金屬陶瓷防腐蝕涂層替代鍍鎘或鎘?鈦工藝的研究

李博

（中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200）

飛機起落架鋼制零件的傳統防護工藝為鍍鎘、低氫脆鍍鎘或鍍鎘-鈦，雖然有較好的防護效果，但鎘有劇毒，會對環境造成極大危害，并且目前電鍍鎘、鎘-鈦后都要進行六價鉻鈍化才能達到要求，而六價鉻也是劇毒物質。此外，零件在使用過程中也存在氫脆、鎘脆等風險，不能很好地保證起落架的使用安全和壽命。民用飛機起落架主要采用300M(40CrNi2Si2MoVA)鋼、高強鈦合金及鋁合金等高性能材料，對其進行新型高性能表面防護工藝的研究十分必要[1]。國外已廣泛采用IPcote 9183 金屬陶瓷涂層代替鍍鎘或鍍鎘-鈦工藝對零件進行防護，并進行了深層次的研究[2-3]。國內目前對此方面的研究尚不深入，也未見實際應用。為此，筆者開展了金屬陶瓷涂層工藝與傳統鍍鎘、鍍鎘-鈦工藝的對比研究，制定了金屬陶瓷涂層噴涂技術條件和型號標準，交付了典型零件，滿足了某新研型號的需求，具有一定的推廣價值。

1 實驗

1. 1 涂料

采用英國Indestructible Paints 公司生產的IPcote 系列涂料中的IPcote9183 和IPseal9184，它們的物理性質見表1。

表1 IPcote9183 和IPseal9184 涂料的物理性質Table 1 Physical properties of IPcote9183 and IPseal9184

1. 2 試樣的制備

鍍鎘、鎘-鈦試樣的基材分別為30CrMnSiA 鋼和300M 鋼。結合力、耐蝕性試樣的規格分別為100 mm × 25 mm × 1 mm 和100 mm × 150 mm × 1 mm，粗糙度Ra 不大于0.8 μm。氫脆性試樣的基材為300M 鋼，符合HB 5067.1-2005《鍍覆工藝氫脆試驗 第1 部分：機械方法》中圖1 的要求。分別按HB/Z 5068-1992《電鍍鋅、電鍍鎘工藝》和HB/Z 107-1986《高強度鋼零件低氫脆鍍鎘-鈦工藝》進行氰化物鍍鎘和無氰鍍鎘-鈦，厚度8 ～ 12 μm，并進行鈍化處理[4]。

金屬陶瓷涂層的制備流程有2 種：

(1) 噴涂前檢查→丙酮清洗→屏蔽非噴涂表面→吹砂→清洗→噴涂IPcote9183(厚度25 ～ 40 μm)→表干[(80 ± 10) °C，≥30 min]→固化[(190 ± 10) °C，≥20 h]→涂漆。

(2) 噴涂前檢查→丙酮清洗→屏蔽非噴涂表面→吹砂→清洗→噴涂IPcote9183→表干[(80 ± 10) °C，≥30 min]→固化[(190 ± 10) °C，≥20 h]→噴涂IPseal9184→表干[室溫下晾干至少15 min 后于(80 ± 10) °C下加熱30 min 以上]→固化[(190 ± 10) °C，≥20 h]。IPcote9183 +IPseal9184 的涂層總厚度為35 ～ 50 μm。

1. 3 性能測試

1. 3. 1 結合力

按HB 5036-1992《鎘鍍層質量檢驗》中的彎曲法測試鍍層的結合力：用鉗子夾緊待測試樣，反復彎曲180°，直至基體金屬斷裂，在5 倍放大鏡下檢查斷口，鍍層與基體金屬之間應無起皮、脫落現象，在5 倍放大鏡下觀察到龜裂屬于合格。

按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》測試涂層的結合力，應至少符合1 級要求。

1. 3. 2 耐蝕性

按GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行中性鹽霧(NSS)試驗。對于鈍化后的鎘層、鎘-鈦層，96 h 無白銹、360 h 無紅銹為合格；對于IPcote9183 涂層，360 h 不出現紅銹為合格；對于IPcote9183 + IPseal9184 涂層，1 000 h 不出現紅銹為合格。

1. 3. 3 氫脆性

按HB 5067.1-2005 進行持續拉伸試驗，200 h 不斷裂則氫脆性合格。

2 結果與討論

2. 1 工藝對比

對金屬陶瓷涂層涂覆工藝與鍍鎘、鎘-鈦工藝進行對比，具體見表2。

表2 金屬陶瓷涂層涂覆與鍍鎘、鎘?鈦工藝對比Table 2 Comparison between metallic–ceramic coating and Cd/Cd–Ti electroplating

2. 2 鍍層對比

2. 2. 1 外觀

如圖1 所示，IPcote9183 涂層固化后呈現均勻的鋁色表面。IPcote9183 + IPseal9184 涂層固化后呈現均勻、光滑的黃褐色或綠色(與涂料顏色有關)表面。鈍化后的鎘-鈦鍍層為彩虹色、金黃色；鎘鍍層由于鍍液中添加了光亮劑，表面更光滑、光亮。

圖1 不同涂鍍層的外觀和結合力測試結果Figure 1 Appearance and adhesion test results of different coatings

2. 2. 2 結合力

圖1 還顯示，采用劃格法對IPcote9183 和 IPcote9183 + IPseal9184 涂層進行結合力測試的結果符合GB/T 9286-1998 的1 級要求，鎘-鈦鍍層和鎘鍍層的彎曲試驗也合格。

2. 2. 3 微觀形貌

用JSM-5600LV 掃描電鏡(SEM)分析涂、鍍層的微觀結構，結果見圖2。IPcote9183 涂層疏松多孔、致密度最低；鎘鍍層表面光滑，無孔隙和微裂紋；鎘-鈦鍍層和IPseal9184 涂層都較為致密，但鎘-鈦鍍層有少量微裂紋；IPcote9183 + IPseal9184 涂層有少量孔洞，在其表面的粘結劑中均勻彌散著清晰的白色鋁粉。

圖2 不同涂鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of different coatings

2. 2. 4 耐蝕性

中性鹽霧試驗中，鈍化后的鎘-鈦鍍層、鎘鍍層96 h 無白銹，360 h 無紅銹；IPcote9183 涂層360 h無紅銹；IPcote9183 + IPseal9184 涂層1 000 h 無紅銹。試驗后各試樣的外觀見圖3。分析認為：鎘-鈦鍍層的耐蝕性優于鎘鍍層，因為鈦和鎘具有同樣的密排六方體晶格結構，少量的鈦可以彌補鎘的晶體缺陷，從而提高了耐腐蝕能力。IPcote9183 涂層的主要成分為金屬鋁，氧、磷、鎂元素含量較低，微觀上疏松多孔，孔隙較多，是其耐蝕性低的主要原因。IPcote9183 + IPseal9184 復合涂層由于厚度大，且面層IPseal9184 中的鋁粉均勻地彌散在粘接相中，比較致密，因此耐蝕性顯著提高[5]。

圖3 不同涂鍍層經NSS 試驗后的外觀Figure 3 Appearances of different coatings after NSS test

2. 2. 5 氫脆性

按HB 5067.1-2005 進行氫脆性拉伸試驗，鍍鎘-鈦、涂覆IPcote9183 + IPseal9184 涂層的試樣持續拉伸200 h 未斷裂，而鍍鎘試樣僅26 h 就斷裂了，表明鍍鎘工藝的低氫脆性不如鍍鎘-鈦和涂覆IPcote9183 +IPseal9184 工藝，因此鍍鎘不允許用在超高強度鋼零件的表面防護上。分析認為：涂覆IPcote9183 +IPseal9184 過程不產生氫，也不存在吸氫環節，屬于低氫脆環保型工藝。鍍鎘-鈦的低氫脆性是鍍層成分和結構兩種因素共同作用的結果[6-7]：一方面鍍層中的鈦在還原時消耗大量氫原子，同時生成的鈦對氫還有吸收作用，鍍層氫含量較高，阻止了氫進一步進入基體；另一方面由于鎘-鈦鍍層結構疏松或具有微裂紋，除氫時進入鍍層和基體中的氫進一步減少。

3 結論

(1) IPcote9183 及IPcote9183 + IPseal9184 涂覆工藝可獲得與鍍鎘、鎘-鈦工藝性能相似的防腐層，其外觀、厚度、結合力及氫脆性均滿足企業標準要求。

(2) IPcote9183涂層疏松多孔且與基體結合優良，適用于做底層，面層可使用普通油漆或IPseal9184。IPcote9183 + IPseal9184 復合涂層較為致密，抗腐蝕能力強，可保證零件在1 000 h 中性鹽霧試驗過程中不出現銹蝕。

(3) IPcote9183 + IPseal9184 復合涂層可替代鍍鎘、鍍鎘-鈦工藝用于起落架鋼制零件的表面防護，其工藝操作簡單，不含氰化物及鎘離子、鉻離子，有利于環境保護和降低廢水處理成本。