換熱器鍍層工藝研究

劉興斌，葉 暉，翟繪豐

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

0 引言

換熱器是新型發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣體增壓部件，屬于多通道夾套式釬焊結(jié)構(gòu)件，存在釬焊面和介質(zhì)面交錯(cuò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(jīng)受試車過程中的高溫。

在產(chǎn)品研制過程中，通過對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)、材料、鍍層性能要求等特殊情況進(jìn)行充分分析，結(jié)合大量工藝試驗(yàn)和試生產(chǎn)，確定了換熱器表面處理的工藝方法和各項(xiàng)工藝參數(shù)。鍍層性能滿足要求，并經(jīng)受了多次熱試車考核，質(zhì)量完全滿足工況需要。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

換熱器是新型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正常工作所需的推進(jìn)劑供應(yīng)壓力。產(chǎn)品具體型面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 換熱器型面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Profile structure of heat exchanger

換熱器屬于多通道釬焊的組焊結(jié)構(gòu)，主要由S-03，0Cr18Ni10Ti，GH202和QCr0.8四類材料構(gòu)成。

在換熱器研制過程中，設(shè)計(jì)要求換熱器內(nèi)、外釬焊面和非釬焊面電鍍Ni10～15 μm的技術(shù)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(shí)的高溫抗氧化性保護(hù)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(diǎn)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(xué)穩(wěn)定性好，有機(jī)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(jié)晶細(xì)小，容易拋光。鎳的電極電位比鐵正，鈍化后電勢(shì)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(dāng)鍍層厚度超過25 μm時(shí)才是無孔的，所以，一般不單獨(dú)作為鋼鐵基的防護(hù)性鍍層，而是作為防護(hù)-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(hù)能力較差。鎳的屏蔽效果比較好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于電子機(jī)械箱體的表面處理。

鎳鍍層的應(yīng)用可分為防護(hù)裝飾性和功能性兩方面。作為防護(hù)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(hù)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(dá)到裝飾的目地。塑料經(jīng)過處理后也可鍍鎳，使塑料零件金屬化。在功能性應(yīng)用方面，主要用于修復(fù)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(fù)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(luò)合劑，電極反應(yīng)是簡(jiǎn)單的金屬鎳離子的還原，能得到結(jié)晶細(xì)致、致密和均勻的鍍層，其主要原因是在極性較強(qiáng)的水分子作用下，各個(gè)化學(xué)成分發(fā)生電離反應(yīng)，溶液中形成大量的陰、陽離子，在電場(chǎng)作用下，陰離子會(huì)大量向陽極移動(dòng)，陽離子向陰極移動(dòng)。由于Na+、H+等陽離子與Ni2+析出電位相差較大，即析出的趨勢(shì)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(jié)晶細(xì)致、純度高等特點(diǎn)。

鍍鎳陰極反應(yīng)：鍍鎳時(shí)，陰極上的主反應(yīng)是鎳離子還原為金屬鎳

陰極上還有氫離子還原為氫的反應(yīng)

鍍鎳陽極反應(yīng)：為金屬鎳的電化學(xué)溶解，同時(shí)伴有氧氣析出的副反應(yīng)

溶液中存在的Cl-可以防止陽極鈍化，但也可能發(fā)生析出氯氣的副反應(yīng)

2.2 鎳溶液成分及作用

暗鎳溶液的成分為：

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(jié)晶細(xì)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(dǎo)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(dǎo)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(huì)引起陽極過腐蝕或不規(guī)則溶解，產(chǎn)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(shí)，由于氫離子在陽極表面放電，會(huì)使溶液的PH值逐漸上升，當(dāng)PH值過高時(shí)，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(xué)性能惡化。硼酸在水溶液中會(huì)離解出氫離子，對(duì)溶液的PH值起緩沖作用，保持溶液PH值相對(duì)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(dǎo)電鹽，使溶液具有良好的導(dǎo)電性，加入后可使鍍暗鎳在常溫下進(jìn)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(xué)成分的不同，其化學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)也存在明顯的差異，因而在進(jìn)行表面處理時(shí)需有其相應(yīng)的前處理方法，以保證鍍層質(zhì)量，對(duì)單一材料實(shí)施電鍍從工藝上來講是完全可行的，但當(dāng)上述幾類材料焊接成組件后，因?yàn)榍疤幚矸椒ǖ牟町悾瑥睦碚撋戏治鲆ＷC不同材料上的鍍層同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)合強(qiáng)度存在難度。

表1 材料化學(xué)成分表Tab.1 Chemical compositions of materials

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(duì)氫脆不敏感、浸蝕殘?jiān)^少、耐蝕性較低等特點(diǎn)。在對(duì)QCr0.8電鍍前處理時(shí)，經(jīng)過一般的化學(xué)除油、浸蝕和光亮浸蝕，不進(jìn)行其它預(yù)鍍層等措施，即可保證鍍層結(jié)合強(qiáng)度，一般除油選用弱堿性中溫溶液進(jìn)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?jiān)?，本工序可以不進(jìn)行。

銅合金電鍍工藝流程：

除油→浸蝕（稀硫酸）→光亮浸蝕（可不進(jìn)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(qiáng)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(huì)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(qiáng)堿性溶液進(jìn)行除油和中等強(qiáng)度的鹽酸溶液進(jìn)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(jié)合強(qiáng)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(jìn)行的特殊預(yù)鍍處理方式，在基材表面覆蓋一層厚度僅為1～2微米的預(yù)鍍層，確保后續(xù)鍍層的結(jié)合強(qiáng)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(jìn)行，0Cr18Ni10Ti和GH202材料選用浸蝕性強(qiáng)的混合酸溶液。

因?yàn)橄跛岷突旌纤釋?duì)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(jìn)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(zhì)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(yù)鍍鎳→鍍鎳

2.4 可行性分析

根據(jù)咨詢和查閱國(guó)內(nèi)、外相關(guān)表面處理專業(yè)資料，對(duì)于鎳鍍層同時(shí)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(shí)，又具有高溫下的抗氧化保護(hù)鍍層功能，此類工藝方法在國(guó)內(nèi)未見報(bào)道，國(guó)際上也僅有俄羅斯一家。

通過對(duì)換熱器所有材料的性能進(jìn)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(yù)鍍鎳和鍍鎳規(guī)范，局部電鍍采用復(fù)雜的手工遮蔽方式進(jìn)行。不銹鋼鍍前處理均選用堿性和酸性相對(duì)較強(qiáng)的溶液，為了減少GH202材料浸蝕質(zhì)量的不穩(wěn)定性，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和性能要求，可以對(duì)GH202材料外表面采用遮蔽方法不電鍍。預(yù)鍍鎳工序在保證不銹鋼電鍍質(zhì)量的同時(shí)不會(huì)對(duì)銅合金造成影響，完全可以選用。

在組合流程進(jìn)行生產(chǎn)存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

1)產(chǎn)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(diǎn)，對(duì)不銹鋼基材表面的脫脂和活化處理能力略有不足，最終導(dǎo)致鍍層結(jié)合強(qiáng)度較低，直接降低釬焊的可靠性；

2)對(duì)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(shí)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(hù)功能，這要求鎳鍍層純度、與基體結(jié)合強(qiáng)度等性能非常高。

根據(jù)以上分析認(rèn)為，后續(xù)需開展驗(yàn)證工藝試驗(yàn)，選擇適用于所有材料的溶液和工藝規(guī)范，以保證整個(gè)產(chǎn)品的電鍍質(zhì)量。

3 工藝研究過程

3.1 試驗(yàn)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(diǎn)焊成組合試驗(yàn)件，按照銅合金和不銹鋼適用的不同工序流程開展電鍍?cè)囼?yàn)，以考察各個(gè)材料在不同溶液中的處理結(jié)果及其對(duì)后續(xù)電鍍質(zhì)量的影響。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 銅合金電鍍工序流程

利用試驗(yàn)件按照銅合金電鍍的工序流程進(jìn)行電鍍，再檢測(cè)試驗(yàn)件上各個(gè)材料表面上鍍層的結(jié)合強(qiáng)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(yàn)件按照不銹鋼電鍍工序流程進(jìn)行電鍍，再檢測(cè)試驗(yàn)件上各個(gè)材料表面上鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。

工序流程：除油→浸蝕（鹽酸）→預(yù)鍍鎳→鍍鎳

3.2.3 遮蔽試驗(yàn)

對(duì)照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采用遮蔽方法進(jìn)行試驗(yàn)，考察非鍍覆面上和鍍覆面上是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 溶液配方及規(guī)范

3.3.1 預(yù)鍍鎳配方及規(guī)范

3.3.2 鍍鎳配方及規(guī)范

3.4 鍍層檢測(cè)方法

3.4.1 鍍層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)（依據(jù)GB5270-85）

熱震試驗(yàn)：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(jié)合力。

銼刀試驗(yàn)：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)

按照設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工過程要求，產(chǎn)品電鍍后均進(jìn)行高溫釬焊過程，鍍層應(yīng)無脫落、起皮、起泡等不良現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.5 鍍層試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

3.5.1 浸蝕試驗(yàn)及結(jié)果

通過對(duì)試驗(yàn)件選用稀硫酸、鹽酸（50%）進(jìn)行浸蝕工序后，再進(jìn)行正常的電鍍流程，最后對(duì)鍍層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢查，確定最佳的浸蝕溶液。

結(jié)果：選用稀硫酸進(jìn)行浸蝕，銅合金材料表面氧化物去除徹底，鍍層結(jié)合強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度不合格；選用鹽酸溶液進(jìn)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(zhì)量合格。

3.5.2 預(yù)鍍鎳試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)件用無預(yù)鍍鎳電鍍流程和有預(yù)鍍鎳電鍍流程進(jìn)行電鍍，對(duì)各個(gè)材料表面的鍍層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以確定對(duì)銅合金材料電鍍過程中增加預(yù)鍍鎳工序的可行性。

結(jié)果：經(jīng)過無預(yù)鍍鎳電鍍工序流程，銅合金材料表面鍍層結(jié)合強(qiáng)度合格，不銹鋼表面鍍層均起皮不合格；經(jīng)過預(yù)鍍鎳電鍍流程，銅合金材料和不銹鋼材料表面鍍層質(zhì)量均合格，且銅合金表面鍍層結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于無預(yù)鍍鎳電鍍鍍層。

3.5.3 遮蔽試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行遮蔽，選用前期浸蝕試驗(yàn)和預(yù)鍍?cè)囼?yàn)結(jié)論進(jìn)行鍍鎳。

結(jié)果：通過電鍍?cè)囼?yàn)，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(yàn)結(jié)果

將3件試驗(yàn)件進(jìn)行電鍍，選用前期試驗(yàn)的初步結(jié)論，采用鹽酸溶液進(jìn)行浸蝕，并增加了預(yù)鍍鎳工序。鍍后初步檢測(cè)鍍層質(zhì)量合格后，再模擬釬焊過程進(jìn)行熱處理，檢查熱處理后的鍍層質(zhì)量，確定鍍層結(jié)合強(qiáng)度是否滿足釬焊的熱處理過程需要。

結(jié)果：鍍層無起皮、鼓泡等結(jié)合強(qiáng)度不合格的問題出現(xiàn)，鍍層質(zhì)量合格。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)開展的各項(xiàng)試驗(yàn)，確定了以下幾個(gè)試驗(yàn)結(jié)果：

采用鹽酸溶液進(jìn)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(zhì)量的需要。

增加預(yù)鍍鎳工序，可有效保證鍍層在各個(gè)材料上的結(jié)合強(qiáng)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(zhì)量不穩(wěn)定問題。

用以上結(jié)論生產(chǎn)的試驗(yàn)件進(jìn)行了釬焊熱處理試驗(yàn)和高溫抗氧化試驗(yàn)，釬焊質(zhì)量和抗氧化質(zhì)量完全合格。

4 試生產(chǎn)

通過使用試驗(yàn)得出的局部電鍍方案對(duì)兩套換熱器進(jìn)行了正常電鍍，結(jié)果進(jìn)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(jié)合強(qiáng)度性能檢測(cè)合格；產(chǎn)品經(jīng)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(shí)滿足釬焊和抗氧化性能要求。

5 結(jié)論

研究取得了成功。對(duì)多材料焊接的組件進(jìn)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(yù)鍍工藝的確定等方式，滿足了換熱器對(duì)鍍層釬焊性、高溫抗氧化性的要求。本研究成果已在多個(gè)不同類型的換熱器上應(yīng)用。

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