·引言

換熱器是新型發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣體增壓部件,屬于多通道夾套式釬焊結(jié)構(gòu)件,存在釬焊面和介質(zhì)面交錯(cuò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),涉及材料有QCr0.8,GH202,0Cr18Ni10Ti,S-03等,要求鍍層具有釬焊性和高溫抗氧化性,能經(jīng)受試車過(guò)程中的高溫。

在產(chǎn)品研制過(guò)程中,通過(guò)對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)、材料、鍍層性能要求等特殊情況進(jìn)行充分分析,結(jié)合大量工藝試驗(yàn)和試生產(chǎn),確定了換熱器表面處理的工藝方法和各項(xiàng)工藝參數(shù)。鍍層性能滿足要求,并經(jīng)受了多次熱試車考核,質(zhì)量完全滿足工況需要。

1·產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

換熱器是新型發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)中的氧化劑貯箱氣體增壓部件,作用是確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需的推進(jìn)劑供應(yīng)壓力。產(chǎn)品具體型面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

換熱器屬于多通道釬焊的組焊結(jié)構(gòu),主要由S-03,0Cr18Ni10Ti,GH202和QCr0.8四類材料構(gòu)成。

在換熱器研制過(guò)程中,設(shè)計(jì)要求換熱器內(nèi)、外釬焊面和非釬焊面電鍍Ni10～15μm的技術(shù)要求,其中釬焊面上的鍍層作為后續(xù)與其它組件焊接需要,非釬焊面鍍層作為工作時(shí)的高溫抗氧化性保護(hù)鍍層使用。

2·理論分析

2.1鍍鎳原理

電鍍是將接受電鍍的部件浸于含有被沉積金屬化合物的水溶液中,以電流通過(guò)鍍液,使電鍍金屬析出并沉積在部件上。一般電鍍有鍍鋅、銅、鎳、鉻、銅鎳合金等。換熱器鍍鎳均選用普通鍍鎳,即鍍暗鎳。鎳是一種帶微黃的銀白色金屬,密度8.9g/cm3,熔點(diǎn)1452℃。鎳鍍層具有較高的硬度、良好的拋光性和可釬焊性。鎳在空氣中和堿液中化學(xué)穩(wěn)定性好,有機(jī)酸中穩(wěn)定性好,硫酸和鹽酸中溶解很慢,濃硝酸中處于鈍化狀態(tài),但在稀硝酸中不穩(wěn)定。在空氣中鎳與氧作用,表面迅速生成一層極薄的鈍化膜,能抵抗大氣、堿和一些酸的腐蝕。

鎳鍍層結(jié)晶細(xì)小,容易拋光。鎳的電極電位比鐵正,鈍化后電勢(shì)更正,因而鐵基上的鍍鎳層是陰極鍍層。鎳鍍層孔隙率高,只有當(dāng)鍍層厚度超過(guò)25μm時(shí)才是無(wú)孔的,所以,一般不單獨(dú)作為鋼鐵基的防護(hù)性鍍層,而是作為防護(hù)-裝飾性鍍層體系的中間層和底層。從添加光亮劑的溶液中獲得光亮鎳鍍層有一定的脆性,防護(hù)能力較差。鎳的屏蔽效果比較好,抗電磁干擾能力強(qiáng),廣泛應(yīng)用于電子機(jī)械箱體的表面處理。

鎳鍍層的應(yīng)用可分為防護(hù)裝飾性和功能性兩方面。作為防護(hù)裝飾性鍍層,鎳可以鍍覆在低碳鋼、鋅鑄件、某些鋁合金、銅合金表面上,保護(hù)基體材料不受腐蝕,并通過(guò)拋光暗鎳鍍層或直接鍍光亮鎳的方法獲得光亮的鎳鍍層,達(dá)到裝飾的目地。塑料經(jīng)過(guò)處理后也可鍍鎳,使塑料零件金屬化。在功能性應(yīng)用方面,主要用于修復(fù)性電鍍,在被磨損的、被腐蝕的或加工過(guò)度的零件上鍍覆修復(fù)尺寸。

鍍鎳的類型很多。以溶液成份來(lái)分,有硫酸鹽、硫酸鹽-氯化物、全氯化物、檸檬酸鹽和氟硼酸鹽等鍍鎳;以鍍層外觀來(lái)分,有無(wú)光澤鎳(暗鎳)、半光亮鎳、全光亮鎳、緞面鎳、黑鎳等。表面處理行業(yè)常用鍍鎳工藝為鍍暗鎳工藝,溶液中不含絡(luò)合劑,電極反應(yīng)是簡(jiǎn)單的金屬鎳離子的還原,能得到結(jié)晶細(xì)致、致密和均勻的鍍層,其主要原因是在極性較強(qiáng)的水分子作用下,各個(gè)化學(xué)成分發(fā)生電離反應(yīng),溶液中形成大量的陰、陽(yáng)離子,在電場(chǎng)作用下,陰離子會(huì)大量向陽(yáng)極移動(dòng),陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)。由于Na+、H+等陽(yáng)離子與Ni2+析出電位相差較大,即析出的趨勢(shì)極小,鍍鎳過(guò)程就成為Ni2+離子的析出過(guò)程,所以在鍍層沉積過(guò)程中形成的鎳鍍層具有結(jié)晶細(xì)致、純度高等特點(diǎn)。

2.2鎳溶液成分及作用

1)硫酸鎳:是溶液中的主鹽,是鎳離子的主要來(lái)源。硫酸鎳含量低,溶液分散能力好,鍍層結(jié)晶細(xì)致,容易拋光,但陰極電流效率和極限電流密度低,沉積速度慢;硫酸鎳含量高,允許使用的電流密度大,沉積速度快,但溶液分散能力稍差。

2)氯化鎳:在只有硫酸鎳的溶液中通電,鎳陽(yáng)極的表面容易鈍化,影響鎳陽(yáng)極的正常溶解,溶液中的鎳離子含量迅速減少,導(dǎo)致溶液性能惡化。加入氯離子,能顯著改善陽(yáng)極的溶解性,還能提高溶液的導(dǎo)電性,改善溶液的分散能力,因而氯離子是鍍鎳溶液中不可缺少的成份。氯離子含量過(guò)高,會(huì)引起陽(yáng)極過(guò)腐蝕或不規(guī)則溶解,產(chǎn)生大量陽(yáng)極泥并懸浮于溶液中,使鍍層粗糙或形成毛刺。

3)硼酸:在鍍鎳時(shí),由于氫離子在陽(yáng)極表面放電,會(huì)使溶液的PH值逐漸上升,當(dāng)PH值過(guò)高時(shí),陽(yáng)極表面附件的氫氧根離子與金屬離子形成氫氧化物夾雜于鍍層中,使鍍層外觀和力學(xué)性能惡化。硼酸在水溶液中會(huì)離解出氫離子,對(duì)溶液的PH值起緩沖作用,保持溶液PH值相對(duì)穩(wěn)定。硼酸含量過(guò)低,緩沖作用太弱,PH值不穩(wěn)定;含量過(guò)高,硼酸容易析出,造成鍍層出現(xiàn)毛刺等。

4)硫酸鈉:是導(dǎo)電鹽,使溶液具有良好的導(dǎo)電性,加入后可使鍍暗鎳在常溫下進(jìn)行。

2.3材料性能分析

換熱器選用的材料成分見(jiàn)表1。這四種材料由于化學(xué)成分的不同,其化學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)也存在明顯的差異,因而在進(jìn)行表面處理時(shí)需有其相應(yīng)的前處理方法,以保證鍍層質(zhì)量,對(duì)單一材料實(shí)施電鍍從工藝上來(lái)講是完全可行的,但當(dāng)上述幾類材料焊接成組件后,因?yàn)榍疤幚矸椒ǖ牟町?從理論上分析要保證不同材料上的鍍層同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)合強(qiáng)度存在難度。

2.3.1QCr0.8材料分析

QCr0.8是含鉻量0.8%的青銅合金,其中含有的其他元素基本為金屬元素,材料本身具有對(duì)氫脆不敏感、浸蝕殘?jiān)^少、耐蝕性較低等特點(diǎn)。在對(duì)QCr0.8電鍍前處理時(shí),經(jīng)過(guò)一般的化學(xué)除油、浸蝕和光亮浸蝕,不進(jìn)行其它預(yù)鍍層等措施,即可保證鍍層結(jié)合強(qiáng)度,一般除油選用弱堿性中溫溶液進(jìn)行;浸蝕選用稀硫酸溶液;光亮浸蝕選用硫酸和鉻酐的混合溶液,因QCr0.8材料浸蝕殘?jiān)?本工序可以不進(jìn)行。

銅合金電鍍工藝流程:

除油→浸蝕(稀硫酸)→光亮浸蝕(可不進(jìn)行)→鍍鎳

2.3.2S-03,0Cr18Ni10Ti和GH202材料分析

S-03材料屬于含鉻量中等的不銹鋼類材料,耐蝕性較其它含鉻量較高的不銹鋼低;1Cr18Ni9Ti材料為含鉻量較高類不銹鋼,具有較強(qiáng)的耐蝕性;GH202材料屬于鎳基高溫合金鋼,具有較0Cr18Ni10Ti材料更高的耐蝕性,在不銹鋼酸洗的混合酸中一般不會(huì)形成過(guò)腐蝕。