氣瓶內(nèi)壁化學(xué)鍍層性能評價研究

張永峰，劉鵬森，武春學(xué)，劉 博

[1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000； 2.中船重工(邯鄲)派瑞特種氣體有限公司，河北 邯鄲 057550]

高純氣體氣瓶主要用于儲運高純電子工業(yè)氣體，由于氣體純度高，因此對氣瓶內(nèi)表面的潔凈度要求嚴(yán)格。現(xiàn)階段主要采用內(nèi)壁研磨清洗等處理方法提高氣瓶潔凈度，但當(dāng)介質(zhì)為腐蝕性氣體時，現(xiàn)有高純氣瓶已無法滿足要求，需采用內(nèi)表面強(qiáng)化措施來提高氣瓶內(nèi)部耐蝕能力。內(nèi)表面強(qiáng)化處理方法中，化學(xué)鍍鎳磷合金因與基體結(jié)合力強(qiáng)、耐蝕性好、對工件形狀要求較低等特點，成為氣瓶內(nèi)表面強(qiáng)化的首選。

化學(xué)鍍是在無外加電源的情況下，在活化表面沉積一個化學(xué)鍍層的過程。因為化學(xué)鍍要求鍍件表面要有催化活性，所以化學(xué)鍍也叫“自催化鍍”。其基本過程為：在沒有施加外來電流的情況下，采用適當(dāng)?shù)倪€原劑，金屬離子在其水溶液中被還原劑還原，生成沉淀，并在固態(tài)基材表面上形成覆膜[1]。化學(xué)鍍以其優(yōu)越的工藝特點決定了它必將得到迅速發(fā)展，現(xiàn)階段，化學(xué)鍍非晶態(tài)Ni-P合金鍍層由于具有獨特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

高純氣瓶在使用過程中主要承受因內(nèi)部充放氣而產(chǎn)生的交變載荷的作用，因此，進(jìn)行鍍層質(zhì)量評價時，不僅應(yīng)對鍍層的耐蝕性進(jìn)行考核，同時還應(yīng)考核鍍層的附著強(qiáng)度與抗疲勞性能。本文從附著強(qiáng)度、耐蝕性及抗疲勞性能等方面考核化學(xué)鍍層的性能，確定了內(nèi)壁化學(xué)鍍層的優(yōu)異性能，為后期高純氣瓶化學(xué)鍍提供技術(shù)支持。

1 試驗步驟及方案

對氣瓶和同爐試樣環(huán)上制取的小樣按照圖1所示工藝流程進(jìn)行內(nèi)壁化學(xué)鍍處理，化學(xué)鍍處理時氣瓶與小樣在同一槽液中進(jìn)行，小樣與氣瓶其余工藝參數(shù)完全一致。在化學(xué)鍍后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對小樣進(jìn)行附著強(qiáng)度、耐蝕性及抗疲勞性能等方面的測試，確定鍍層相關(guān)性能。

圖1 化學(xué)鍍工藝流程Fig.1 Chemical coating process flow

2 鍍層附著強(qiáng)度評價研究

鍍層附著強(qiáng)度是指鍍層與基體之間的粘附強(qiáng)度。鍍層附著強(qiáng)度不合格會導(dǎo)致在充放氣過程中鍍層脫落，進(jìn)而使氣瓶內(nèi)部耐蝕性下降。本文采用兩種不同方法評價鍍層附著強(qiáng)度，研究確定其附著強(qiáng)度是否滿足使用要求。

2.1 定量檢測法

為定量測量鍍層與基體的附著強(qiáng)度，選用GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》對鍍層附著強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并采用金相法對該附著強(qiáng)度下的鍍層厚度進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。由表1可看出，鍍層的附著強(qiáng)度值均大于40 MPa，遠(yuǎn)高于油漆涂料的表面附著強(qiáng)度指標(biāo)(5 MPa)，故認(rèn)為鍍層附著強(qiáng)度滿足氣瓶使用要求。

表1 鍍層附著強(qiáng)度、鍍層厚度檢測結(jié)果Table 1 Test results of coating adhesion strength and coating thickness

2.2 定性檢測法

氣瓶在充放氣過程中，其所受應(yīng)力為交變載荷，要求鍍層具有一定的延展性，為此，選用GB/T 5270—2005《金屬基體上的金屬覆蓋層電沉積和化學(xué)沉積層附著強(qiáng)度試驗方法評述》中彎曲試驗法對鍍層附著強(qiáng)度進(jìn)行定性檢測。具體方法為：將帶鍍層的試樣沿兩邊不斷彎曲，直至試樣彎斷為止。觀察斷面位置處鍍層是否剝落，確定鍍層附著強(qiáng)度。檢測結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 化學(xué)鍍彎曲試樣Fig.2 Bending specimen of chemical coating

圖3 化學(xué)鍍試樣彎斷后Fig.3 After the chemical coating sample is bent

對比試驗前后試樣照片，可看出鍍層具有較好的延展性，試樣彎斷后，斷口部位鍍層未出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象，表明鍍層延展性符合要求、鍍層與基體之間的附著強(qiáng)度較好，在氣瓶充放氣過程中鍍層不會剝落。

3 鍍層耐蝕性評價研究

3.1 腐蝕電位

為確定鍍層的耐蝕性，對化學(xué)鍍層和基體進(jìn)行腐蝕電位測試[3]，確定兩種狀態(tài)下試樣的腐蝕電位，對比確定鍍層的耐蝕性。試驗前將測量導(dǎo)線連接在試樣上，密封導(dǎo)線連接處。

腐蝕電位測量在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氯化鈉水溶液中進(jìn)行，pH為6.5～7.2，參比電極為飽和甘汞電極，測量儀器為Victor VC 980 2 A萬用表，試驗溫度為室溫 (25±2)℃，每天測量1次。以每組3件試樣的腐蝕電位的均值作為該組試樣的腐蝕電位值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 腐蝕電位檢測結(jié)果Fig.4 Corrosion potential test results

由圖4可看出，基體材料的腐蝕電位為-723 mV，而鍍層試樣的腐蝕電位為-402 mV，鍍層試樣的腐蝕電位顯著高于基體材料，表明鍍層材料的耐蝕性較基體材料大幅提升。

3.2 鹽霧試驗

HB/Z 5071—2004《化學(xué)鍍鎳工藝及質(zhì)量檢驗》中明確規(guī)定，化學(xué)鍍層應(yīng)進(jìn)行48 h鹽霧試驗，考核鍍層耐蝕性。試驗溶液為(50±5) g/L的NaCl水溶液，要求在80 cm2面積上鹽霧沉降量1～2 mL/h，溶液pH值為6.5～7.2，試驗溫度為(35±2)℃，連續(xù)噴霧，觀察試樣在360 h中性鹽霧腐蝕試驗各階段的外觀變化。

由圖5、圖6可看出，經(jīng)48 h中性鹽霧試驗后，鍍層表面無銹蝕，表明鍍層質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 鹽霧試驗前試樣照片F(xiàn)ig.5 Photo of sample before salt spray test

圖6 48 h鹽霧試驗后試樣照片F(xiàn)ig.6 Photo of sample after 48 h salt spray test

4 鍍層抗疲勞性能評價研究

因氣瓶在使用過程中主要受疲勞載荷影響，為保證氣瓶全壽命周期內(nèi)的耐蝕性，應(yīng)對帶鍍層試樣進(jìn)行常溫四點彎疲勞試驗，確定鍍層的抗疲勞性能是否滿足要求。

表2 疲勞試樣參數(shù)Table 2 Parameters of fatigue specimens

采用載荷控制的模式進(jìn)行疲勞試驗，載荷的應(yīng)力比為R=0.05，試驗頻率0.25 Hz(15次/min)，當(dāng)試樣斷裂或循環(huán)壽命Nf達(dá)到15 000次時停止試驗[4]，記錄試樣表面鍍層是否開裂。

下壓輥跨距為100 mm，上壓輥跨距為30 mm，根據(jù)材料力學(xué)四點彎曲應(yīng)力計算公式(1)來計算壓縮載荷。

(1)

式中，σ為彎曲強(qiáng)度，b為試樣寬度，h為試樣厚度，l為下壓輥跨距。

3個試樣經(jīng)歷15 000次疲勞測試后，肉眼觀察鍍層無損傷，采用掃描電鏡觀察試樣表面，表面無疲勞造成的裂紋損傷。試樣疲勞試驗圖如圖7，掃描電鏡圖如圖8。

圖7 疲勞試驗圖Fig.7 Fatigue test diagram

圖8 表面鍍層掃描電鏡圖Fig.8 SEM of surface coating

5 結(jié) 論

1. 化學(xué)鍍層與基體之間的附著強(qiáng)度和延展性良好，附著強(qiáng)度滿足要求。

2. 化學(xué)鍍層的耐蝕性較基體而言得到大幅改善，且鍍層耐蝕性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3. 鍍層的抗疲勞性能優(yōu)異，疲勞試驗后鍍層表面無疲勞試驗產(chǎn)生的裂紋。

綜上所述，化學(xué)鍍層附著強(qiáng)度高，耐蝕性好，且抗疲勞性能優(yōu)異，故化學(xué)鍍技術(shù)可用于提高高純氣體氣瓶產(chǎn)品的耐蝕能力。