30CrMnSiA鍍鎘層厚度優(yōu)化研究

王小龍，孫祚東

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30CrMnSiA鍍鎘層厚度優(yōu)化研究

王小龍，孫祚東

（中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

目的基于GJB 594A《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》，綜合考慮防腐蝕和疲勞性能，對(duì)30CrMnSiA鍍鎘層厚度進(jìn)行優(yōu)化。方法開(kāi)展30CrMnSiA鍍鎘5個(gè)厚度系列的疲勞試驗(yàn)，計(jì)算材料的DFRcutoff，研究鍍層厚度對(duì)疲勞性能的影響。通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)，研究鍍層厚度對(duì)材料抗腐蝕性能的影響規(guī)律，最后綜合考慮疲勞及抗腐蝕性能，提出優(yōu)化后的鍍鎘層厚度范圍。結(jié)果鍍層厚度控制在5～25 μm時(shí)，材料的DFRcutoff下降幅度在15%以內(nèi)，厚度超過(guò)25 μm后基體材料的DFRcutoff值下降20%。在中性鹽霧環(huán)境下，厚度控制在12～25 μm時(shí)，能滿足海軍飛機(jī)一般鋼結(jié)構(gòu)件抗腐蝕性能的要求，當(dāng)厚度超過(guò)25 μm后，繼續(xù)增加鍍層厚度對(duì)抗腐蝕性能的提升并不明顯。結(jié)論鍍鎘使材料的疲勞性能降低，其抗中性鹽霧腐蝕能力與鍍層厚度成正比。針對(duì)海軍飛機(jī)使用環(huán)境特點(diǎn)，推薦30CrMnSiA鋼結(jié)構(gòu)件的鍍鎘厚度范圍為12～18 μm，取上限值。

鍍鎘；DFRcutoff；疲勞性能；中性鹽霧試驗(yàn)；厚度優(yōu)化

鍍鎘層具有良好的耐海洋環(huán)境腐蝕的特點(diǎn)，是我國(guó)航空工業(yè)碳鋼和低合金鋼的主要防護(hù)層[1—2]。雖然屬于限制使用的鍍層，目前仍廣泛應(yīng)用于海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)、航電設(shè)備、緊固件等零部件的表面防護(hù)層設(shè)計(jì)[3—4]。此外在外場(chǎng)修理中，還大量采用電刷鍍鎘工藝對(duì)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)合金鋼部件進(jìn)行鍍層修復(fù)[5—6]。

目前關(guān)于鍍鎘的研究多集中在電鍍工藝、除氫工藝的優(yōu)化及耐蝕性方面[7—9]，鮮有開(kāi)展材料疲勞性能的影響方面的研究。胡小華等人的研究指出，鍍硬鉻可使材料的疲勞性能下降，隨鍍層厚度的增加，疲勞性能下降明顯[10]。因此有必要開(kāi)展鍍鎘厚度對(duì)材料疲勞性能影響方面的相關(guān)研究工作，為飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料的鍍層設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

基于此，文中以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5個(gè)厚度系列為基礎(chǔ)，通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)，研究鍍層厚度對(duì)材料耐腐蝕性能的影響。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，計(jì)算不同鍍層材料的的DFRcutoff，研究鍍層對(duì)材料疲勞性能的影響。最后綜合權(quán)衡鍍層厚度對(duì)材料疲勞及抗腐蝕性的影響，優(yōu)選出適合海洋環(huán)境下高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件表面鍍鎘層的工程使用厚度，為高強(qiáng)鋼鍍鎘防護(hù)層設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)件

采用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的高強(qiáng)度鋼30CrMnSiA熱軋板材為試驗(yàn)材料，參照HB 7110—94《金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值（DFRcutoff）試驗(yàn)方法》加工預(yù)制損傷應(yīng)力集中系數(shù)t≤1.5的試驗(yàn)件，然后按照HB/Z 5068—1992工藝對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行鍍鎘鈍化處理，以GJB 594A—2000規(guī)定的厚度系列控制鍍鎘厚度，分別為5～8 μm，8～12 μm，12～18 μm，18～25 μm，25～30 μm。同時(shí)加工50 mm×100 mm×5 mm的中性鹽霧平板試驗(yàn)件，鍍層厚度與預(yù)制損傷件一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用Landmark 250 kN疲勞試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，靜載誤差小于1%，動(dòng)載誤差小于2%。采用VSC1000鹽霧試驗(yàn)箱開(kāi)展中性鹽霧試驗(yàn)，溫度范圍為室溫～55 ℃，誤差為±0.5 ℃；相對(duì)濕度范圍50%～98%，誤差為1%；鹽霧沉降量為（1～2) mL/(80 cm2·h)范圍內(nèi)可調(diào)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 疲勞試驗(yàn)

按照HB 7110—94《金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值（DFRcutoff）試驗(yàn)方法》進(jìn)行，應(yīng)力比=0.06，試驗(yàn)頻率=15 Hz，波形為正弦波。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一應(yīng)力水平，使特征壽命為1.5×105～4×105，最少有效數(shù)據(jù)為5個(gè)。材料DFRcutoff計(jì)算方法如下：

假設(shè)試樣疲勞壽命服從威布爾分布，各組試樣的特征壽命為：

式中：鋁合金=4；鈦合金和鋼=3。

具有95%可靠度和95%置信度的疲勞壽命可按式（2）計(jì)算：

式中：試件系數(shù)T=1；可靠性系R=2.7；置信系數(shù)C=1.218。將（2）計(jì)算結(jié)果帶入式（3）：

(3)

式中：=1.8；m0=930 MPa

1.3.2 中性鹽霧試驗(yàn)

按照GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)——鹽霧試驗(yàn)》[11]進(jìn)行，采用中性鹽溶液連續(xù)噴霧。試驗(yàn)周期為1000 h。中性鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)周期為480，720，1000 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層厚度對(duì)材料疲勞性能的影響

按照HB 7110—94《金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值（DFRcutoff）試驗(yàn)方法》，對(duì)高強(qiáng)鋼鍍鎘5個(gè)厚度系列進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到了一組5個(gè)有效的原始數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)式（3）計(jì)算不同鍍層材料的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值DFRcutoff，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

將試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與航空材料手冊(cè)給出的相同熱處理狀態(tài)下30CrMnSiA的DFRcutoff(443 MPa)進(jìn)行參考對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鍍鎘對(duì)材料的疲勞性能有影響，鍍層越厚疲勞性能下降越明顯。當(dāng)鍍鎘層厚度為5～8 μm時(shí)，基體材料的DFRcutoff下降11.2%；厚度為8～12 μm時(shí)，基體材料的DFRcutoff下降13.5%；厚度為12～18 μm時(shí)，基體材料的DFRcutoff下降12.7%；厚度為18～25 μm時(shí)，基體材料的DFRcutoff下降14.7%；厚度為25～30 μm時(shí)，基體材料的DFRcutoff下降20%。

表2 五個(gè)厚度系列的鍍鎘試驗(yàn)件DFRcutoff

圖1 鍍鎘層厚度對(duì)材料的DFRcutoff影響曲線

采用SEM對(duì)試樣的斷口進(jìn)行了分析，圖2為試驗(yàn)件的宏觀、微觀斷口形貌。由此可見(jiàn)，試樣的預(yù)制損傷缺口處為疲勞裂紋源，圖2中疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)清晰可見(jiàn)。缺口處的鍍層厚度對(duì)裂紋擴(kuò)展的機(jī)理及影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究。圖3為不同鍍層厚度的鍍鎘層放大400倍后的表面形貌。

從圖3可以看出，鎘鍍層中存在疏松的微孔，不同厚度的鍍層孔的大小和數(shù)量并不相同。隨著鍍層厚度的增加，孔的數(shù)量和大小基本呈增加的趨勢(shì)。孔隙率的增加也可能是導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的降低原因之一。此外由于鎘鍍層對(duì)氫的阻擋作用，使電鍍過(guò)程中進(jìn)入鋼中的微量氫難以去除，鍍層越厚，阻擋作用越明顯，一旦除氫不徹底很容易誘發(fā)材料氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降。

2.2 鍍層厚度對(duì)材料耐蝕性能的影響

通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)考察了5個(gè)鍍層厚度的試樣的腐蝕情況。圖4—6分別為試驗(yàn)件經(jīng)480，720，1000 h中性鹽霧試驗(yàn)后的表面形貌。

圖4的結(jié)果表明，當(dāng)中性鹽霧試驗(yàn)至480 h，試驗(yàn)件表面鍍層的黃色膜基本褪掉，在褪色的表面鎘鍍層發(fā)生腐蝕。其中鍍層厚度為5～8 μm的試驗(yàn)件表面可見(jiàn)少量麻點(diǎn)，其他厚度的試驗(yàn)件表面也出現(xiàn)了幾個(gè)點(diǎn)蝕斑。厚度為25～30μm的蝕點(diǎn)最少，鍍層厚度對(duì)材料的耐蝕性有影響。

圖5的結(jié)果表明，試驗(yàn)至720 h，試驗(yàn)件大部分的黃色膜層基本都已經(jīng)失效，表面呈暗灰色，但是基體未出現(xiàn)紅銹。其中厚度為5～8 μm，8～12 μm的試驗(yàn)件表面還出現(xiàn)了鎘腐蝕坑，厚度為12～18 μm，18～25 μm，25～30 μm的試驗(yàn)件表面仍有部分黃色鈍化膜未消失。

圖6的結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行至1000 h，鍍層厚度為5～8 μm，8～12 μm的試驗(yàn)件表面金黃色的鈍化鍍膜都消失。鍍層厚度為12～18 μm的試驗(yàn)件表面開(kāi)始出現(xiàn)鎘腐蝕坑，但基體金屬并沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕情況。當(dāng)鍍層厚度在18～25 μm和25～30 μm時(shí)，試驗(yàn)件的表面鎘鍍層均未出現(xiàn)鎘腐蝕后留下的蝕坑，基體也沒(méi)有出現(xiàn)紅銹，表現(xiàn)出具有良好的抗腐蝕性能。在試驗(yàn)1000 h的情況下，當(dāng)厚度范圍控制在18～25 μm和25～30 μm時(shí)，其防護(hù)能力基本相當(dāng)。

綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，鍍鎘層厚度與材料的抗腐蝕性成正比，即鍍層越厚，對(duì)鋼基體的防護(hù)效果越好。當(dāng)厚度增加到一定范圍時(shí)即能滿足海軍飛機(jī)對(duì)一般鋼結(jié)構(gòu)件的工程防護(hù)基本要求。

2.3 鍍鎘層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述研究可知，鍍鎘層越厚，材料的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值DFRcutoff下降幅度越大，鍍層越厚，抗腐蝕能力越強(qiáng)。從飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，高強(qiáng)度鋼一般為承力結(jié)構(gòu)，必須兼顧材料的靜強(qiáng)度和疲勞性能。針對(duì)海軍飛機(jī)海洋環(huán)境下的使用特點(diǎn)，推薦高強(qiáng)鋼鍍鎘的厚度范圍選擇為12～18 μm，取上限值。

3 結(jié)論

1）鍍鎘層厚度對(duì)基體結(jié)構(gòu)鋼材料的疲勞性能有影響，鍍鎘層越厚，材料的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值DFRcutoff下降幅度越大。

2）鍍鎘層的耐腐蝕性能與鍍層厚度有關(guān)，鍍層越厚，抗腐蝕能力越強(qiáng)。當(dāng)厚度控制在12～25 μm時(shí)即能滿足防護(hù)要求，當(dāng)厚度超過(guò)25 μm后，繼續(xù)增加鍍層厚度對(duì)抗腐蝕性能的提升并不顯著。

3）根據(jù)海軍飛機(jī)的海洋使用環(huán)境特點(diǎn)，推薦高強(qiáng)鋼鍍鎘的厚度范圍選擇為12～18 μm，取上限值。

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[11] GB/T 10125—1997, 人造氣氛腐蝕試驗(yàn)——鹽霧試驗(yàn)[S].

Thickness Optimization Study on 30CrMnSiACadmium Plated Layer

WANG Xiao-long, SUN Zuo-dong

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control, Special Vehicle Research Institute of China, Jingmen 448035, China)

Objective To optimize the thickness of the 30CrMnSiA cadmium plating by comprehensive consideration of the corrosion resistance and fatigue properties based on the Selection principle and thickness series for metallic and chemical coatings of GJB594A. Methods Influences of the thickness of cadmium plating on the fatigue property and the corrosion resistance were studied by five thickness series fatigue tests to calculate the DFRcutoffvalue and neutral salt spray test of 30CrMnSiA steel. Finally, the plated thickness after optimization was put forward by comprehensive consideration of the corrosion resistance and fatigue property. Result The fatigue property declined by 15% when the plating thickness was controlled in 5 ~ 25 μm, and declined by 20% when the thickness was more than 25 μm. In neutral salt fog environment, the plating thickness controlled in 12 ~ 25 μm could meet the design requirement for general steel structure corrosion protection. If the thickness exceeds 25μm, increasing the plating thickness its influences on the improvement of corrosion resistance was not obvious. Conclusion Cadmium plating decreases the fatigue property of materials. The corrosion resistance was proportional to the plating thickness in the neutral salt-frog environment. According to the environment characteristics of naval aircraft, it is recommended to adopt the upper limit value of 12 ~ 18μm for thickness of the 30CrMnSiA steel cadmium plating.

cadmium plating; detail fatigue rating cutoff; fatigue property; neutral salt spray test; thickness optimization

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.016

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)03-0080-04

2017-01-22；

2017-02-08

王小龍（1980—），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制。