自行火炮的防腐蝕技術研究

苗建松,王存寶,孟慧斌,晉文虎,裴志剛

(1.駐太原地區某軍事代表室,山西 太原 030009;2.山西北方機械制造有限責任公司,山西 太原 030009)

我國火炮現已發展到自行火炮階段,自行火炮是同履帶車或輪式車底盤構成一體,可長距離運行的火炮,是一個集火力、機動性、防護于一體的獨立作戰系統[1]。自行火炮一般是以鋼鐵等金屬為主體材料,腐蝕會導致零件生銹損壞、性能下降,甚至失效、服役壽命縮短,危害性極大。據某大修廠的維修數據可知,除單純的機械故障外,裝甲車輛的絕大多數故障都是由于環境影響造成的,其中腐蝕問題提高了裝甲車輛15%的維修費用,增加了25%的維修頻次[2]。

表面處理是火炮制造鏈的重要環節,以其獨特的技術特質伴隨著火炮的發展,開展自行火炮的防腐蝕技術研究是至關重要的:1)毋庸諱言,我國自行火炮的防腐蝕技術水平還比較落后,很大程度上仍停留在牽引炮階段,與自行火炮不相適應;2)近年來,我國防腐蝕技術取得重大進展,開展防腐蝕技術研究對延長自行火炮服役壽命意義重大; 3)表面處理是高污染、高能耗行業,環保型表面處理新技術的應用是火炮實現綠色制造的有效途徑。

1 服役環境分析

腐蝕是在一定環境下的腐蝕,按環境種類分為大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、燃氣腐蝕、微生物腐蝕等,每類環境腐蝕的介質、形態、特征、規律等各不相同,應采取與之相適宜的防腐蝕措施。武器裝備的服役環境包括使用環境、貯存環境、運輸環境等,其中運輸環境很容易被忽視,應特別關注海運環境。

自行火炮是由底盤、駕駛艙、炮塔、火力系統、通信電子系統等組成,各零部件在火炮所處的位置不同,其環境特征也不同(見表1[3]),防腐蝕要求也有所不同,需要根據其各自特點進行防腐蝕設計。防腐蝕保護層按膜層性質分為非金屬覆蓋層(轉化膜與涂層)、金屬鍍覆層兩類。

表1 自行火炮零部件服役環境特征

2 轉化膜與涂層

2.1 鋼鐵件的磷化和氧化

磷化和氧化都是鋼鐵零件與溶液發生化學反應生成具有保護性的轉化膜而免受腐蝕,二者的抗腐蝕能力不高,處理后需浸油予以提高。按照鋼鐵的磷化與氧化工藝特性(見表2)[4]、使用目的及要求等選用。選用時應遵守3條軍規:1)彈性零件及高強度零件應進行氧化處理,磷化存在氫脆風險;2)精密件應進行氧化處理,磷化會破壞零件原有精度及表面粗糙度;3)處理后要涂漆的零件應磷化處理,如果氧化,漆膜會起皮脫落。磷化膜和氧化膜性質相近,外觀相似,很容易混淆,對一般鋼鐵零件有時并無大礙,有時則會釀成質量事故。如某火炮廠有個設計員不熟悉表面處理技術,把某個涂漆零件表面處理技術要求誤寫為氧化,涂漆后漆膜脫落,造成了該批次零件返修的低級質量問題。

表2 鋼鐵的磷化與氧化工藝特性

磷化是自行火炮使用最多的表面處理方式,自行火炮70%以上的零件都進行磷化處理。磷化按工藝溫度分為高溫、中溫、常溫3種,高溫磷化主要用于自行火炮內部在機油中工作的一般鋼結構件;中溫磷化用于外部鋼結構件的涂漆底層,可進一步提高其結合力及抗腐蝕能力,如炮身、炮口制退器、炮塔等零件;常溫磷化用于制造過程中的工序間防銹。這里需特別注意,零件成品圖技術要求的磷化處理一般指高溫磷化,磷化本身的抗腐蝕能力并不強,只有高溫磷化膜可單獨作為防腐層,并僅限于在機油中工作的零件。自行火炮的彈性零件和內部的精密件采用氧化防護,如彈簧、耳軸、齒輪等。

2.2 硅烷表面處理技術

硅烷表面處理技術是采用有機硅偶聯技術超薄有機涂層替代傳統的結晶型磷化保護層,在金屬表面吸附了一層超薄的類似磷化晶體的三維網狀結構的有機涂層,同時在界面形成Si-O-Me共價鍵(Me=金屬),分子之間力很強,使得金屬表面和隨后的油漆涂層形成良好的結合力[5]。硅烷表面處理技術具有優異的環境保護特性、節能、操作簡便、成本低等優點,給鋼鐵磷化技術帶來了革命性的變革。硅烷表面處理技術是綠色的表面預處理技術,它的運用可使自行火炮涂裝前表面預處理實現無磷無重金屬的環保目標。

2.3 涂漆層

賈陽光等對裝甲車輛的涂層技術進行了研究,梳理了目前裝甲車輛常用的防腐涂料(見表3)。

表3 常用防腐涂料

2.4 達克羅

達克羅又稱鋅鉻涂層,是一種全新基本無污染的表面處理技術,它是將水基涂料涂于鋼鐵零件表面,經烘烤形成以鱗片狀的鉻酸鹽為主要成分的無機防腐蝕涂層。它具有傳統表面處理技術無法比擬的優點:1)無環境污染特性,生產過程無廢水和廢氣產生,做到無排放污染;2)極高的抗腐蝕能力,在同等厚度下,是鍍鋅抗腐蝕能力的7～10倍;3)無氫脆,特別適用于高強度零件的表面防護;4)配合精度好,一般達克羅涂層厚度可控制在6～8 μm之間,緊固件的配合精度可以符合6g/6H的精度要求;5)滲透性強,可對各種復雜零件進行涂覆;6)與有機涂料的附著力強,是良好的涂漆底層。

達克羅可完全取代鍍鋅,還可替代氧化及磷化,適用于自行火炮的彈簧、緊固件、高強度及超高強度等零件的防護。

3 金屬鍍覆層

3.1 鍍鋅

在大氣條件下鋅鍍層是鋼鐵基體的陽極性鍍層,具有良好的防護性,鋅鍍層較軟,螺紋鍍鋅后旋合作用好。鍍鋅有堿性鋅酸鹽、酸性、氯化鉀3類工藝,堿性鋅酸鹽鍍鋅可鍍較厚的鍍鋅層而不起皮,鍍層均勻,質量接近氰化鍍鋅,自行火炮的緊固件一般采用堿性鋅酸鹽工藝進行鍍鋅防護。

鍍鋅應用較廣泛,但在下列情況不宜鍍鋅:1)在工作中受摩擦的零件;2)厚度小于0.5 mm的薄片零件;3)具有滲碳表面的零件。在下列情況不允許鍍鋅:1)抗拉強度在1 300 MPa以上的鋼制零件,但允許低氫脆鍍鋅;2)直徑≥10 mm的高強度鋼(包括30CrMnSiA鋼)螺栓。

鍍鋅時,陰極上在沉積鋅的同時,還析出氫,其中一部分氫會滲入零件的晶格中,造成晶格歪扭,使零件內應力增大產生脆性而斷裂,稱為氫脆。氫脆很可能造成突發性事故,危害性很大。鍍鋅工藝要求去氫在鈍化工序前進行,但在實際生產中,鍍鋅在自動化生產線上作業,鍍鋅工序和鈍化工序相連貫,一氣呵成,操作者常會在鈍化后去氫,而鈍化膜是封閉的膜,影響氫氣的排出,去氫效果大打折扣。如某型自行火炮零件彈簧片鍍鋅后,總裝時彈簧片發生斷裂的質量事故時有發生,分析原因就是鈍化后才去氫造成的。從技術角度深層次分析,彈簧片作為薄的彈性零件選擇鍍鋅本身就不科學,應選擇氫脆小或無氫脆的達克羅、化學鍍鎳、鋅鎳合金等。

3.2 鋅鎳合金

在海洋性環境下鎘鍍層是鋼鐵良好的防護層,但由于鎘是高毒性金屬,環境危害性很大,現已基本淘汰,由鋅鎳合金取代。鋅鎳合金鍍層在海洋性環境下具有優異的防護性;在一般大氣及工業大氣條件下耐蝕性好,比鋅鍍層高3倍以上,經彩色鈍化后耐蝕性將大大提高,可作為高耐蝕性鍍層(見表4)[6];同時,氫脆性小。

表4 鋅鎳合金鍍層的耐蝕性(中性鹽霧試驗)

兩棲自行火炮的一般鋼結構件和緊固件均采用鋅鎳合金鍍層防護。電鍍鋅鎳合金有堿性、酸性兩種工藝,堿性工藝具有鍍層均勻、易操作等優點,武器裝備一般采用堿性鍍鋅鎳合金工藝。

3.3 鍍鉻

鍍鉻工藝種類較多,有硬鉻、乳白鉻、黑鉻、松孔鉻、裝飾鉻等,各具特點,可根據使用目的及要求選用。乳白鉻結晶致密,氣孔少,韌性好,抗腐蝕能力強,但耐磨性比硬鉻差,自行火炮的復進桿、復進筒、制退桿等受磨損件都采用乳白鉻防護。現在,比較推崇雙層鉻,即先鍍20～40 μm的乳白鉻打底,提高抗腐蝕能力,再鍍20～40 μm的硬鉻,表面硬度高,耐磨性好,內外兼修,比單層乳白鉻效果更佳。裝飾鉻抗腐蝕能力強,并具有光亮的外觀,多用于火炮上人手經常接觸的零件,如把手、手輪等。

自行火炮的身管、復進桿、復進筒、制退桿等零件鍍鉻時,要求鍍層厚度在一定的范圍內,并且鍍后尺寸要達到成品精度要求,需采用技術含量高的尺寸鍍鉻,技術要點如下。

1)鍍鉻溶液的深鍍能力和均鍍能力很差,需根據零件的幾何形狀設計專用的鍍鉻工藝裝備,調整電流的二次分布,彌補鍍鉻溶液的能力不足。上述零件的兩端部,因為電力線集中而產生尖端效應,容易產生錐度,需設計與受鍍直徑相同、長度為30～60 mm的保護陰極,保護陰極作為尖端吸收了電流,兩端部則受到保護。

2)按成品尺寸和鍍鉻層厚度要求,根據尺寸鏈采用極值法準確計算預留的鍍前尺寸。鍍鉻層厚度用符號△表示,△最大表示要求鍍鉻層厚度的最大數值,△最小表示要求鍍鉻層厚度的最小數值。

對于軸類零件,鍍鉻前尺寸計算式為:

es鍍前=es-2△最大

(1)

ei鍍前=ei-2△最小

(2)

式中,es鍍前、ei鍍前是鍍鉻前尺寸的上、下偏差;es、ei是成品尺寸的上、下偏差。

對于孔類零件,鍍鉻前尺寸計算式為:

ES鍍前=ES+2△最小

(3)

EI鍍前=EI+2△最大

(4)

式中,ES鍍前、EI鍍前是鍍鉻前尺寸的上、下偏差;ES、EI是成品尺寸的上、下偏差[7]。

3)根據鍍鉻時電流效率和電流密度,準確計算出電鍍一定厚度鉻層所需的工藝時間,計算式如下:

(5)

式中;t是時間,單位為min;δ是鍍層厚度,單位為μm;Dk是陰極電流密度,單位為A/dm2;η是電流效率。

這是鍍鉻工藝時間的理論計算式[8],實際中還應考慮工藝溫度、溶液濃度、陰陽極距離、工裝導電性等多個工藝參數。在實際生產中,一般采用如下方法確定鍍鉻時間:先鍍鉻1 h,在出槽打磨時,測量鍍層厚度,按這1 h電鍍速度估算電鍍時間。另外,為了避免產生橢圓度,在鍍鉻時間過去一半時,在不斷電情況下,將鍍鉻工裝轉動90°。

身管是火炮的主要構件,在火炮射擊時,身管內膛要面對火藥燃氣的高溫作用(溫度高達2 500～3 800 K)、高溫高壓火藥燃氣的沖刷作用、彈丸對膛面的摩擦作用、火藥燃氣的化學作用等高溫腐蝕,這種腐蝕稱為身管燒蝕,身管燒蝕是決定身管服役壽命的主要因素。金屬鉻的熔點為1 900 ℃,熱導率為66.99～73.56 W/(m·K),并且化學穩定性好,在各種試驗中均未發現鉻與火藥氣體的反應產物,抗高溫氧化性好,耐燒蝕好,通過鍍鉻能提高身管的服役壽命1倍至數倍。小口徑火炮的身管內徑小于90 mm,長徑比大于40,內膛鍍鉻時,容易產生厚度不均勻、錐度、橢圓度等質量缺陷,可采用移動陽極鍍鉻技術(見圖1)。通過陽極在身管內膛的規律移動,調整了電流二次分布,均鍍能力大為提高,并使鍍鉻溶液在內膛順利流動,產生的氫氣等氣體通暢排出,保證了鍍鉻層的質量。

圖1 身管內膛移動陽極鍍鉻示意圖

化學鍍鎳、鎘鈦合金等金屬鍍覆技術在自行火炮上也有所應用。形狀復雜的易磨損零件鍍鉻困難,可采用化學鍍鎳;兩棲自行火炮上的彈性零件,高強度、超高強度件宜鍍鎘鈦合金,無氫脆風險。

4 功能性鍍層

隨著表面處理技術的發展,有一類電鍍層愈發受到重視,它不以防腐蝕為主要目的,而是利用鍍層的特性,賦予其新的用途,這類鍍層稱為功能性鍍層(見圖2)。功能性鍍層在火炮中多有應用,自行火炮的電器設備、通信設備中的電器元件要求表面具有導電性,可采用銅、金、銀等鍍層;鋁合金件可采用化學導電氧化,其導電性好,膜層較薄,厚度僅為0.5～5 μm;電擊發裝置及儀器插拔件既需要高的導電性,又要求耐磨損,可采用銠、銀銻合金、金鈷合金等鍍層。

圖2 鍍層的主要功能

他山之石,可以攻玉。功能性鍍層可以解決火炮機械加工中的技術難題。形狀復雜的零件機械拋光難度大,采用化學拋光或電化學拋光則事半功倍;在熱處理時,防止局部滲碳可鍍銅,防止局部滲氮可鍍錫;另外,自行火炮的鋁合金焊接件在焊接前進行光亮化學清洗,可去除氧化膜,焊接質量得到顯著提升。自行火炮的身管自緊是身管強化的關鍵技術,自緊前的磷化、(浸皂)、浸潤滑脂的處理是身管機械自緊技術中的關鍵技術之一,利用磷化的多孔性吸附,使身管內表面均勻地形成一層摩擦因數小、潤滑性能好、有一定厚度的薄膜,自緊時使自緊沖頭得以在身管內順利滑動,通過磷化處理達到身管內表面潤滑處理的目的[9]。

5 表面處理新技術及表面工程

近年來,隨著電子束、激光束、離子束進入表面加工技術領域,表面處理技術取得了突破性的進展,形成了以電沉積技術為主導的表面處理新技術,它改變了傳統的電鍍方式,極大地豐富了表面處理技術及其所形成特性的表面。電沉積技術具有技術障礙小、工藝靈活、鍍層功能強等特點。

5.1 物理氣相沉積

物理氣相沉積(PVD)是指用物理方法使鍍膜材料氣化,在基體表面沉積成膜的方法。鍍層具有耐磨、減摩、耐高溫等特點,主要用于切削工具、模具、機械摩擦副零件的表面強化,從而改善其摩擦學性能。包括真空鍍、離子鍍、濺射沉積、氣相外延等。

5.2 化學氣相沉積

化學氣相沉積(CVD)是利用金屬化合物在基體表面分解而沉積金屬鍍層的方法。其特點是沉積速度相當高,通常是25～50 μm/h;可在遠低于難熔金屬熔點的條件下沉積大多數難熔金屬;可鍍較復雜零件;主要用于電氣元件。包括熱解化學氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積、激光誘導化學氣相沉積、微波等離子體氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積等。

5.3 熱噴涂

熱噴涂是以燃燒能或電能為熱源,用噴槍將加熱到熔融的涂層材料微粒,以高速噴射到零件表面形成涂層的過程,形成耐熱、絕熱、抗熱震、抗高溫氧化等的防護層。熱噴涂的特點是設備簡單并可移動,便于局部涂覆,沉積速度快,可獲得很厚的涂層。按熱源的形式分為兩類,以燃燒能為熱源的氣噴鍍,包括火焰噴鍍和爆炸噴鍍;以電能為熱源的電噴鍍,包括電弧噴鍍(見圖3)、等離子射流噴鍍和高頻感應噴鍍。

圖3 電弧噴鍍示意圖

上述表面處理新技術在民用裝備領域已廣泛應用,在自行火炮中尚處于探索研究階段。其中,熱噴涂技術作為代鉻鍍層效果顯著,采用高速氧燃氣火焰噴涂(HVOF)技術噴涂WC/CO硬質耐磨涂層,使用壽命比鍍鉻提高3～5倍。

隨著表面處理新技術的應用及發展,形成了表面工程。表面工程是表面經過預處理后,通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理,以改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態等,以獲得表面所需性能的系統工程,如激光熔覆技術[10]、PIP可控離子滲入技術等。PIP可控離子滲入技術是一種黑色金屬表面鹽浴復合增強技術,通過表面改性在其表面形成可控的防腐耐磨復合滲層。PIP可控離子滲入技術用于履帶式自行火炮履帶系統的履帶銷和連接環,解決了履帶零件易銹死、不易拆卸等問題[11]。

6 結語

通過對自行火炮各零部件服役環境的介質、形態、特征等的分析,深入研究了轉化膜與涂層、金屬鍍覆層等防腐蝕技術的特性和適用范圍、技術要點,并探討了表面處理新工藝及表面工程在自行火炮中的應用。自行火炮的防腐蝕設計應遵循如下原則。

1)可靠性為首要原則。武器裝備是國之利器,事關解放軍戰士的生命、戰爭的勝負。表面處理是特殊過程,其質量特性不易測量,防腐蝕設計應把可靠性放在首位,做到質量優先。例如零件鍍鋅后去氫的效果不能定量測定,對彈性零件,高強度、超高強度鋼等零件應采用達克羅等無析氫工藝,從設計源頭消除氫脆風險。

2)適宜性原則。防腐蝕措施是針對一定環境下的腐蝕而特定的,防腐蝕設計應以服役環境為主要依據,并綜合考慮零件材料及其強度級別、零件工作狀態、涂鍍層的特性和適用范圍、涂鍍層的使用目的和要求、產品及零件壽命周期等因素。

3)環保性原則。傳統表面處理技術對環境危害性較大,應優先選用達克羅、硅烷表面處理技術、熱噴涂等綠色表面處理新技術。

總之,根據自行火炮具體服役環境及腐蝕特點,進行科學的防腐蝕設計,可顯著提升其環境適應性、戰時可靠性、保障水平和戰斗力。在設計新型自行火炮時,將表面處理新技術和表面工程融入總體設計中,將對自行火炮的發展產生重大影響。