機載統型模塊防腐性能研究

張紅娟 南雁 喬平 朱光輝 劉謙文

摘?要：本文從模塊設計、結構件原材料選用和表面處理方式選擇三方面介紹了如何設計、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。通過實際驗證，綜合考慮外觀質量、三防性能、導電性能、散熱性能、工藝成熟穩定性、生產成本等因素，建議機載統型模塊結構件使用防銹鋁5A06加工，表面處理選擇所有面進行導電氧化，外表面噴涂三防漆。

關鍵詞：統型模塊;耐蝕性;模塊設計;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

機載統型模塊即模塊可能應用于各種機載環境和場合。模塊工作環境可能直接暴露于大自然環境下，經受各種氣候因素諸如：溫度、雨、冰雹、雪、含鹽大氣、工業大氣、塵埃、風沙等直接作用的表面;也有可能工作在比較惡劣的海上環境或模塊插裝于開放式機架。同時模塊能滿足機載試驗要求，如：振動試驗、電磁兼容試驗、高低溫試驗、濕熱試驗、霉菌試驗和鹽霧試驗等。

本文從模塊設計、結構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，以達到最優防腐性能設計。

1 模塊設計

1.1 模塊結構設計

由于該模塊可能處于較惡劣的工作環境（如海上環境），較惡劣的試驗條件（酸性大氣試驗）和較惡劣的使用環境（開放式機架）。對于暴露于大自然環境中的模塊應優先選用全封閉式結構，結合用戶接口要求，模塊采用如下圖所示的全封閉形式。

1.2 模塊三防設計

潮濕、鹽霧和霉菌會腐蝕和破壞電子產品的設備和材料，從而導致產品的電氣性能下降、機械強度降低。嚴重時會導致產品的功能失效。經常工作于潮濕地帶、通常會在材料表面凝聚一層水膜甚至滲透到材料內部，造成材料表面電導率增加、體積電阻率降低、介質損耗加大，從而產生電氣短路、漏電或擊穿等故障。電子產品三防設計是指通過對各種因素的綜合分析，預測可能發生的腐蝕類型和危險性后果，進行防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計，從而確定合理而有效的防腐蝕措施，使產品能防海水和鹽霧空氣腐蝕。在我國南方和沿海地區使用的、尤其是在戶外使用的電子設備均應進行三防設計，采取各種防護措施，以提高設備的環境適應能力。

為滿足環境使用要求，模塊三防設計考慮的主要因素有：①電子設備可能遭受的環境條件及主要的腐蝕性環境因素;②對腐蝕損壞最敏感的部位;③要求防護的程度及允許采用的防護手段。

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氣候環境防護;③對材料表面進行耐蝕性表面處理;④防腐結構設計。

腐蝕的發生會影響到結構件的機械性能和防護性能，導致產品可靠性下降，嚴重時會影響電子設備的性能參數、降低使用壽命。模塊結構形式確定后，需從三防性能方面出發，將防腐設計滲透到結構設計中，對模塊結構件進行有效保護，對材料和表面涂覆做出要求。

2 原材料選用

金屬受到環境因素影響，借著化學反應所造成破壞性侵害，稱之為腐蝕。幾乎所有的金屬制品，都會有若干形態之腐蝕現象，當使用環境及時間不同時，腐蝕現象有明顯差異，特別是沿海地區，大氣中鹽分及濕度極高，使空氣充滿腐蝕性顆粒，會導致金屬腐蝕現象加劇，雖然表面進行了三防涂覆，但使用中結構件也經常出現各種類型的不同程度的腐蝕現象，要想從根本上解決結構件腐蝕的問題，必須根據環境使用條件選擇合適的結構件材料。

結構件的材料除滿足機載電子設備的一般要求外，還應選用防火、防霉、防銹蝕、散熱性好、耐磨和強度好的材料。鋁及鋁合金有強度高、導熱性好、易于成型、價格低廉、密度小、易于加工等特點，已廣泛應用于航空航天、交通運輸、輕工建材等部門的電子產品，在諸多領域得到了極大的應用，成為常用的結構材料，是輕合金中應用最廣的合金。

鋁合金有九大類，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。其中，1XXX系列鋁合金屬于普通工業純鋁，其特點是：強度低，可通過加工硬化提高強度，熱加工和冷加工性能好，廣泛用于要求成型性能良好、抗蝕、可焊的工業設備。2XXX系列鋁合金的特點是硬度較高，銅元素含量高，屬于航空鋁材，在常規工業中不常用。5XXX系列鋁合金含鎂元素，又稱鎂鋁合金;主要特點為：密度低、抗拉強度高、延伸率好、疲勞強度好，但不可做熱處理強化。6XXX系列鋁合金代表為6061和6063，這兩種鋁合金強度中等，是可熱處理強化鋁合金，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，其特點為硬度高、耐磨性好、有良好的焊接性但耐蝕性較差。

下面對實際中常用的三種鋁合金2A12（硬鋁）、5A06（防銹鋁）和6061（鍛鋁）材料性能進行比較，從而選擇合適的結構件原材料。

由上表可以看出，牌號為2A12的硬鋁，雖然其強度較好，但Cu含量較高，濕熱條件下Cu和Al會形成微電池，發生電化學反應，鋁作為陽極被腐蝕，抗腐蝕性較差。牌號為6061的鍛鋁，雖然抗腐蝕性與防銹鋁5A06相當，但因為其強度低，且6061價格貴，主要用在有焊接要求的產品上。機載統型模塊結構件不是蒙皮、翼粱等重要受力構件，對強度要求不高。所以，考慮選用三防性能較好的防銹鋁5A06。使用防銹鋁加工結構件，即使涂覆層破損，也有較好的三防性能，滿足各種使用場合。

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，但由于膜層很薄（厚度約為0.01～0.02μm），而且疏松多孔，不均勻也不連續，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來改進結構件的防腐性能。表面防蝕處理是指運用各種方法在金屬表面施加保護層，將金屬與腐蝕性環境隔離，以抑制腐蝕過程的產生，或減少腐蝕性介質與金屬表面接觸，而達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、結構、配合公差、加工方法、表面粗糙度和形位公差;②零件的儲存和使用條件;③膜層或鍍層的特性和應用范圍;④膜層或鍍層的使用目的和要求。

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

根據產品的使用特點、壽命、環境以及防護層與防護工藝的特性，選擇合適的防護層、可有效地控制金屬材料的腐蝕，如果所選用的防護層或防護工藝不當，不但不能起到防護作用，反而會加速基體材料的腐蝕。選擇的材料保護層必須滿足以下條件：①耐蝕、抗磨、高強度;②與基體金屬結合牢固，結合力好;③保護層均勻分布且有一定厚度。

3.2 表面處理方式性能比較

通過化學反應在鋁及鋁合金表面生成一層薄的氧化膜，稱化學氧化法。這種方法不需要通過電流，工藝上比電化學氧化法要簡單，成本低。根據上述要求可選擇化學鍍鎳或化學導電氧化處理。

化學鍍鎳有厚度均勻性和均鍍能力好的優點，可改善結構件抗腐蝕性能和提高耐磨性能，當鍍層中的磷含量達到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。但是當鍍鎳厚度達到一定程度時，耐磨性才好于噴漆，而由于工藝等原因，有時不能達到應有的理想性能，而且對鍍鎳零件表面噴漆后，實際使用時會發生漆層脫落現象。對于鎳層和漆層之間發生的脫落現象，主要是因為化學鍍鎳層表面孔隙率低，導致漆層和鎳層之間的結合力較差。

改善漆層和鎳層間結合力的關鍵在于增大兩者的接觸面積，設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鍵合力。針對鍍鎳零件表面噴漆后，漆層脫落現象，可以通過對鍍鎳層進行磨砂處理，有意讓表面微粗化，增加表面粗糙度，提高噴漆時的結合力或者選擇附著力更好的底漆和面漆進行改善。

經過多次試驗，化學鍍鎳層更適合單獨使用，不宜作為噴漆的底層使用。化學鍍鎳層耐蝕性可以通過調節鍍層中磷含量、鍍層厚度及鍍后熱處理參數來滿足不同的要求。

化學導電氧化是通過化學反應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電性的優點，但存在膜層硬度低，耐磨性較差等缺點。選擇化學導電氧化，生成的氧化膜較薄，膜層質軟，耐磨性不高，受到嚴重觸碰和腐蝕時，膜層會迅速被破壞，故不宜單獨使用。

在多數情況下，僅靠化學表面處理進行防腐是不夠的，應通過增加三防漆涂層使結構件和環境分開，避免結構件直接暴露在惡劣環境下造成腐蝕。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。同時噴漆處理可以增強外表面硬度和耐磨性，提高結構件三防性能，滿足結構件承受加嚴的三防試驗要求。對內表面采用化學表面處理，對外表面采用化學表面處理和噴漆相結合的方式，滿足了結構件內外表面對不同功能的需求。

通過多次實踐證明，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行改進，不同種類油漆耐腐蝕性差別明顯。

4 結論

（1）在機載統型模塊結構件原材料選擇方面，防銹鋁（5A06）綜合性能優于硬鋁（2A12）。

（2）通過實際對比驗證，化學鍍鎳這種表面處理更適宜單獨使用;化學導電氧化更適宜與噴漆結合使用。

（3）綜合考慮外觀質量、三防性能、導電性能、散熱性能、工藝成熟穩定性、生產成本等因素，建議機載統型模塊結構件使用防銹鋁5A06加工，表面處理選擇所有面進行導電氧化，外表面噴涂三防漆。

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作者簡介：張紅娟（1985-），女，河北邢臺人，本科，工程師，專業方向：機械加工工藝。