自行火炮的防腐蝕技術(shù)研究

苗建松,王存寶,孟慧斌,晉文虎,裴志剛

(1.駐太原地區(qū)某軍事代表室,山西 太原 030009;2.山西北方機械制造有限責(zé)任公司,山西 太原 030009)

我國火炮現(xiàn)已發(fā)展到自行火炮階段,自行火炮是同履帶車或輪式車底盤構(gòu)成一體,可長距離運行的火炮,是一個集火力、機動性、防護(hù)于一體的獨立作戰(zhàn)系統(tǒng)[1]。自行火炮一般是以鋼鐵等金屬為主體材料,腐蝕會導(dǎo)致零件生銹損壞、性能下降,甚至失效、服役壽命縮短,危害性極大。據(jù)某大修廠的維修數(shù)據(jù)可知,除單純的機械故障外,裝甲車輛的絕大多數(shù)故障都是由于環(huán)境影響造成的,其中腐蝕問題提高了裝甲車輛15%的維修費用,增加了25%的維修頻次[2]。

表面處理是火炮制造鏈的重要環(huán)節(jié),以其獨特的技術(shù)特質(zhì)伴隨著火炮的發(fā)展,開展自行火炮的防腐蝕技術(shù)研究是至關(guān)重要的:1)毋庸諱言,我國自行火炮的防腐蝕技術(shù)水平還比較落后,很大程度上仍停留在牽引炮階段,與自行火炮不相適應(yīng);2)近年來,我國防腐蝕技術(shù)取得重大進(jìn)展,開展防腐蝕技術(shù)研究對延長自行火炮服役壽命意義重大; 3)表面處理是高污染、高能耗行業(yè),環(huán)保型表面處理新技術(shù)的應(yīng)用是火炮實現(xiàn)綠色制造的有效途徑。

1 服役環(huán)境分析

腐蝕是在一定環(huán)境下的腐蝕,按環(huán)境種類分為大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、燃?xì)飧g、微生物腐蝕等,每類環(huán)境腐蝕的介質(zhì)、形態(tài)、特征、規(guī)律等各不相同,應(yīng)采取與之相適宜的防腐蝕措施。武器裝備的服役環(huán)境包括使用環(huán)境、貯存環(huán)境、運輸環(huán)境等,其中運輸環(huán)境很容易被忽視,應(yīng)特別關(guān)注海運環(huán)境。

自行火炮是由底盤、駕駛艙、炮塔、火力系統(tǒng)、通信電子系統(tǒng)等組成,各零部件在火炮所處的位置不同,其環(huán)境特征也不同(見表1[3]),防腐蝕要求也有所不同,需要根據(jù)其各自特點進(jìn)行防腐蝕設(shè)計。防腐蝕保護(hù)層按膜層性質(zhì)分為非金屬覆蓋層(轉(zhuǎn)化膜與涂層)、金屬鍍覆層兩類。

表1 自行火炮零部件服役環(huán)境特征

2 轉(zhuǎn)化膜與涂層

2.1 鋼鐵件的磷化和氧化

磷化和氧化都是鋼鐵零件與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成具有保護(hù)性的轉(zhuǎn)化膜而免受腐蝕,二者的抗腐蝕能力不高,處理后需浸油予以提高。按照鋼鐵的磷化與氧化工藝特性(見表2)[4]、使用目的及要求等選用。選用時應(yīng)遵守3條軍規(guī):1)彈性零件及高強度零件應(yīng)進(jìn)行氧化處理,磷化存在氫脆風(fēng)險;2)精密件應(yīng)進(jìn)行氧化處理,磷化會破壞零件原有精度及表面粗糙度;3)處理后要涂漆的零件應(yīng)磷化處理,如果氧化,漆膜會起皮脫落。磷化膜和氧化膜性質(zhì)相近,外觀相似,很容易混淆,對一般鋼鐵零件有時并無大礙,有時則會釀成質(zhì)量事故。如某火炮廠有個設(shè)計員不熟悉表面處理技術(shù),把某個涂漆零件表面處理技術(shù)要求誤寫為氧化,涂漆后漆膜脫落,造成了該批次零件返修的低級質(zhì)量問題。

表2 鋼鐵的磷化與氧化工藝特性

磷化是自行火炮使用最多的表面處理方式,自行火炮70%以上的零件都進(jìn)行磷化處理。磷化按工藝溫度分為高溫、中溫、常溫3種,高溫磷化主要用于自行火炮內(nèi)部在機油中工作的一般鋼結(jié)構(gòu)件;中溫磷化用于外部鋼結(jié)構(gòu)件的涂漆底層,可進(jìn)一步提高其結(jié)合力及抗腐蝕能力,如炮身、炮口制退器、炮塔等零件;常溫磷化用于制造過程中的工序間防銹。這里需特別注意,零件成品圖技術(shù)要求的磷化處理一般指高溫磷化,磷化本身的抗腐蝕能力并不強,只有高溫磷化膜可單獨作為防腐層,并僅限于在機油中工作的零件。自行火炮的彈性零件和內(nèi)部的精密件采用氧化防護(hù),如彈簧、耳軸、齒輪等。

2.2 硅烷表面處理技術(shù)

硅烷表面處理技術(shù)是采用有機硅偶聯(lián)技術(shù)超薄有機涂層替代傳統(tǒng)的結(jié)晶型磷化保護(hù)層,在金屬表面吸附了一層超薄的類似磷化晶體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機涂層,同時在界面形成Si-O-Me共價鍵(Me=金屬),分子之間力很強,使得金屬表面和隨后的油漆涂層形成良好的結(jié)合力[5]。硅烷表面處理技術(shù)具有優(yōu)異的環(huán)境保護(hù)特性、節(jié)能、操作簡便、成本低等優(yōu)點,給鋼鐵磷化技術(shù)帶來了革命性的變革。硅烷表面處理技術(shù)是綠色的表面預(yù)處理技術(shù),它的運用可使自行火炮涂裝前表面預(yù)處理實現(xiàn)無磷無重金屬的環(huán)保目標(biāo)。

2.3 涂漆層

賈陽光等對裝甲車輛的涂層技術(shù)進(jìn)行了研究,梳理了目前裝甲車輛常用的防腐涂料(見表3)。

表3 常用防腐涂料

2.4 達(dá)克羅

達(dá)克羅又稱鋅鉻涂層,是一種全新基本無污染的表面處理技術(shù),它是將水基涂料涂于鋼鐵零件表面,經(jīng)烘烤形成以鱗片狀的鉻酸鹽為主要成分的無機防腐蝕涂層。它具有傳統(tǒng)表面處理技術(shù)無法比擬的優(yōu)點:1)無環(huán)境污染特性,生產(chǎn)過程無廢水和廢氣產(chǎn)生,做到無排放污染;2)極高的抗腐蝕能力,在同等厚度下,是鍍鋅抗腐蝕能力的7～10倍;3)無氫脆,特別適用于高強度零件的表面防護(hù);4)配合精度好,一般達(dá)克羅涂層厚度可控制在6～8 μm之間,緊固件的配合精度可以符合6g/6H的精度要求;5)滲透性強,可對各種復(fù)雜零件進(jìn)行涂覆;6)與有機涂料的附著力強,是良好的涂漆底層。

達(dá)克羅可完全取代鍍鋅,還可替代氧化及磷化,適用于自行火炮的彈簧、緊固件、高強度及超高強度等零件的防護(hù)。

3 金屬鍍覆層

3.1 鍍鋅

在大氣條件下鋅鍍層是鋼鐵基體的陽極性鍍層,具有良好的防護(hù)性,鋅鍍層較軟,螺紋鍍鋅后旋合作用好。鍍鋅有堿性鋅酸鹽、酸性、氯化鉀3類工藝,堿性鋅酸鹽鍍鋅可鍍較厚的鍍鋅層而不起皮,鍍層均勻,質(zhì)量接近氰化鍍鋅,自行火炮的緊固件一般采用堿性鋅酸鹽工藝進(jìn)行鍍鋅防護(hù)。

鍍鋅應(yīng)用較廣泛,但在下列情況不宜鍍鋅:1)在工作中受摩擦的零件;2)厚度小于0.5 mm的薄片零件;3)具有滲碳表面的零件。在下列情況不允許鍍鋅:1)抗拉強度在1 300 MPa以上的鋼制零件,但允許低氫脆鍍鋅;2)直徑≥10 mm的高強度鋼(包括30CrMnSiA鋼)螺栓。

鍍鋅時,陰極上在沉積鋅的同時,還析出氫,其中一部分氫會滲入零件的晶格中,造成晶格歪扭,使零件內(nèi)應(yīng)力增大產(chǎn)生脆性而斷裂,稱為氫脆。氫脆很可能造成突發(fā)性事故,危害性很大。鍍鋅工藝要求去氫在鈍化工序前進(jìn)行,但在實際生產(chǎn)中,鍍鋅在自動化生產(chǎn)線上作業(yè),鍍鋅工序和鈍化工序相連貫,一氣呵成,操作者常會在鈍化后去氫,而鈍化膜是封閉的膜,影響氫氣的排出,去氫效果大打折扣。如某型自行火炮零件彈簧片鍍鋅后,總裝時彈簧片發(fā)生斷裂的質(zhì)量事故時有發(fā)生,分析原因就是鈍化后才去氫造成的。從技術(shù)角度深層次分析,彈簧片作為薄的彈性零件選擇鍍鋅本身就不科學(xué),應(yīng)選擇氫脆小或無氫脆的達(dá)克羅、化學(xué)鍍鎳、鋅鎳合金等。

3.2 鋅鎳合金

在海洋性環(huán)境下鎘鍍層是鋼鐵良好的防護(hù)層,但由于鎘是高毒性金屬,環(huán)境危害性很大,現(xiàn)已基本淘汰,由鋅鎳合金取代。鋅鎳合金鍍層在海洋性環(huán)境下具有優(yōu)異的防護(hù)性;在一般大氣及工業(yè)大氣條件下耐蝕性好,比鋅鍍層高3倍以上,經(jīng)彩色鈍化后耐蝕性將大大提高,可作為高耐蝕性鍍層(見表4)[6];同時,氫脆性小。

表4 鋅鎳合金鍍層的耐蝕性(中性鹽霧試驗)

兩棲自行火炮的一般鋼結(jié)構(gòu)件和緊固件均采用鋅鎳合金鍍層防護(hù)。電鍍鋅鎳合金有堿性、酸性兩種工藝,堿性工藝具有鍍層均勻、易操作等優(yōu)點,武器裝備一般采用堿性鍍鋅鎳合金工藝。

3.3 鍍鉻

鍍鉻工藝種類較多,有硬鉻、乳白鉻、黑鉻、松孔鉻、裝飾鉻等,各具特點,可根據(jù)使用目的及要求選用。乳白鉻結(jié)晶致密,氣孔少,韌性好,抗腐蝕能力強,但耐磨性比硬鉻差,自行火炮的復(fù)進(jìn)桿、復(fù)進(jìn)筒、制退桿等受磨損件都采用乳白鉻防護(hù)?，F(xiàn)在,比較推崇雙層鉻,即先鍍20～40 μm的乳白鉻打底,提高抗腐蝕能力,再鍍20～40 μm的硬鉻,表面硬度高,耐磨性好,內(nèi)外兼修,比單層乳白鉻效果更佳。裝飾鉻抗腐蝕能力強,并具有光亮的外觀,多用于火炮上人手經(jīng)常接觸的零件,如把手、手輪等。

自行火炮的身管、復(fù)進(jìn)桿、復(fù)進(jìn)筒、制退桿等零件鍍鉻時,要求鍍層厚度在一定的范圍內(nèi),并且鍍后尺寸要達(dá)到成品精度要求,需采用技術(shù)含量高的尺寸鍍鉻,技術(shù)要點如下。

1)鍍鉻溶液的深鍍能力和均鍍能力很差,需根據(jù)零件的幾何形狀設(shè)計專用的鍍鉻工藝裝備,調(diào)整電流的二次分布,彌補鍍鉻溶液的能力不足。上述零件的兩端部,因為電力線集中而產(chǎn)生尖端效應(yīng),容易產(chǎn)生錐度,需設(shè)計與受鍍直徑相同、長度為30～60 mm的保護(hù)陰極,保護(hù)陰極作為尖端吸收了電流,兩端部則受到保護(hù)。

2)按成品尺寸和鍍鉻層厚度要求,根據(jù)尺寸鏈采用極值法準(zhǔn)確計算預(yù)留的鍍前尺寸。鍍鉻層厚度用符號△表示,△最大表示要求鍍鉻層厚度的最大數(shù)值,△最小表示要求鍍鉻層厚度的最小數(shù)值。

對于軸類零件,鍍鉻前尺寸計算式為:

es鍍前=es-2△最大

(1)

ei鍍前=ei-2△最小

(2)

式中,es鍍前、ei鍍前是鍍鉻前尺寸的上、下偏差;es、ei是成品尺寸的上、下偏差。

對于孔類零件,鍍鉻前尺寸計算式為:

ES鍍前=ES+2△最小

(3)

EI鍍前=EI+2△最大

(4)

式中,ES鍍前、EI鍍前是鍍鉻前尺寸的上、下偏差;ES、EI是成品尺寸的上、下偏差[7]。

3)根據(jù)鍍鉻時電流效率和電流密度,準(zhǔn)確計算出電鍍一定厚度鉻層所需的工藝時間,計算式如下:

(5)

式中;t是時間,單位為min;δ是鍍層厚度,單位為μm;Dk是陰極電流密度,單位為A/dm2;η是電流效率。

這是鍍鉻工藝時間的理論計算式[8],實際中還應(yīng)考慮工藝溫度、溶液濃度、陰陽極距離、工裝導(dǎo)電性等多個工藝參數(shù)。在實際生產(chǎn)中,一般采用如下方法確定鍍鉻時間:先鍍鉻1 h,在出槽打磨時,測量鍍層厚度,按這1 h電鍍速度估算電鍍時間。另外,為了避免產(chǎn)生橢圓度,在鍍鉻時間過去一半時,在不斷電情況下,將鍍鉻工裝轉(zhuǎn)動90°。

身管是火炮的主要構(gòu)件,在火炮射擊時,身管內(nèi)膛要面對火藥燃?xì)獾母邷刈饔?溫度高達(dá)2 500～3 800 K)、高溫高壓火藥燃?xì)獾臎_刷作用、彈丸對膛面的摩擦作用、火藥燃?xì)獾幕瘜W(xué)作用等高溫腐蝕,這種腐蝕稱為身管燒蝕,身管燒蝕是決定身管服役壽命的主要因素。金屬鉻的熔點為1 900 ℃,熱導(dǎo)率為66.99～73.56 W/(m·K),并且化學(xué)穩(wěn)定性好,在各種試驗中均未發(fā)現(xiàn)鉻與火藥氣體的反應(yīng)產(chǎn)物,抗高溫氧化性好,耐燒蝕好,通過鍍鉻能提高身管的服役壽命1倍至數(shù)倍。小口徑火炮的身管內(nèi)徑小于90 mm,長徑比大于40,內(nèi)膛鍍鉻時,容易產(chǎn)生厚度不均勻、錐度、橢圓度等質(zhì)量缺陷,可采用移動陽極鍍鉻技術(shù)(見圖1)。通過陽極在身管內(nèi)膛的規(guī)律移動,調(diào)整了電流二次分布,均鍍能力大為提高,并使鍍鉻溶液在內(nèi)膛順利流動,產(chǎn)生的氫氣等氣體通暢排出,保證了鍍鉻層的質(zhì)量。

圖1 身管內(nèi)膛移動陽極鍍鉻示意圖

化學(xué)鍍鎳、鎘鈦合金等金屬鍍覆技術(shù)在自行火炮上也有所應(yīng)用。形狀復(fù)雜的易磨損零件鍍鉻困難,可采用化學(xué)鍍鎳;兩棲自行火炮上的彈性零件,高強度、超高強度件宜鍍鎘鈦合金,無氫脆風(fēng)險。

4 功能性鍍層

隨著表面處理技術(shù)的發(fā)展,有一類電鍍層愈發(fā)受到重視,它不以防腐蝕為主要目的,而是利用鍍層的特性,賦予其新的用途,這類鍍層稱為功能性鍍層(見圖2)。功能性鍍層在火炮中多有應(yīng)用,自行火炮的電器設(shè)備、通信設(shè)備中的電器元件要求表面具有導(dǎo)電性,可采用銅、金、銀等鍍層;鋁合金件可采用化學(xué)導(dǎo)電氧化,其導(dǎo)電性好,膜層較薄,厚度僅為0.5～5 μm;電擊發(fā)裝置及儀器插拔件既需要高的導(dǎo)電性,又要求耐磨損,可采用銠、銀銻合金、金鈷合金等鍍層。

圖2 鍍層的主要功能

他山之石,可以攻玉。功能性鍍層可以解決火炮機械加工中的技術(shù)難題。形狀復(fù)雜的零件機械拋光難度大,采用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光則事半功倍;在熱處理時,防止局部滲碳可鍍銅,防止局部滲氮可鍍錫;另外,自行火炮的鋁合金焊接件在焊接前進(jìn)行光亮化學(xué)清洗,可去除氧化膜,焊接質(zhì)量得到顯著提升。自行火炮的身管自緊是身管強化的關(guān)鍵技術(shù),自緊前的磷化、(浸皂)、浸潤滑脂的處理是身管機械自緊技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,利用磷化的多孔性吸附,使身管內(nèi)表面均勻地形成一層摩擦因數(shù)小、潤滑性能好、有一定厚度的薄膜,自緊時使自緊沖頭得以在身管內(nèi)順利滑動,通過磷化處理達(dá)到身管內(nèi)表面潤滑處理的目的[9]。

5 表面處理新技術(shù)及表面工程

近年來,隨著電子束、激光束、離子束進(jìn)入表面加工技術(shù)領(lǐng)域,表面處理技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展,形成了以電沉積技術(shù)為主導(dǎo)的表面處理新技術(shù),它改變了傳統(tǒng)的電鍍方式,極大地豐富了表面處理技術(shù)及其所形成特性的表面。電沉積技術(shù)具有技術(shù)障礙小、工藝靈活、鍍層功能強等特點。

5.1 物理氣相沉積

物理氣相沉積(PVD)是指用物理方法使鍍膜材料氣化,在基體表面沉積成膜的方法。鍍層具有耐磨、減摩、耐高溫等特點,主要用于切削工具、模具、機械摩擦副零件的表面強化,從而改善其摩擦學(xué)性能。包括真空鍍、離子鍍、濺射沉積、氣相外延等。

5.2 化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積(CVD)是利用金屬化合物在基體表面分解而沉積金屬鍍層的方法。其特點是沉積速度相當(dāng)高,通常是25～50 μm/h;可在遠(yuǎn)低于難熔金屬熔點的條件下沉積大多數(shù)難熔金屬;可鍍較復(fù)雜零件;主要用于電氣元件。包括熱解化學(xué)氣相沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積、微波等離子體氣相沉積、金屬有機物化學(xué)氣相沉積等。

5.3 熱噴涂

熱噴涂是以燃燒能或電能為熱源,用噴槍將加熱到熔融的涂層材料微粒,以高速噴射到零件表面形成涂層的過程,形成耐熱、絕熱、抗熱震、抗高溫氧化等的防護(hù)層。熱噴涂的特點是設(shè)備簡單并可移動,便于局部涂覆,沉積速度快,可獲得很厚的涂層。按熱源的形式分為兩類,以燃燒能為熱源的氣噴鍍,包括火焰噴鍍和爆炸噴鍍;以電能為熱源的電噴鍍,包括電弧噴鍍(見圖3)、等離子射流噴鍍和高頻感應(yīng)噴鍍。

圖3 電弧噴鍍示意圖

上述表面處理新技術(shù)在民用裝備領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,在自行火炮中尚處于探索研究階段。其中,熱噴涂技術(shù)作為代鉻鍍層效果顯著,采用高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡?HVOF)技術(shù)噴涂WC/CO硬質(zhì)耐磨涂層,使用壽命比鍍鉻提高3～5倍。

隨著表面處理新技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展,形成了表面工程。表面工程是表面經(jīng)過預(yù)處理后,通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理,以改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等,以獲得表面所需性能的系統(tǒng)工程,如激光熔覆技術(shù)[10]、PIP可控離子滲入技術(shù)等。PIP可控離子滲入技術(shù)是一種黑色金屬表面鹽浴復(fù)合增強技術(shù),通過表面改性在其表面形成可控的防腐耐磨復(fù)合滲層。PIP可控離子滲入技術(shù)用于履帶式自行火炮履帶系統(tǒng)的履帶銷和連接環(huán),解決了履帶零件易銹死、不易拆卸等問題[11]。

6 結(jié)語

通過對自行火炮各零部件服役環(huán)境的介質(zhì)、形態(tài)、特征等的分析,深入研究了轉(zhuǎn)化膜與涂層、金屬鍍覆層等防腐蝕技術(shù)的特性和適用范圍、技術(shù)要點,并探討了表面處理新工藝及表面工程在自行火炮中的應(yīng)用。自行火炮的防腐蝕設(shè)計應(yīng)遵循如下原則。

1)可靠性為首要原則。武器裝備是國之利器,事關(guān)解放軍戰(zhàn)士的生命、戰(zhàn)爭的勝負(fù)。表面處理是特殊過程,其質(zhì)量特性不易測量,防腐蝕設(shè)計應(yīng)把可靠性放在首位,做到質(zhì)量優(yōu)先。例如零件鍍鋅后去氫的效果不能定量測定,對彈性零件,高強度、超高強度鋼等零件應(yīng)采用達(dá)克羅等無析氫工藝,從設(shè)計源頭消除氫脆風(fēng)險。

2)適宜性原則。防腐蝕措施是針對一定環(huán)境下的腐蝕而特定的,防腐蝕設(shè)計應(yīng)以服役環(huán)境為主要依據(jù),并綜合考慮零件材料及其強度級別、零件工作狀態(tài)、涂鍍層的特性和適用范圍、涂鍍層的使用目的和要求、產(chǎn)品及零件壽命周期等因素。

3)環(huán)保性原則。傳統(tǒng)表面處理技術(shù)對環(huán)境危害性較大,應(yīng)優(yōu)先選用達(dá)克羅、硅烷表面處理技術(shù)、熱噴涂等綠色表面處理新技術(shù)。

總之,根據(jù)自行火炮具體服役環(huán)境及腐蝕特點,進(jìn)行科學(xué)的防腐蝕設(shè)計,可顯著提升其環(huán)境適應(yīng)性、戰(zhàn)時可靠性、保障水平和戰(zhàn)斗力。在設(shè)計新型自行火炮時,將表面處理新技術(shù)和表面工程融入總體設(shè)計中,將對自行火炮的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。