(guī)定的表面光潔度。

封孔處理工藝流程為：鉻鍍層除油→加熱→涂覆518封孔劑（刷涂或浸涂）→室溫固化（≥3 h）→加溫固化（120℃，≥2 h）。

1.3 表征與測試方法

硬鉻鍍層的孔隙率檢測，按照GB／T 17721－1999《金屬覆蓋層孔隙率試驗》規(guī)定，采用鐵氰化鉀溶液涂覆在試紙上，覆蓋于硬鉻鍍層表面，觀察是否出現(xiàn)藍色斑痕。鍍層的顯微硬度測試按照GB 9790－1988《金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層維氏》的規(guī)定，采用Struers顯微硬度儀檢測。氫脆性能測試按照HB 5067.1－2005《鍍覆工藝氫脆試驗》的規(guī)定，采用標準氫脆試樣，進行200 h持續(xù)加載試驗。鍍層的耐蝕性采用中性鹽霧試驗檢測，按照ASTM B117－2011《鹽霧試驗標準》在Q-FOG鹽霧箱中進行，鹽霧溶液為5%（質(zhì)量分數(shù)，下同）NaCl溶液，每24 h檢查1次，試驗時間360 h。耐溫性測試是將經(jīng)鍍鉻封孔處理的試樣放入（200±10）℃烘箱保溫24 h，取出后空氣中冷卻至室溫，觀察鍍層表面狀態(tài)。耐紫外老化試驗按照GB／T 16585－1996的規(guī)定，鍍鉻封孔的試樣紫外照射96 h后，觀察鍍層表面狀態(tài)。

活塞桿的功能試驗主要根據(jù)零件的檢驗要求進行，包括高低溫氣密試驗和耐磨試驗等，試驗設備采用工廠氣密性測試裝置。

2 結(jié)果與討論

2.1 518封孔劑成分及原理

518封孔劑是北京航空材料研究院研發(fā)的雙組份封孔產(chǎn)品，主要用于提高鉻鍍層的耐蝕性和氣密性。A組份屬于無溶劑型液體環(huán)氧類樹脂，B組份為固化劑。環(huán)氧類樹脂作為封孔劑的主要物質(zhì)，其環(huán)氧基團化學性質(zhì)活潑，可以與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應，形成不溶、難熔的三維網(wǎng)絡狀高聚物。518封孔劑正是利用上述反應原理，將封孔劑固化于鉻鍍層的微裂紋中，從而達到封閉的效果。

環(huán)氧樹脂一般分子量較大，黏度較大，而鉻鍍層的微裂紋寬度約為幾微米，因此理論上封孔劑較難滲入。518封孔劑產(chǎn)品主要從兩個方面解決上述理論和技術難題。

首先篩選合適分子量的環(huán)氧樹脂。分子量大的環(huán)氧樹脂在常溫下為固態(tài)，不宜作為無溶劑液體封孔劑，518封孔劑采用分子量小、常溫為液體的環(huán)氧樹脂作為封孔劑的基料。

其次利用裂紋毛細作用原理，改進優(yōu)化封孔工藝。先將零件加溫，蒸發(fā)裂紋中的水氣，裂紋中的空氣也受熱膨脹排出，之后在零件降溫的過程中，刷涂封孔劑，由于溫度梯度和裂紋毛細作用的共同結(jié)果，封孔劑更易滲入到裂紋中。

2.2 硬鉻層封孔后的微觀形貌

由圖1可見：未進行封孔處理的硬鉻鍍層表面存在大量微裂紋，其分布沒有明顯的規(guī)律性；微裂紋在鉻鍍層整個厚度范圍內(nèi)都隨機分布，當其相互連接并貫穿鍍層時，就可能形成通路，宏觀上造成漏氣。與此同時，微裂紋也會成為外界腐蝕介質(zhì)滲透入基體的通道，造成基體腐蝕。

圖1 硬鉻鍍層封孔前后的表面及截面形貌Fig.1 Surface（a，c）and cross-section（b，d）morphology of hard chrome plating before and after sealing

硬鉻鍍層經(jīng)過封孔處理后，微觀表面的裂紋痕跡略有減輕，且截面的的裂紋痕跡略有減少，見圖1（c）和（d）。這可能是由于封孔劑滲入并固化在裂紋中造成的。需要指出，封孔后表面仍顯示出裂紋痕跡，并非是封孔劑未滲入裂紋中，而是由于非金屬的封孔劑與金屬的硬鉻鍍層在材質(zhì)上差別明顯，所以在掃描電子顯微鏡下出現(xiàn)了成像的差異。

2.3 封孔性能考核

2.3.1 孔隙率

由圖2可見：未封孔的硬鉻鍍層，出現(xiàn)了大量的藍色斑痕，這表明鉻鍍層上存在裂紋，鐵氰化鉀溶液能夠滲透進入裂紋，并與鐵基體發(fā)生反應。封孔之后的硬鉻鍍層完全沒有出現(xiàn)藍色顯色反應，顯示出封孔處理已經(jīng)完全將硬鉻鍍層中的微裂紋封堵，溶液無法滲透進入鍍層。

2.3.2 顯微硬度

作為耐磨層，硬鉻鍍層的顯微硬度一般需要保持在700 HV以上。封孔處理必須在提高耐蝕性的同時，保證鍍層本身硬度不降低。封孔前后鍍層的顯微硬度檢測結(jié)果見表2。由表2可見：封孔處理對于鍍層硬度沒有不利影響。

2.3.3 氫脆性能

理論上，電鍍硬鉻后經(jīng)充分除氫處理，不會引發(fā)基體的氫脆問題。封孔處理也必須不影響基體氫脆性能才有實用性。518封孔劑屬高分子物質(zhì)，在涂覆和固化過程中，并不會產(chǎn)生氫，尤其是引發(fā)氫脆的原子氫，所以，理論上封孔處理不會對基體的氫脆性能產(chǎn)生影響。對封孔處理的氫脆試棒進行缺口拉伸試驗，經(jīng)檢測缺口試樣的強度平均約為2 580 MPa。封孔處理后的缺口拉伸試樣，加載75%缺口強度的載荷，保持200 h，檢驗缺口試樣是否發(fā)生斷裂。試驗結(jié)果顯示所有封孔試樣都沒有發(fā)生斷裂，這表明封孔處理不會增加基體的氫脆風險，見表3。

圖2 硬鉻鍍層封孔前后的孔隙率Fig.2 Porosity of hard chrome plating before（a）and after（b）sealing

表2 封孔前后鍍層的顯微硬度Tab.2 Microhardness of hard chrome plating before and after sealing HV0.3

表3 封孔處理后氫脆試棒的拉伸結(jié)果Tab.13 Tensile results of hydrogen-embrittlement test bars after sealing treatment

2.3.4 耐溫性

硬鉻鍍層在服役過程中往往要承受一定的載荷和摩擦，因此不可避免會發(fā)生升溫情況。封孔劑如果在升溫過程中發(fā)生溢出或溶解，將會大幅度降低硬鉻鍍層的耐蝕性，甚至影響耐磨性。結(jié)合實際服役環(huán)境，設置耐溫性測試的溫度為（200±10）℃，將封孔處理的試樣放置其中保溫24 h。

圖3所示為測試前后的硬鉻鍍層外觀。經(jīng)過耐溫測試后，硬鉻鍍層表面沒有出現(xiàn)封孔劑溢出或溶解的現(xiàn)象。這是由于雙組份的封孔劑滲透進入微裂紋中，經(jīng)過固化之后，發(fā)生充分的交聯(lián)反應，形成牢固的聚合物體系，其自身在200℃以內(nèi)能夠保持良好的完整性和穩(wěn)定性。

圖3 耐溫性測試結(jié)果Fig.3 High temperature resistance test result：（a）befores test；（b）after test

2.3.5 耐蝕性

檢驗封孔效果最重要的指標是耐蝕性，采用5%（質(zhì)量分數(shù)）NaCl中性鹽霧試驗進行檢測。由圖4可見：未封孔的鉻鍍層經(jīng)過24 h鹽霧試驗后，表面出現(xiàn)了大量紅色腐蝕產(chǎn)物，表明腐蝕介質(zhì)已經(jīng)通過鉻鍍層的微裂紋滲透進入基體表面，造成鋼基體嚴重腐蝕。而封孔處理試樣經(jīng)過360 h鹽霧試驗后，沒有出現(xiàn)任何腐蝕跡象，顯示出極佳的耐腐蝕性能。

圖4 硬鉻鍍層封孔前后的中性鹽霧試驗結(jié)果Fig.4 Neutral salt spray test results of hard chrome plating before（a）and after（b）sealing

2.3.6 耐紫外老化性

封孔處理是采用有機高分子物質(zhì)堵塞硬鉻鍍層中的微裂紋，達到提高氣密性和耐蝕性的目的。有機高分子物質(zhì)必須具有良好的耐紫外老化性能，才能在長期服役中穩(wěn)定使用。

由圖5可見：經(jīng)過96 h紫外老化試驗后，硬鉻鍍層表面并未出現(xiàn)明顯的變化，封孔劑未出現(xiàn)溶解、鼓泡、脫落等現(xiàn)象，表明封孔試樣具有優(yōu)異的抗紫外老化性能。

圖5 紫外老化試驗前后的封孔硬鉻鍍層表面形貌Fig.5 Surface morphology of sealed hard chrome plating before（a）and after（b）UV aging test

2.4 活塞桿鍍鉻封孔工藝應用

國內(nèi)某型飛機主起落架活塞桿批產(chǎn)過程中，鍍鉻段長期存在漏氣和冒汗現(xiàn)象，造成起落架結(jié)構(gòu)減壓，破壞減震和穩(wěn)定的作用。據(jù)統(tǒng)計，某型飛機起落架活塞桿漏氣率高達80%。不合格的活塞桿需要退鉻重鍍，嚴重耽誤生產(chǎn)進度；并且根據(jù)工藝文件規(guī)定，退鍍返工次數(shù)不得超過三次，否則必須按報廢處理，極大增加了生產(chǎn)成本。

針對上述嚴重問題，現(xiàn)采用封孔劑對活塞桿硬鉻層進行封孔處理。封孔處理的一般工藝流程為：鉻鍍層表面清洗→加熱→配制封孔劑→刷涂封孔劑→靜置并固化。根據(jù)需要，可以重復上述步驟2～3次，以提高封孔效果。

1）鉻鍍層表面清洗

鉻鍍層應當在磨削加工后開始封孔處理。鉻鍍層的清洗可采用有機溶劑，如丙酮等，以完全去除鉻層表面的油污等，形成潔凈、均勻的待涂覆表面。如有必要，可采用陽極除油。

2）加熱

將活塞桿加熱至120～150℃，保持至少1 h。

3）配制封孔劑

在活塞桿加熱過程中，按照比例配制封孔劑，攪拌均勻，并在1 h內(nèi)使用。

4）刷涂封孔劑

將活塞桿取出掛起，采用潔凈的毛刷在鍍鉻區(qū)域均勻刷涂封孔劑，確保封孔劑在整個涂覆區(qū)域均勻鋪展，并保持至少3 min；然后采用潔凈紗布擦除表面多余封孔劑。

5）靜置并固化

室溫靜置至少6 h，然后在120～150℃下固化處理至少2 h，冷卻后即可交付。

2.5 活塞桿零件功能驗證

活塞桿零件進一步開展功能考核，以驗證封孔處理對氣密性的提升效果。按照工廠氣密性測試裝置進行高低溫氣密試驗和耐磨試驗等。

2.5.1 高低溫氣密試驗

高低溫氣密試驗是模擬實際服役環(huán)境，檢驗封孔處理的活塞桿經(jīng)歷高、低溫后的氣密性。試驗裝置示意如圖6所示。高溫試驗是將充填正常氣壓的活塞桿在（70±2）℃下保持2 h后，進行拉伸壓縮試驗，待恢復到正常溫度后，進行氣密試驗。低溫試驗是將充填正常氣壓的活塞桿在（－55±2）℃下保持4 h后，進行拉伸壓縮試驗，待恢復到正常溫度后，進行氣密試驗。氣密試驗包括高、中、低三個壓力下的氣密檢測，檢測不同壓力下活塞桿漏氣情況，其中高壓是液壓1.9 MPa，保持1 h；中壓是氣壓0.9 MPa，保持2 h；低壓是氣壓0.6 MPa，保持4 h。對比封孔與未封孔處理的活塞桿，試驗結(jié)果如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過封孔處理后的活塞桿全部通過高低溫后的各項氣密試驗，而未封孔零件則均未通過試驗。這表明封孔處理極大提高了活塞桿零件的氣密性能。

圖6 氣密性試驗裝置示意圖Fig.6 Sketch of airtightness test set

表4 高低溫氣密試驗結(jié)果Tab.4 Results of airtightness test at high and low temperatures

2.5.2 耐磨試驗

耐磨試驗是模擬活塞桿實際工作情況，在有液壓油潤滑的情況下進行500周期的拉伸壓縮試驗，每100周期檢查鉻鍍層外觀，試驗完成后進行密封性能檢測，同時對液壓油的潔凈度進行檢測，檢驗封孔處理是否會對液壓油的潔凈度產(chǎn)生污染。

結(jié)果表明，在整個耐磨試驗期間，進行封閉處理的活塞桿鉻鍍層外觀正常，密封性合格。同時，封孔處理的活塞桿經(jīng)過500周期耐磨試驗后，其液壓油的潔凈度與未封孔活塞桿中液壓油的相同，表明封孔處理不影響液壓油的潔凈度。

3 結(jié)論

（1）封孔處理的工藝性能穩(wěn)定，能夠降低硬鉻鍍層孔隙率，提高耐蝕性，不影響鍍層顯微硬度、氫脆性、耐溫性和耐紫外老化性能。

（2）采用封孔處理的某型飛機主起落架活塞桿，氣密性能大幅度提高，耐磨性能合格，封孔處理有效降低了返工次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，減少了材料及工時浪費，生產(chǎn)效益明顯。