換熱器鍍層工藝研究

換熱器鍍層工藝研究
                                   
劉興斌，葉暉，翟繪豐
                   
（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

    摘要：通過理論分析和工藝試驗等方式，探索了由性能差異較大的不同材料組成的換熱器選擇性電鍍工藝方法。采用局部遮蔽、浸蝕溶液的選擇、預鍍工藝的確定等方式，保證了組合件上各型面、各材料上的鍍層質量，換熱器上局部鍍覆層既滿足釬焊性，同時又滿足高溫抗氧化性的功能要求，并順利完成了釬焊和熱試車。本研究成果已在多個結構復雜的換熱器上得到推廣應用。

    關鍵詞：換熱器；釬焊性；抗氧化性

    中圖分類號：TG174文獻標識碼：A文章編號：1672-9374(2011)03-0042-06

    0·引言

    換熱器是新型發(fā)動機中的氣體增壓部件，屬于多通道夾套式釬焊結構件，存在釬焊面和介質面交錯的復雜結構，涉及材料有QCr0.8，GH202，0Cr18Ni10Ti，S-03等，要求鍍層具有釬焊性和高溫抗氧化性，能經受試車過程中的高溫。

    在產品研制過程中，通過對換熱器結構、材料、鍍層性能要求等特殊情況進行充分分析，結合大量工藝試驗和試生產，確定了換熱器表面處理的工藝方法和各項工藝參數(shù)。鍍層性能滿足要求，并經受了多次熱試車考核，質量完全滿足工況需要。

    1·產品的結構特點和技術要求

    換熱器是新型發(fā)動機全系統(tǒng)中的氧化劑貯箱氣體增壓部件，作用是確保發(fā)動機正常工作所需的推進劑供應壓力。產品具體型面結構見圖1。

    
    換熱器屬于多通道釬焊的組焊結構，主要由S-03，0Cr18Ni10Ti，GH202和QCr0.8四類材料構成。

    在換熱器研制過程中，設計要求換熱器內、外釬焊面和非釬焊面電鍍Ni10～15μm的技術要求，其中釬焊面上的鍍層作為后續(xù)與其它組件焊接需要，非釬焊面鍍層作為工作時的高溫抗氧化性保護鍍層使用。

    2·理論分析

    2.1鍍鎳原理

    電鍍是將接受電鍍的部件浸于含有被沉積金屬化合物的水溶液中，以電流通過鍍液，使電鍍金屬析出并沉積在部件上。一般電鍍有鍍鋅、銅、鎳、鉻、銅鎳合金等。換熱器鍍鎳均選用普通鍍鎳，即鍍暗鎳。鎳是一種帶微黃的銀白色金屬，密度8.9 g/cm3，熔點1452℃。鎳鍍層具有較高的硬度、良好的拋光性和可釬焊性。鎳在空氣中和堿液中化學穩(wěn)定性好，有機酸中穩(wěn)定性好，硫酸和鹽酸中溶解很慢，濃硝酸中處于鈍化狀態(tài)，但在稀硝酸中不穩(wěn)定。在空氣中鎳與氧作用，表面迅速生成一層極薄的鈍化膜，能抵抗大氣、堿和一些酸的腐蝕。

    鎳鍍層結晶細小，容易拋光。鎳的電極電位比鐵正，鈍化后電勢更正，因而鐵基上的鍍鎳層是陰極鍍層。鎳鍍層孔隙率高，只有當鍍層厚度超過25μm時才是無孔的，所以，一般不單獨作為鋼鐵基的防護性鍍層，而是作為防護-裝飾性鍍層體系的中間層和底層。從添加光亮劑的溶液中獲得光亮鎳鍍層有一定的脆性，防護能力較差。鎳的屏蔽效果比較好，抗電磁干擾能力強，廣泛應用于電子機械箱體的表面處理。

    鎳鍍層的應用可分為防護裝飾性和功能性兩方面。作為防護裝飾性鍍層，鎳可以鍍覆在低碳鋼、鋅鑄件、某些鋁合金、銅合金表面上，保護基體材料不受腐蝕，并通過拋光暗鎳鍍層或直接鍍光亮鎳的方法獲得光亮的鎳鍍層，達到裝飾的目地。塑料經過處理后也可鍍鎳，使塑料零件金屬化。在功能性應用方面，主要用于修復性電鍍，在被磨損的、被腐蝕的或加工過度的零件上鍍覆修復尺寸。

    鍍鎳的類型很多。以溶液成份來分，有硫酸鹽、硫酸鹽-氯化物、全氯化物、檸檬酸鹽和氟硼酸鹽等鍍鎳；以鍍層外觀來分，有無光澤鎳（暗鎳）、半光亮鎳、全光亮鎳、緞面鎳、黑鎳等。表面處理行業(yè)常用鍍鎳工藝為鍍暗鎳工藝，溶液中不含絡合劑，電極反應是簡單的金屬鎳離子的還原，能得到結晶細致、致密和均勻的鍍層，其主要原因是在極性較強的水分子作用下，各個化學成分發(fā)生電離反應，溶液中形成大量的陰、陽離子，在電場作用下，陰離子會大量向陽極移動，陽離子向陰極移動。由于Na+、H+等陽離子與Ni2+析出電位相差較大，即析出的趨勢極小，鍍鎳過程就成為Ni2+離子的析出過程，所以在鍍層沉積過程中形成的鎳鍍層具有結晶細致、純度高等特點。

    2.2鎳溶液成分及作用

          
    1）硫酸鎳：是溶液中的主鹽，是鎳離子的主要來源。硫酸鎳含量低，溶液分散能力好，鍍層結晶細致，容易拋光，但陰極電流效率和極限電流密度低，沉積速度慢；硫酸鎳含量高，允許使用的電流密度大，沉積速度快，但溶液分散能力稍差。

    2）氯化鎳：在只有硫酸鎳的溶液中通電，鎳陽極的表面容易鈍化，影響鎳陽極的正常溶解，溶液中的鎳離子含量迅速減少，導致溶液性能惡化。加入氯離子，能顯著改善陽極的溶解性，還能提高溶液的導電性，改善溶液的分散能力，因而氯離子是鍍鎳溶液中不可缺少的成份。氯離子含量過高，會引起陽極過腐蝕或不規(guī)則溶解，產生大量陽極泥并懸浮于溶液中，使鍍層粗糙或形成毛刺。

    3）硼酸：在鍍鎳時，由于氫離子在陽極表面放電，會使溶液的PH值逐漸上升，當PH值過高時，陽極表面附件的氫氧根離子與金屬離子形成氫氧化物夾雜于鍍層中，使鍍層外觀和力學性能惡化。硼酸在水溶液中會離解出氫離子，對溶液的PH值起緩沖作用，保持溶液PH值相對穩(wěn)定。硼酸含量過低，緩沖作用太弱，PH值不穩(wěn)定；含量過高，硼酸容易析出，造成鍍層出現(xiàn)毛刺等。

    4）硫酸鈉：是導電鹽，使溶液具有良好的導電性，加入后可使鍍暗鎳在常溫下進行。

    2.3材料性能分析

    換熱器選用的材料成分見表1。這四種材料由于化學成分的不同，其化學、電化學性質也存在明顯的差異，因而在進行表面處理時需有其相應的前處理方法，以保證鍍層質量，對單一材料實施電鍍從工藝上來講是完全可行的，但當上述幾類材料焊接成組件后，因為前處理方法的差異，從理論上分析要保證不同材料上的鍍層同時實現(xiàn)較高的結合強度存在難度。

    2.3.1 QCr0.8材料分析

    QCr0.8是含鉻量0.8%的青銅合金，其中含有的其他元素基本為金屬元素，材料本身具有對氫脆不敏感、浸蝕殘渣較少、耐蝕性較低等特點。在對QCr0.8電鍍前處理時，經過一般的化學除油、浸蝕和光亮浸蝕，不進行其它預鍍層等措施，即可保證鍍層結合強度，一般除油選用弱堿性中溫溶液進行；浸蝕選用稀硫酸溶液；光亮浸蝕選用硫酸和鉻酐的混合溶液，因QCr0.8材料浸蝕殘渣少，本工序可以不進行。

    銅合金電鍍工藝流程：

    除油→浸蝕（稀硫酸）→光亮浸蝕（可不進行）→鍍鎳

    2.3.2 S-03，0Cr18Ni10Ti和GH202材料分析

    S-03材料屬于含鉻量中等的不銹鋼類材料，耐蝕性較其它含鉻量較高的不銹鋼低；1Cr18Ni9Ti材料為含鉻量較高類不銹鋼，具有較強的耐蝕性；GH202材料屬于鎳基高溫合金鋼，具有較0Cr18Ni10Ti材料更高的耐蝕性，在不銹鋼酸洗的混合酸中一般不會形成過腐蝕。

    在電鍍工藝流程中，鋼鐵件一般選用中高溫的強堿性溶液進行除油和中等強度的鹽酸溶液進行浸蝕，即可保證基材前處理的需要。但此三類材料表面均覆蓋一層薄而透明的氧化膜，此膜去除后又能迅速形成，直接影響后續(xù)鍍層結合強度，前期必須采用充分的浸蝕工序去除致密的氧化膜后，再通過電鍍和浸蝕同槽進行的特殊預鍍處理方式，在基材表面覆蓋一層厚度僅為1～2微米的預鍍層，確保后續(xù)鍍層的結合強度。其中前期采用的浸蝕溶液因材料耐蝕性不同而不同，一般S-03材料鍍前選用硝酸溶液進行，0Cr18Ni10Ti和GH202材料選用浸蝕性強的混合酸溶液。

    因為硝酸和混合酸對銅合金材料有明顯的過腐蝕作用，前處理中無法選用，所以僅能選用鹽酸溶液進行浸蝕。但GH202材料上形成的氧化膜最為致密，鹽酸的浸蝕性略有不足，浸蝕質量存在一定不穩(wěn)定性。

    不銹鋼電鍍工藝流程：

    除油→浸蝕（鹽酸50%）→預鍍鎳→鍍鎳

    2.4可行性分析

    根據(jù)咨詢和查閱國內、外相關表面處理專業(yè)資料，對于鎳鍍層同時在銅合金和不銹鋼上沉積，在同一零件上既具有焊接功能的同時，又具有高溫下的抗氧化保護鍍層功能，此類工藝方法在國內未見報道，國際上也僅有俄羅斯一家。

    通過對換熱器所有材料的性能進行分析，換熱器電鍍必須采用銅合金鍍前處理的工藝流程和工藝規(guī)范，鍍鎳采用不銹鋼鍍鎳流程中的預鍍鎳和鍍鎳規(guī)范，局部電鍍采用復雜的手工遮蔽方式進行。不銹鋼鍍前處理均選用堿性和酸性相對較強的溶液，為了減少GH202材料浸蝕質量的不穩(wěn)定性，根據(jù)產品結構分析和性能要求，可以對GH202材料外表面采用遮蔽方法不電鍍。預鍍鎳工序在保證不銹鋼電鍍質量的同時不會對銅合金造成影響，完全可以選用。

    在組合流程進行生產存在以下幾個技術難點：

    1)產品多種材料組合，各材料鍍前處理和鍍鎳溶液及規(guī)范差異過大，采用銅合金前處理溶液處理換熱器，溶液堿性較弱、浸蝕性較低的特點，對不銹鋼基材表面的脫脂和活化處理能力略有不足，最終導致鍍層結合強度較低，直接降低釬焊的可靠性；

    2)對裝配配合面、螺紋孔等部位的遮蔽，采用常規(guī)的刷膠無法實現(xiàn)；

    3)鎳鍍層在同一零件上既具有焊接功能，又必須具有高溫下的抗氧化保護功能，這要求鎳鍍層純度、與基體結合強度等性能非常高。

    根據(jù)以上分析認為，后續(xù)需開展驗證工藝試驗，選擇適用于所有材料的溶液和工藝規(guī)范，以保證整個產品的電鍍質量。

    3·工藝研究過程

    3.1試驗件

    9件（1#～9#）QCr0.8+0Cr18Ni10Ti+GH202+S-03。

    將同規(guī)格（100×50×2 mm）的三種材料試片點焊成組合試驗件，按照銅合金和不銹鋼適用的不同工序流程開展電鍍試驗，以考察各個材料在不同溶液中的處理結果及其對后續(xù)電鍍質量的影響。

    3.2試驗方案

    3.2.1銅合金電鍍工序流程

    利用試驗件按照銅合金電鍍的工序流程進行電鍍，再檢測試驗件上各個材料表面上鍍層的結合強度。

    工序流程：除油→浸蝕（稀硫酸）→光亮浸蝕→鍍鎳

    3.2.2不銹鋼電鍍工藝流程

    利用試驗件按照不銹鋼電鍍工序流程進行電鍍，再檢測試驗件上各個材料表面上鍍層的結合強度。

    工序流程：除油→浸蝕（鹽酸）→預鍍鎳→鍍鎳

    3.2.3遮蔽試驗

    對照產品結構，采用遮蔽方法進行試驗，考察非鍍覆面上和鍍覆面上是否滿足設計要求。

    3.3溶液配方及規(guī)范

             
    3.4鍍層檢測方法

    3.4.1鍍層結合強度檢測（依據(jù)GB5270-85）熱震試驗：依據(jù)GB5270-85.1.12條款，在220℃下保溫不少于30 min，然后立即放入冷水中驟冷，觀察表面鍍層狀態(tài)，檢查鍍層結合力。銼刀試驗：依據(jù)標準GB5270-85.1.5條，在試件固定后，用粗齒扁挫從基體金屬至鍍層成45°銼其斷面，觀察鍍層是否從基體上剝離。

    3.4.2高溫釬焊試驗

    按照設計和產品加工過程要求，產品電鍍后均進行高溫釬焊過程，鍍層應無脫落、起皮、起泡等不良現(xiàn)象出現(xiàn)。

    3.5鍍層試驗及檢測結果

    3.5.1浸蝕試驗及結果

    通過對試驗件選用稀硫酸、鹽酸（50%）進行浸蝕工序后，再進行正常的電鍍流程，最后對鍍層結合強度進行檢查，確定最佳的浸蝕溶液。

    結果：選用稀硫酸進行浸蝕，銅合金材料表面氧化物去除徹底，鍍層結合強度均合格，不銹鋼材料表面的氧化色無明顯變化，鍍層均大面積起皮，鍍層結合強度不合格；選用鹽酸溶液進行浸蝕，銅合金材料和不銹鋼材料表面的氧化物均去除完全，鍍層質量合格。

    3.5.2預鍍鎳試驗及結果

    試驗件用無預鍍鎳電鍍流程和有預鍍鎳電鍍流程進行電鍍，對各個材料表面的鍍層質量進行檢測，以確定對銅合金材料電鍍過程中增加預鍍鎳工序的可行性。

    結果：經過無預鍍鎳電鍍工序流程，銅合金材料表面鍍層結合強度合格，不銹鋼表面鍍層均起皮不合格；經過預鍍鎳電鍍流程，銅合金材料和不銹鋼材料表面鍍層質量均合格，且銅合金表面鍍層結合強度優(yōu)于無預鍍鎳電鍍鍍層。

    3.5.3遮蔽試驗及結果

    對產品進行遮蔽，選用前期浸蝕試驗和預鍍試驗結論進行鍍鎳。

    結果：通過電鍍試驗，遮蔽部位的GH202材料表面均無鍍層沉積。

    3.5.4高溫釬焊試驗結果

    將3件試驗件進行電鍍，選用前期試驗的初步結論，采用鹽酸溶液進行浸蝕，并增加了預鍍鎳工序。鍍后初步檢測鍍層質量合格后，再模擬釬焊過程進行熱處理，檢查熱處理后的鍍層質量，確定鍍層結合強度是否滿足釬焊的熱處理過程需要。結果：鍍層無起皮、鼓泡等結合強度不合格的問題出現(xiàn)，鍍層質量合格。

    3.6試驗結果

    根據(jù)開展的各項試驗，確定了以下幾個試驗結果：

    采用鹽酸溶液進行浸蝕，可以去除各類材料表面的氧化物，滿足后續(xù)電鍍質量的需要。增加預鍍鎳工序，可有效保證鍍層在各個材料上的結合強度。

    在電鍍過程中通過采用不同的組合方法遮蔽GH202材料部位，可以確保該部位無鍍層沉積，避免GH202材料表面鍍層質量不穩(wěn)定問題。

    用以上結論生產的試驗件進行了釬焊熱處理試驗和高溫抗氧化試驗，釬焊質量和抗氧化質量完全合格。

    4·試生產

    通過使用試驗得出的局部電鍍方案對兩套換熱器進行了正常電鍍，結果進行遮蔽的GH202材料外表面無鍍層沉積，遮蔽效果良好，其余表面正常沉積的鍍層結合強度性能檢測合格；產品經過高溫釬焊過程和高工況試車，未見鎳鍍層脫落、起皮等不良現(xiàn)象，鍍層性能同時滿足釬焊和抗氧化性能要求。

    5·結論

    研究取得了成功。對多材料焊接的組件進行局部鍍覆暗鎳鍍層，根據(jù)各材料性能不同，通過局部遮蔽、浸蝕溶液的選擇、預鍍工藝的確定等方式，滿足了換熱器對鍍層釬焊性、高溫抗氧化性的要求。本研究成果已在多個不同類型的換熱器上應用。

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