飛機鋁基零件鍍層結(jié)合力影響因素分析

鄭勇宏

摘要：鋁及鋁合金性質(zhì)活潑，需經(jīng)過特殊的前處理才能進行電鍍，鋁合金電鍍效果取決于前處理準(zhǔn)備的細致程度。對鋁及合金前處理過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因進行了分析，提出了去除氧化膜和防止氧化膜再次生成的解決方法，對關(guān)鍵工序控制因素進行了分析。

關(guān)鍵詞：鋁基體;鍍層結(jié)合力;前處理

0引言

某型飛機上有大量鋁及鋁合金零件，為防止該類零件在腐蝕氣候環(huán)境下使用時發(fā)生腐蝕，一些零件需要用電鍍手段鍍覆一層防腐層，另有一些電器零件需要鍍錫和化學(xué)鍍鎳。

鋁及鋁合金材料屬于兩性金屬，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，既能與酸發(fā)生反應(yīng)，又能與堿發(fā)生反應(yīng)，在電鍍時存在許多困難，主要表現(xiàn)為鍍層起皮、鼓泡，導(dǎo)致鍍層與基體金屬結(jié)合力差。造成這些故障的主要原因如下。

1）鋁是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘伲c氧的親和力較強。在自然條件下，表面極易生成一層薄而致密的氧化膜，甚至剛剛除過氧化膜的表面又會迅速生成新的氧化膜，從而嚴重削弱了鍍層與鋁基體的結(jié)合力。

2）鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為1.67V，很容易失去電子。當(dāng)鋁基零件浸入電解液中，立即就會與電位較高的金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，在鋁基零件表面產(chǎn)生疏松的接觸沉積。

3）鋁是典型的兩性金屬，能和大多數(shù)酸作用生成鋁鹽并放出氫氣，與堿作用生成偏鋁酸鹽并放出氫氣，沒有適于直接電鍍的電解液。

4）鋁基零件與鍍層之間常有氫氣吸藏，造成鍍層鼓泡。

5）鋁的膨脹系數(shù)與許多金屬鍍層相差很大（鋁為24×10^-6，鉻為7×10^-6），容易引起內(nèi)應(yīng)力，影響鍍層金屬與鋁基體的結(jié)合力。特別是當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，鋁基體與鍍層金屬同時膨脹，造成鍍層鼓泡、裂紋。

因此，鋁基零件電鍍的關(guān)鍵是需要特殊的鍍前處理，目的在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次生成，以及當(dāng)鋁基金屬零件浸入電鍍液時阻止置換反應(yīng)的深度發(fā)生。

1鍍前處理工藝流程

一般采取的工藝流程為：將鋁基金屬零件經(jīng)有機溶劑脫脂、堿浸蝕、酸洗活化等過程后，采用二次浸鋅工藝等建立電鍍中間層，以保證獲得較好的電鍍層。具體的工藝流程是：除油→水洗→堿蝕→水洗→酸洗活化→水洗→浸鋅→水洗→電鍍。

2前處理影響因素

鋁基零件和鍍層金屬的結(jié)合需要滿足三個條件：一是完全無氧化膜的清潔表面;二是與鋁基體直接接觸的底層金屬的電位要與鋁的電位接近;三是如果形成合金則要有較高的固溶度，以利于鍍層在原沉積層上延伸。因此，在前處理工藝中控制各工序特性是提高鋁基零件鍍層結(jié)合力的重要途徑。

2.1堿腐蝕

堿腐蝕的目的是進一步去除鋁基零件的自然氧化膜并粗糙表面，進而暴露金屬結(jié)晶組織，提高鍍層結(jié)合力。鋁基零件在堿腐蝕過程中，基體表面的氧化膜首先被溶解，之后基體與堿作用生成偏鋁酸鹽并放出氫氣。

Al₂O₃+2NaOH→2NaAlO₂+2H₂O

2Al+2NaOH⁺→2NaAlO₂+3H₂↑

鋁基零件堿腐蝕處理實際上是化學(xué)腐蝕的過程，因此零件在進行堿腐蝕時一定要掌握時間，控制相應(yīng)的溫度。若溫度過高、時間過長，基體組織去除較多，容易引起零件過腐蝕或尺寸超差。溫度與腐蝕時間的關(guān)系在前處理工序中尤為重要。

堿腐蝕后的鋁基零件應(yīng)及時用40℃～50℃的流動熱水清洗，流動熱水是為避免水中堿性過強造成二次腐蝕，之后再用流動冷水清洗。

2.2浸酸活化

鋁基零件經(jīng)過堿腐蝕處理后，鋁合金中的金屬或非金屬元素如Fe、Mn、Cu、Mg、Si等不溶于堿，形成一層黑褐色膜殘留在零件表面，俗稱“掛灰”，這些“掛灰”影響基體與鍍層的結(jié)合力，必須在酸性溶液中經(jīng)活化處理除去，從而使零件表面顯露出金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

只有選擇適合不同鋁合金成分的活化處理工藝，才能真正達到活化基體和提高結(jié)合力的目的。如果活化處理得當(dāng)，鋁基零件上的鍍層經(jīng)200℃和3h耐熱試驗后也不會剝離和起泡。因此，要根據(jù)鋁基零件的材料成分、表面狀態(tài)的不同，選擇合適的活化處理工藝。對純鋁和含銅鋁合金的零件常采用比例為1：1的硝酸和水的溶液（體積比）進行浸蝕活化處理;硬鋁零件用1：1硝酸和硫酸的混合溶液（體積比）;含硅10%以下的硅鋁合金，用3：1硝酸和氫氟酸的混合溶液（體積比）;對含硅大于10的高硅鋁合金則在1：1硝酸和氫氟酸的混合溶液（體積比）中進行活化處理。經(jīng)過酸洗活化處理后，鋁基零件表面必須均勻、光潔、濕潤并呈灰白色，才能保證鍍層結(jié)合力良好。

2.3浸鋅

經(jīng)過前兩道工序處理后的鋁基零件在鋅酸鹽中化學(xué)浸鋅，在有效地除去表面氧化膜的同時，零件表面的金屬鋁與溶液中含絡(luò)合物（Zn（OH）₄）^2-中的鋅離子發(fā)生置換反應(yīng)，生成一層薄而平整、細致均勻的浸鋅層，從而防止鋁基體氧化膜的再次生成，使鋁基體的表面電位向正方向移動，從而使基體獲得結(jié)合良好的鍍層。

實際上，鋁基零件在鋅酸鹽溶液中處理的過程是一個電化學(xué)過程。

在陽極，鋁被溶解：

A1+30H→Al（OH）₃+3e

Al（OH）₃

AlO²+H₂O+H⁺

在陰極，鋅被析出：

（Zn（OH）₄）^2-

Zn²⁺+4OH^-

Zn²⁺+2e→Zn

由于在強堿溶液中氫離子的含量非常低，且鋅的電位非常高，所以反應(yīng)過程中沒有明顯的氫析出。

鋅酸鹽的濃度對獲得的接觸鋅的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)強度有很大影響。實驗證明，鋅酸鹽含量低時，鋅層結(jié)晶粗糙，結(jié)合力差;提高鋅酸鹽含量后，鋅層細致、緊密，鍍層結(jié)合牢固。在鋅酸鹽含量不變時，游離氫氧化鈉含量越高，被置換出來的鋅層越薄，這是因為提高了氫氧化鈉的含量，相應(yīng)地提高了（Zn（OH）₄）^2-的穩(wěn)定性，使鋅的電位更接近鋁的電位，鋅從堿性溶液中的置換過程很快就會停止。

鋁基零件進行鋅酸鹽處理時，鋅的厚度只在開始很短的時間內(nèi)以一定的速度增加，達到一定值后隨著時間增加但鋅層厚度的增加不再明顯，如果浸漬時間超過3min，甚至?xí)逛\層與基體的結(jié)合力變差。

在鋅酸鹽中添加少量的三氯化鐵和酒石酸鉀鈉，可以改善鋅層結(jié)構(gòu)，提高鋁和鋁合金電鍍后的耐蝕能力。這是由于在強堿溶液中，酒石酸鉀鈉能夠與鐵生成絡(luò)合物，當(dāng)鋁基零件浸入溶液后，鐵與鋁同時發(fā)生置換反應(yīng)，形成與基體緊密結(jié)合的鋅鐵合金層，以此代替純鋅，減少了鍍層起泡、脫落現(xiàn)象，可以進一步改善浸鋅層的結(jié)合力。

為提高浸鋅層的結(jié)合力，改善鍍層質(zhì)量，鋁基零件鋅酸鹽處理在工藝上大都采用兩次浸鋅。第一次浸鋅難免有氧化膜殘留，浸鋅層結(jié)合力不好，因此在第一次浸鋅后用1：1的硝酸和水溶液退除（體積比），經(jīng)水洗后進行第二次浸鋅，這樣能得到薄而致密、晶粒細致的鋅置換層，從而保證良好的結(jié)合力。不過，第二次浸鋅的時間不宜過長，以防止出現(xiàn)零件過腐蝕現(xiàn)象。

2.4夾具等的影響

浸鋅掛具一般由鍍鎳的鋼或銅制成，不能用銅及銅合金掛具，是為了防止銅與鋁基零件接觸發(fā)生置換反應(yīng)而出現(xiàn)鼓泡、起皮等結(jié)合力不良現(xiàn)象。前處理有多道工序時，宜用鋁絲吊掛零件，便于各工序間的快速操作和清洗。裝掛夾具時，除裝掛點外，不允許碰撞零件浸鋅層，否則應(yīng)重新進行浸鋅。

浸鋅溶液可以用碳鋼槽、不銹鋼槽盛裝，但在操作時，零件不允許與槽壁接觸，這是因為鋁基體可能會成為陽極而影響鋅的沉積。

2.5在浸鋅層上電鍍

浸鋅層很薄，鍍其他金屬時必須選擇適合的電鍍工藝，如鍍鎘、鍍銅、鍍錫、化學(xué)鍍等。以飛機電器零件化學(xué)鍍鎳為例，浸鋅后閃鍍一層氰化銅，任何鍍層或多層電鍍都可以在銅上鍍覆，電鍍時先用2.6A/dm²沖擊鍍1～2min，再降至1.3A/dm²鍍2～3mm。之后，再進行化學(xué)鍍鎳，化學(xué)鍍鎳不僅防腐性能優(yōu)良，而且具有可焊性（適用于電阻焊）、導(dǎo)電性好。

3主要工序注意事項

鋁基零件屬于特種電鍍工藝，電鍍的效果主要取決于鍍前準(zhǔn)備的細致程度，要點在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次形成。操作中應(yīng)注意以下幾點。

1）零件經(jīng)浸酸活化處理后，各道工序必須迅速進行，工序間的間隔時間越短越好?；罨幚砗蟮牧慵?yīng)在流動水中除去表面殘留的溶液，尤其是盲孔死角，否則影響浸鋅層的質(zhì)量。同樣，浸鋅后也必須進行徹底清洗。

2）第二次浸鋅時間不宜過長，應(yīng)控制在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，以防止造成零件過腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。浸鋅后的零件表面應(yīng)呈青灰色，有一層微光澤、色澤均勻一致的薄而致密的鋅膜，如出現(xiàn)斑點或光澤不均，或浸鋅層被碰傷時，都必須在酸溶液中除去后重新進行前處理，直至色澤符合要求。

3）為了避免各種溶液互相滲雜，冷、熱水清洗必須徹底，尤其要注意重金屬離子不得混入電鍍槽中。

4）在熱的電解液中電鍍時，鋁基零件應(yīng)在干凈的熱水槽中預(yù)熱。預(yù)熱時間不能過長，以防止鋅層氧化而影響鍍層結(jié)合力。

5）由于鋅的電位很低，在普通電鍍槽液中會發(fā)生強烈的置換反應(yīng)，嚴重影響鍍層結(jié)合力，因此，浸鋅后的鋁基零件必須帶電下槽進行快速閃鍍，用大電流沖擊1～2min后，再轉(zhuǎn)為正常電鍍，使其表面有一層鍍層，以免浸鋅層氧化或產(chǎn)生置換層。

6）經(jīng)閃鍍后，浸鋅層雖被覆蓋，但鍍層仍然很薄，電鍍?nèi)芤喝阅芡ㄟ^閃鍍層孔隙致鋅層腐蝕。因此，閃鍍后鍍覆其他金屬仍需要帶電下槽。

4結(jié)論

1）鋁基零件電鍍前需經(jīng)過特殊的預(yù)處理才能獲得優(yōu)良鍍層。

2）前處理工序中堿腐蝕、浸酸活化、浸鋅是影響鍍層結(jié)合力的關(guān)鍵工序。

3）在鋅酸鹽中化學(xué)浸鋅，能有效地除去零件表面氧化膜，同時從溶液中置換出一層薄而致密的金屬鋅，從而阻止氧化膜的再次發(fā)生。

參考文獻

[1]張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.