機(jī)載統(tǒng)型模塊防腐性能研究

張紅娟 南雁 喬平 朱光輝 劉謙文

摘?要：本文從模塊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件原材料選用和表面處理方式選擇三方面介紹了如何設(shè)計(jì)、如何選擇滿足要求的原材料和表面處理，以滿足模塊防腐性能要求。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，綜合考慮外觀質(zhì)量、三防性能、導(dǎo)電性能、散熱性能、工藝成熟穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本等因素，建議機(jī)載統(tǒng)型模塊結(jié)構(gòu)件使用防銹鋁5A06加工，表面處理選擇所有面進(jìn)行導(dǎo)電氧化，外表面噴涂三防漆。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)型模塊;耐蝕性;模塊設(shè)計(jì);原材料;表面處理

Anti-corrosion Performance Discussion of Airborne Integrated Module

Zhang Hongjuan?Nan Yan?Qiao Ping?Zhu GuangHui?Liu QianWen

Xi'an Aeronautics Computing Technique Research Institute?ShanxiXi'an?710068

Abstract：This paper introduces how to design，how to select the raw materials and surface treatment method to meet the requirements of anti-corrosion performance of the airborne integrated module.This analyses from three aspects：module design，selection of raw materials for structural parts and selection of surface treatment method.Through practical verification，considering the appearance quality，protection properties，conductivity performance，heat dissipation performance，mature and stable process，production cost and other factors，it is recommended that the structural parts of airborne integrated module be processed with antirust aluminum 5A06，all surfaces shall be selected for conducting oxidation，and the external surface shall be painted with three proofing paint.

Key words：Integrated module;Corrosion resistance;Module design;Raw material;Surface treatment

機(jī)載統(tǒng)型模塊即模塊可能應(yīng)用于各種機(jī)載環(huán)境和場(chǎng)合。模塊工作環(huán)境可能直接暴露于大自然環(huán)境下，經(jīng)受各種氣候因素諸如：溫度、雨、冰雹、雪、含鹽大氣、工業(yè)大氣、塵埃、風(fēng)沙等直接作用的表面;也有可能工作在比較惡劣的海上環(huán)境或模塊插裝于開(kāi)放式機(jī)架。同時(shí)模塊能滿足機(jī)載試驗(yàn)要求，如：振動(dòng)試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)等。

本文從模塊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件原材料選用和表面處理方式選擇三方面探討模塊的防腐性能，以達(dá)到最優(yōu)防腐性能設(shè)計(jì)。

1 模塊設(shè)計(jì)

1.1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該模塊可能處于較惡劣的工作環(huán)境（如海上環(huán)境），較惡劣的試驗(yàn)條件（酸性大氣試驗(yàn)）和較惡劣的使用環(huán)境（開(kāi)放式機(jī)架）。對(duì)于暴露于大自然環(huán)境中的模塊應(yīng)優(yōu)先選用全封閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)合用戶接口要求，模塊采用如下圖所示的全封閉形式。

1.2 模塊三防設(shè)計(jì)

潮濕、鹽霧和霉菌會(huì)腐蝕和破壞電子產(chǎn)品的設(shè)備和材料，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的電氣性能下降、機(jī)械強(qiáng)度降低。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的功能失效。經(jīng)常工作于潮濕地帶、通常會(huì)在材料表面凝聚一層水膜甚至滲透到材料內(nèi)部，造成材料表面電導(dǎo)率增加、體積電阻率降低、介質(zhì)損耗加大，從而產(chǎn)生電氣短路、漏電或擊穿等故障。電子產(chǎn)品三防設(shè)計(jì)是指通過(guò)對(duì)各種因素的綜合分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的腐蝕類(lèi)型和危險(xiǎn)性后果，進(jìn)行防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)，從而確定合理而有效的防腐蝕措施，使產(chǎn)品能防海水和鹽霧空氣腐蝕。在我國(guó)南方和沿海地區(qū)使用的、尤其是在戶外使用的電子設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)，采取各種防護(hù)措施，以提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。

為滿足環(huán)境使用要求，模塊三防設(shè)計(jì)考慮的主要因素有：①電子設(shè)備可能遭受的環(huán)境條件及主要的腐蝕性環(huán)境因素;②對(duì)腐蝕損壞最敏感的部位;③要求防護(hù)的程度及允許采用的防護(hù)手段。

防止金屬腐蝕損壞的基本方法有：①采用高耐腐蝕性材料;②氣候環(huán)境防護(hù);③對(duì)材料表面進(jìn)行耐蝕性表面處理;④防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

腐蝕的發(fā)生會(huì)影響到結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能和防護(hù)性能，導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電子設(shè)備的性能參數(shù)、降低使用壽命。模塊結(jié)構(gòu)形式確定后，需從三防性能方面出發(fā)，將防腐設(shè)計(jì)滲透到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)模塊結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效保護(hù)，對(duì)材料和表面涂覆做出要求。

2 原材料選用

金屬受到環(huán)境因素影響，借著化學(xué)反應(yīng)所造成破壞性侵害，稱(chēng)之為腐蝕。幾乎所有的金屬制品，都會(huì)有若干形態(tài)之腐蝕現(xiàn)象，當(dāng)使用環(huán)境及時(shí)間不同時(shí)，腐蝕現(xiàn)象有明顯差異，特別是沿海地區(qū)，大氣中鹽分及濕度極高，使空氣充滿腐蝕性顆粒，會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕現(xiàn)象加劇，雖然表面進(jìn)行了三防涂覆，但使用中結(jié)構(gòu)件也經(jīng)常出現(xiàn)各種類(lèi)型的不同程度的腐蝕現(xiàn)象，要想從根本上解決結(jié)構(gòu)件腐蝕的問(wèn)題，必須根據(jù)環(huán)境使用條件選擇合適的結(jié)構(gòu)件材料。

結(jié)構(gòu)件的材料除滿足機(jī)載電子設(shè)備的一般要求外，還應(yīng)選用防火、防霉、防銹蝕、散熱性好、耐磨和強(qiáng)度好的材料。鋁及鋁合金有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、易于成型、價(jià)格低廉、密度小、易于加工等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工建材等部門(mén)的電子產(chǎn)品，在諸多領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用，成為常用的結(jié)構(gòu)材料，是輕合金中應(yīng)用最廣的合金。

鋁合金有九大類(lèi)，常用的鋁合金有1XXX系列、2XXX系列、5XXX系列、6XXX系列和7XXX系列6類(lèi)。其中，1XXX系列鋁合金屬于普通工業(yè)純鋁，其特點(diǎn)是：強(qiáng)度低，可通過(guò)加工硬化提高強(qiáng)度，熱加工和冷加工性能好，廣泛用于要求成型性能良好、抗蝕、可焊的工業(yè)設(shè)備。2XXX系列鋁合金的特點(diǎn)是硬度較高，銅元素含量高，屬于航空鋁材，在常規(guī)工業(yè)中不常用。5XXX系列鋁合金含鎂元素，又稱(chēng)鎂鋁合金;主要特點(diǎn)為：密度低、抗拉強(qiáng)度高、延伸率好、疲勞強(qiáng)度好，但不可做熱處理強(qiáng)化。6XXX系列鋁合金代表為6061和6063，這兩種鋁合金強(qiáng)度中等，是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的可加工性、可焊性及耐蝕性。7XXX系列鋁合金代表為7075，其特點(diǎn)為硬度高、耐磨性好、有良好的焊接性但耐蝕性較差。

下面對(duì)實(shí)際中常用的三種鋁合金2A12（硬鋁）、5A06（防銹鋁）和6061（鍛鋁）材料性能進(jìn)行比較，從而選擇合適的結(jié)構(gòu)件原材料。

由上表可以看出，牌號(hào)為2A12的硬鋁，雖然其強(qiáng)度較好，但Cu含量較高，濕熱條件下Cu和Al會(huì)形成微電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋁作為陽(yáng)極被腐蝕，抗腐蝕性較差。牌號(hào)為6061的鍛鋁，雖然抗腐蝕性與防銹鋁5A06相當(dāng)，但因?yàn)槠鋸?qiáng)度低，且6061價(jià)格貴，主要用在有焊接要求的產(chǎn)品上。機(jī)載統(tǒng)型模塊結(jié)構(gòu)件不是蒙皮、翼粱等重要受力構(gòu)件，對(duì)強(qiáng)度要求不高。所以，考慮選用三防性能較好的防銹鋁5A06。使用防銹鋁加工結(jié)構(gòu)件，即使涂覆層破損，也有較好的三防性能，滿足各種使用場(chǎng)合。

3 表面處理方式選擇

雖然鋁及鋁合金材料在大氣中能夠自然形成一層氧化膜，但由于膜層很?。ê穸燃s為0.01～0.02μm），而且疏松多孔，不均勻也不連續(xù)，所以耐蝕性能差，且容易沾染污跡，故材料表面必須采用表面防蝕處理技術(shù)來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的防腐性能。表面防蝕處理是指運(yùn)用各種方法在金屬表面施加保護(hù)層，將金屬與腐蝕性環(huán)境隔離，以抑制腐蝕過(guò)程的產(chǎn)生，或減少腐蝕性介質(zhì)與金屬表面接觸，而達(dá)到防止或減輕腐蝕的目的。

3.1 表面處理方式選擇原則

選擇表面處理方式必須要考慮的因素有：①零件的材料、結(jié)構(gòu)、配合公差、加工方法、表面粗糙度和形位公差;②零件的儲(chǔ)存和使用條件;③膜層或鍍層的特性和應(yīng)用范圍;④膜層或鍍層的使用目的和要求。

目前機(jī)載統(tǒng)型模塊所采用的防護(hù)手段主要有：鍍、涂和密封;其中，鍍是基礎(chǔ)，涂和密封起增強(qiáng)作用。常用的金屬表面覆蓋層分為金屬、非金屬和化學(xué)涂覆3種。金屬覆蓋層可選擇化學(xué)鍍和電鍍等;非金屬覆蓋層包括噴漆、噴塑等方式;化學(xué)涂覆包括化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化、磷化和鈍化等。

根據(jù)產(chǎn)品的使用特點(diǎn)、壽命、環(huán)境以及防護(hù)層與防護(hù)工藝的特性，選擇合適的防護(hù)層、可有效地控制金屬材料的腐蝕，如果所選用的防護(hù)層或防護(hù)工藝不當(dāng)，不但不能起到防護(hù)作用，反而會(huì)加速基體材料的腐蝕。選擇的材料保護(hù)層必須滿足以下條件：①耐蝕、抗磨、高強(qiáng)度;②與基體金屬結(jié)合牢固，結(jié)合力好;③保護(hù)層均勻分布且有一定厚度。

3.2 表面處理方式性能比較

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在鋁及鋁合金表面生成一層薄的氧化膜，稱(chēng)化學(xué)氧化法。這種方法不需要通過(guò)電流，工藝上比電化學(xué)氧化法要簡(jiǎn)單，成本低。根據(jù)上述要求可選擇化學(xué)鍍鎳或化學(xué)導(dǎo)電氧化處理。

化學(xué)鍍鎳有厚度均勻性和均鍍能力好的優(yōu)點(diǎn)，可改善結(jié)構(gòu)件抗腐蝕性能和提高耐磨性能，當(dāng)鍍層中的磷含量達(dá)到12%以上，鍍層是非磁性的，屏蔽效果很好，并且具有良好的可焊性，適用于表面要求耐磨和耐蝕的零部件功能性鍍層。但是當(dāng)鍍鎳厚度達(dá)到一定程度時(shí)，耐磨性才好于噴漆，而由于工藝等原因，有時(shí)不能達(dá)到應(yīng)有的理想性能，而且對(duì)鍍鎳零件表面噴漆后，實(shí)際使用時(shí)會(huì)發(fā)生漆層脫落現(xiàn)象。對(duì)于鎳層和漆層之間發(fā)生的脫落現(xiàn)象，主要是因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳層表面孔隙率低，導(dǎo)致漆層和鎳層之間的結(jié)合力較差。

改善漆層和鎳層間結(jié)合力的關(guān)鍵在于增大兩者的接觸面積，設(shè)法提高鍍層的表面能，增加鍍層和漆層之間的范德華力及化學(xué)鍵合力。針對(duì)鍍鎳零件表面噴漆后，漆層脫落現(xiàn)象，可以通過(guò)對(duì)鍍鎳層進(jìn)行磨砂處理，有意讓表面微粗化，增加表面粗糙度，提高噴漆時(shí)的結(jié)合力或者選擇附著力更好的底漆和面漆進(jìn)行改善。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，化學(xué)鍍鎳層更適合單獨(dú)使用，不宜作為噴漆的底層使用?；瘜W(xué)鍍鎳層耐蝕性可以通過(guò)調(diào)節(jié)鍍層中磷含量、鍍層厚度及鍍后熱處理參數(shù)來(lái)滿足不同的要求。

化學(xué)導(dǎo)電氧化是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在鋁及鋁合金表面生成一層薄鉻酸鹽膜層，具有接觸電阻低、一定的防腐蝕性和一定的導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)，但存在膜層硬度低，耐磨性較差等缺點(diǎn)。選擇化學(xué)導(dǎo)電氧化，生成的氧化膜較薄，膜層質(zhì)軟，耐磨性不高，受到嚴(yán)重觸碰和腐蝕時(shí)，膜層會(huì)迅速被破壞，故不宜單獨(dú)使用。

在多數(shù)情況下，僅靠化學(xué)表面處理進(jìn)行防腐是不夠的，應(yīng)通過(guò)增加三防漆涂層使結(jié)構(gòu)件和環(huán)境分開(kāi)，避免結(jié)構(gòu)件直接暴露在惡劣環(huán)境下造成腐蝕。將模塊的零部件噴涂聚氨酯三防漆可以起到防水、美觀、防潮、防霉和絕緣的作用，具有較好的綜合效果。同時(shí)噴漆處理可以增強(qiáng)外表面硬度和耐磨性，提高結(jié)構(gòu)件三防性能，滿足結(jié)構(gòu)件承受加嚴(yán)的三防試驗(yàn)要求。對(duì)內(nèi)表面采用化學(xué)表面處理，對(duì)外表面采用化學(xué)表面處理和噴漆相結(jié)合的方式，滿足了結(jié)構(gòu)件內(nèi)外表面對(duì)不同功能的需求。

通過(guò)多次實(shí)踐證明，如果需要大幅度提高模塊耐蝕性，可以在油漆的選擇和噴漆工藝上進(jìn)行改進(jìn)，不同種類(lèi)油漆耐腐蝕性差別明顯。

4 結(jié)論

（1）在機(jī)載統(tǒng)型模塊結(jié)構(gòu)件原材料選擇方面，防銹鋁（5A06）綜合性能優(yōu)于硬鋁（2A12）。

（2）通過(guò)實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證，化學(xué)鍍鎳這種表面處理更適宜單獨(dú)使用;化學(xué)導(dǎo)電氧化更適宜與噴漆結(jié)合使用。

（3）綜合考慮外觀質(zhì)量、三防性能、導(dǎo)電性能、散熱性能、工藝成熟穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本等因素，建議機(jī)載統(tǒng)型模塊結(jié)構(gòu)件使用防銹鋁5A06加工，表面處理選擇所有面進(jìn)行導(dǎo)電氧化，外表面噴涂三防漆。

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作者簡(jiǎn)介：張紅娟（1985-），女，河北邢臺(tái)人，本科，工程師，專(zhuān)業(yè)方向：機(jī)械加工工藝。