航空安全鎖線表面缺陷分析及改進(jìn)措施

黃利賓 陳 齊 宋袁曾

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200000）

航空安全鎖線常用于航空制造業(yè)、直升機(jī)緊急電門、飛機(jī)安全門緊急防護(hù)等日常維護(hù)中的鎖緊裝置。安全鎖線是以多道次拉拔后的銅線為基體，再經(jīng)過鍍鎘并鈍化后得到的。在線材生產(chǎn)過程中，按要求使用模具，采用合適且高質(zhì)量的潤(rùn)滑劑可以有效地提高線材表面質(zhì)量。拉拔線材的表面質(zhì)量不僅會(huì)影響電鍍后成品的表面質(zhì)量，也會(huì)影響其使用壽命。在電鍍過程中，陰極電流效率達(dá)不到100%就會(huì)使鍍層中出現(xiàn)閉孔或坑型缺陷，使腐蝕易于發(fā)生[1]。李明等[2]發(fā)現(xiàn)，鍍鎘層在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕主要包括含Cr鈍化膜的局部破壞和鍍層本身的腐蝕2個(gè)方面，腐蝕產(chǎn)物會(huì)堆積在鍍鎘層表面的細(xì)小裂紋內(nèi)，并逐漸擴(kuò)大。此外，相關(guān)研究表明[3]，不銹鋼表面鈍化膜的電化學(xué)行為會(huì)受到H元素的影響，特別是在含有氯化物的環(huán)境中。本文將對(duì)安全鎖線發(fā)生腐蝕的機(jī)理入手，對(duì)其進(jìn)行分析，以期為生產(chǎn)合格的航空安全鎖線提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料及分析方法

本研究所涉及的安全鎖線來源于美國(guó)某主流線材制造公司，基體材料為黃銅，化學(xué)成分見表1，直徑為0.5mm，表面狀態(tài)為TYPEⅡ、CLASS2，分析前存放于倉(cāng)庫(kù)中未使用。該鎖線的制備工藝如下：冷拔銅絲→熱處理（消除應(yīng)力）→清洗→電鍍鎘→烘烤（去氫脆）→鉻酸鹽處理→干燥。首先，對(duì)鎖線進(jìn)行外觀觀察，截取等長(zhǎng)安全鎖線若干進(jìn)行制樣，其次，使用配置有能譜儀（EDS）的ZEISS Sigma 300掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的微觀表面，最后，進(jìn)行成分分析。橫截面則依次使用水砂紙和金剛石研磨膏精磨到6000#后用掃描電子顯微鏡觀察。

表1 基體材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（單位：%）

2 結(jié)果分析及討論

2.1 表面形貌觀察

圖1為安全鎖線表面形貌。從圖中可以看到，其表面形貌分為鍍層完整區(qū)和鍍層脫落區(qū)，并且鍍層脫落區(qū)呈軸向分布于鎖線表面。下面分別對(duì)這2種形貌進(jìn)行微觀分析。

圖1 鎖線表面形貌

2.2 鎖線鍍層完整區(qū)表面

圖2為鎖線鍍層完整區(qū)表面微觀形貌。由圖可見，鎖線表面有大量垂直拉拔方向的周向裂紋和拉拔時(shí)產(chǎn)生的拉傷痕跡，并存在少量鼓泡。線材表面出現(xiàn)拉傷痕跡主要是由模具表面精度不高或潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果不佳引起的。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要注意拉絲模具的選擇、提高潤(rùn)滑劑的質(zhì)量以及定期檢查模具質(zhì)量，如果損壞應(yīng)及時(shí)更換。

圖2 鍍層完整區(qū)表面微觀形貌

鎖線在生產(chǎn)完成后，通常會(huì)使用收卷轉(zhuǎn)盤進(jìn)行收卷，因此表面周向裂紋是在該過程中產(chǎn)生的。為了驗(yàn)證鎖線表面鈍化膜與鍍層結(jié)合是否緊密，將鎖線彎折后進(jìn)行微觀觀察（如圖3所示），對(duì)比圖3（c）、圖3（d）可知，受拉應(yīng)力側(cè)表面鈍化膜產(chǎn)生鼓包，受壓應(yīng)力側(cè)表面鈍化膜發(fā)生脫層翹曲，兩側(cè)鈍化膜均有發(fā)生規(guī)則脫落的趨勢(shì)。

彎折后鎖線表面鈍化膜脫落形貌及元素分析圖如圖4所示。由圖可知，該處鈍化膜順著周向裂紋脫落，形狀規(guī)則，且為C、Cd元素富集區(qū)，O、Cr含量較少。當(dāng)電鍍鎘時(shí)，會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)。

圖4 規(guī)則脫落處微觀形貌及元素分析

Cd2++2e-→Cd 2H++2e-→H2

在該過程中，陰極電流效率達(dá)不到100%。當(dāng)產(chǎn)生的氫氣不能完全溢出時(shí)就會(huì)使鍍鎘層表面呈多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鍍鎘層脫落。

圖5為鎖線鼓泡區(qū)域的微觀形貌，按特征將該區(qū)域分為完整表面（點(diǎn)1）、輕微破損（點(diǎn)2）、磨損（點(diǎn)3、點(diǎn)4）和嚴(yán)重破損（點(diǎn)5、點(diǎn)6）。對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行成分分析，得到表2。由表2可知，與完整表面處相比，鼓泡區(qū)域的鈍化膜因遭到破壞導(dǎo)致O、Cr含量明顯減少；嚴(yán)重破損處則因?yàn)楦g形成的疏松結(jié)構(gòu)對(duì)空氣中的雜質(zhì)有吸附作用導(dǎo)致C含量變多，并且點(diǎn)6處已經(jīng)露出銅基體；此外，點(diǎn)3、點(diǎn)4處邊緣鈍化膜脫落比中心嚴(yán)重，推測(cè)是凸起鼓泡在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過程中受到磨損導(dǎo)致。檢測(cè)到的Na、Cl、S元素，一方面來源于海洋大氣環(huán)境和空氣中的SO2，另一方面可能來源于電鍍或鉻酸鹽處理中使用的鈉鹽和H2SO4。

圖5 鼓泡區(qū)域微觀形貌

表2 鎖線鼓泡區(qū)域元素分析結(jié)果（wt.%）

鎖線截面微觀形貌圖如圖6所示。由圖6可知，鎖線表面鍍鎘層和鈍化膜的總厚度為2.5μm，遠(yuǎn)低于AMS-QQ-P-416標(biāo)準(zhǔn)中的CLASS 2所要求的7.62μm，因此該批成品鎖線的耐腐蝕性遠(yuǎn)低于要求。

圖6 鎖線截面微觀形貌圖

鍍鎘層表面鈍化膜的形成包括3個(gè)過程，鍍鎘層溶解、鈍化膜形成以及鈍化膜溶解。此外，膜層的附著力與鈍化時(shí)間有關(guān)，長(zhǎng)時(shí)間的浸漬鈍化會(huì)降低膜層的附著力[4]。當(dāng)工件離開鈍化液后，表面殘留的液體會(huì)與工件繼續(xù)發(fā)生上述反應(yīng)，即空氣成膜。鈍化處理后，鉻酸鹽鈍化膜中水分較多，因此還須進(jìn)行干燥處理，但是，溫度過高會(huì)使膜層出現(xiàn)裂紋并降低耐蝕性[5-6]。

電鍍鎘后需要進(jìn)行熱處理除氫，如果該工藝過程被忽略或時(shí)間溫度不合理，氫原子就會(huì)滯留在鍍層中，在鈍化后干燥的過程中，逐漸由原子態(tài)轉(zhuǎn)為分子態(tài)，從鍍層中析出，最后形成鼓泡；鉻酸鹽鈍化膜的成膜過程也會(huì)有氣體產(chǎn)生。當(dāng)氣體來不及溢出時(shí)，也會(huì)在銅絲表面形成鼓泡；在H元素和含有Cl化物的環(huán)境中，鎖線表面的鈍化膜被削弱，鼓泡破裂，促進(jìn)點(diǎn)蝕發(fā)生。

2.3 鎖線鍍層脫落區(qū)表面

圖7為鎖線不同區(qū)域微觀形貌對(duì)比及元素分析圖。由圖7可知，與完整表面相比，當(dāng)鎖線拉拔時(shí)產(chǎn)生的拉痕處有C、Cu、Na以及少量S元素富集，這說明該處發(fā)生腐蝕的程度較深，造成銅基體裸露；而拉痕邊部是大面積的鈍化膜脫落。

圖7 鎖線不同區(qū)域微觀形貌對(duì)比及元素分析圖

安全鎖線鍍層脫落區(qū)截面形貌及元素分析圖（如圖8所示），由圖可見，與亮白色鍍鎘層相比，靠近脫落區(qū)的灰色鍍鎘層處O含量較多，鈍化膜發(fā)生脫落。

圖8 鎖線鍍層脫落區(qū)截面形貌及元素分析圖

雖然提高模具精度并使用高質(zhì)量潤(rùn)滑劑可以有效提高線材表面質(zhì)量，但是拉拔速度快、溫度高、模具磨損以及雜質(zhì)等因素都有可能產(chǎn)生拉拔劃痕[7]，如圖9所示。該安全鎖線采用連續(xù)電鍍技術(shù)進(jìn)行鍍鎘，鍍前除油清洗不到位、不及時(shí)電鍍導(dǎo)致銅基體表面形成氧化皮，電鍍工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致鍍層過薄，都會(huì)導(dǎo)致鍍層不均勻或漏鍍的結(jié)果。拉拔劃痕處的鈍化效果不佳，膜層易脫落，鍍鎘層被氧化，且易形成原電池促進(jìn)鈍化膜與鍍層的腐蝕，最后露出銅基體。

圖9 拉拔劃痕產(chǎn)生機(jī)理圖

其腐蝕過程包括以下幾個(gè)步驟[8-9]。

鎖線表面拉痕處鈍化膜脫落，鍍鎘層發(fā)生氧化腐蝕，形成疏松結(jié)構(gòu)，如公式（1）所示。

鈍化膜中的Cr3+（標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.744V）與鍍層中的Cd（標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.403V）組成原電池，使鈍化膜發(fā)生腐蝕，如公式（2）所示。

鍍鎘層與銅基體（標(biāo)準(zhǔn)電位為+0.34）組成原電池，使鍍層發(fā)生腐蝕，如公式（3）所示。

暴露的銅基體被氧化生成氧化銅和氧化亞銅等化合物。

3 結(jié)論

鎖線微觀下觀察的鼓泡與其生產(chǎn)過程中生成的H2有關(guān)，發(fā)生破裂和腐蝕是H元素與存放環(huán)境的共同作用，鈍化膜與鍍鎘層結(jié)合不夠緊密，受到彎折后容易脫落[10-11]；拉拔時(shí)產(chǎn)生的拉拔痕跡處容易造成漏鍍、鍍層不均勻以及鈍化膜脫落，使該處形成原電池，加速鈍化膜與鍍鎘層的腐蝕，且鍍層厚度不達(dá)標(biāo)，腐蝕很容易深入基體處；在拉拔生產(chǎn)中要注意拉絲模具的選擇、提高潤(rùn)滑劑的質(zhì)量以及定期檢查模具質(zhì)量，如果損壞及時(shí)更換；優(yōu)化鍍鎘工藝，保證鍍鎘層的厚度，并嚴(yán)格控制鈍化時(shí)間以及干燥的溫度，從而提高膜層結(jié)合力，低鉻鈍化30s～40s為宜，超低鉻鈍化不宜超過60s；也可以考慮使用封閉劑來提高鎖線成品的耐蝕性，例如納米改性封閉劑[12]；保證庫(kù)房?jī)?nèi)溫度濕度正常，并保持通風(fēng)，不同成分貨品分開存放；合理使用防潮紙，可以起到防潮保護(hù)作用，并一定程度上防止氧化。