雷達液壓缸活塞桿的防腐蝕技術研究

錢建國，張 群，李秀娟，許文琳

（南京長江電子信息產業集團有限公司，南京210038）

0 引 言

為了滿足鐵路運輸、公路運輸限制的要求，機動雷達一般采用天線座車自動調平和天線系統展開／折疊、起豎／倒伏等傳動機構，來實現雷達的快速架設和撤收。這些傳動機構實現的方式有兩種：液壓傳動和機械傳動。與機械傳動相比，液壓傳動的主要優點有：（1）速度調整范圍大，調整方便；（2）在相同功率下，結構緊湊，體積較小，質量較輕，慣性較小，可以傳遞較大的力或扭矩；（3）操縱控制方便，反應較快，可快速啟動、制動和換向；（4）可自動實現過載保護；（5）工作介質一般為液壓油，可自行潤滑，使用維護方便，使用壽命較長；（6）較易實現自動化控制。基于以上優點，目前液壓傳動系統在機動雷達上應用較廣泛。［1］

液壓缸是液壓傳動系統中最常見、最重要的一種液壓執行元件，被廣泛應用于機床工業、冶金工業、汽車工業、輕紡工業、塑料機械、工程機械、農業機械中。液壓缸活塞桿材料通常選用45＃中碳鋼，也有選用40Cr、38CrMoAlA等合金鋼。目前液壓行業廣泛使用的常規活塞桿傳統表面鍍覆工藝是單層鍍硬鉻工藝［2?4］，鍍前工件表面粗糙度為Ra0.4～Ra0.8μm，鍍鉻層厚度一般為50～70μm，表面硬度為HV800以上。其工藝流程一般為：前處理→裝掛→電解除油→熱、冷水洗→陽極腐蝕→沖擊鍍鉻→鍍硬鉻→回收→冷、熱水洗→干燥→除氫→拋光。這種電鍍硬鉻的工藝特點是鉻鍍層容易產生孔隙和裂紋，孔隙會隨著鉻層厚度的增加而增加。鉻鍍層為陰極性鍍層，鉻鍍層電位比鋼基體高，當鉻鍍層具有孔隙或裂紋時就會通過腐蝕電池的作用加快鋼材的腐蝕速度，因而鍍件的抗腐蝕能力較差。［5?7］

某型機動雷達經過一段時間的使用后液壓缸活塞桿表面鉻鍍層出現了點蝕，說明活塞桿抗腐蝕性能不足。本文首先分析了液壓缸的使用情況，在此基礎上探討了幾種用于活塞桿的防腐蝕技術，通過試驗驗證了鋅鎳合金?硬鉻復合鍍鍍層抗腐蝕性能優越，可以推廣應用，以提高液壓缸在海洋氣候惡劣環境下的抗腐蝕能力。

1 液壓缸使用情況

某大型機動雷達采用液壓傳動系統實現天線座車自動調平和天線系統展開／折疊、起豎／倒伏功能。在雷達運輸、貯存狀態下，天線系統的展開／折疊缸、穿銷缸和大盤鎖銷缸的活塞桿均暴露在大氣環境中。在工作狀態下，調平系統的水平缸、垂直缸和天線系統的起豎／倒伏缸、穿銷缸的活塞桿也均暴露在大氣環境中。受結構布局和空間的限制，展開／折疊缸、水平缸、穿銷缸和大盤鎖銷缸均無油缸防護罩，只有垂直缸和起豎／倒伏缸采用三防布罩對活塞桿進行了防護。

機動雷達一般架設于戶外，其中架設于近海（島）地區的機動雷達長期工作在戶外惡劣海洋氣候環境下，部分液壓缸的活塞桿可能長期暴露在大氣環境中，受到高鹽霧、濕熱、雨水、塵埃、工業大氣污染等侵蝕，液壓缸的活塞桿表面容易出現點蝕，且隨著使用時間的延長腐蝕將越來越嚴重。

2 活塞桿防腐蝕技術

目前，能夠提高活塞桿防腐蝕性能的表面鍍覆和處理技術主要有乳白?耐磨雙層鍍鉻技術、QPQ處理技術、鋅鎳合金?硬鉻復合鍍技術。

2.1 乳白?耐磨雙層鍍鉻技術

乳白鉻鍍層的結晶細致，孔隙率較低，一般乳白鉻鍍層的厚度為20～30μm時可以消除孔隙，抗腐蝕性能較強。耐磨硬鉻層具有非常好的耐磨損性能，但其抗腐蝕性能較差。為了使鍍鉻件既抗腐蝕又耐磨損，通常將兩種電鍍方法結合起來形成乳白?耐磨雙層鍍鉻。乳白?耐磨雙層鍍鉻工藝流程一般為：前處理→裝掛→電解除油→熱、冷水洗→陽極腐蝕→鍍乳白耐蝕鉻→鍍耐磨硬鉻→回收→冷、熱水洗→干燥→除氫→拋光。［8］

周燕等人［9］通過對活塞桿電鍍30μm乳白鉻＋70 μm硬鉻，表面硬度可達HV800以上，除氫處理后，按照GJB 150.11A－2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第11部分：鹽霧試驗》進行鹽霧試驗，出現銹蝕的時間為168 h。

乳白?耐磨雙層鍍鉻鍍層為陰極性鍍層。陰極性鍍層不同于陽極性鍍層，在金屬腐蝕和電化學腐蝕中不能電化學保護基體，只有當陰極性鍍層完全無孔時才能起到機械保護基體的作用。其抗腐蝕性能取決于乳白鉻鍍層的厚度和孔隙率。在批量生產過程中各種因素存在一定的波動，從而導致乳白?耐磨雙層鍍鉻鍍層防腐蝕性能的離散性較大。

目前，該技術在液壓行業已大量應用，在槍炮內膛和飛機、船舶、水利工程的零部件上也得到廣泛應用。某大型機動雷達的水平缸、垂直缸、起豎／倒伏缸、展開／折疊缸的活塞桿均采用乳白?耐磨雙層鍍鉻技術，其抗腐蝕性能比單層鍍硬鉻的活塞桿明顯提高。

2.2 QPQ處理技術

QPQ處理是一種提高黑色金屬基體表面耐磨性能、耐腐蝕性能的鹽浴滲氮、鹽浴氧化復合處理技術。QPQ處理技術實現了黑色金屬的熱處理技術和防腐蝕技術的復合、耐磨損性能和抗腐蝕性能的復合、滲氮工序和氧化工序的復合、氮化物和氧化物的復合，是一種應用廣泛的黑色金屬表面強化改性技術。QPQ處理滲層組織是復合的氮化物和氧化物，形成Fe2～3N高濃度化合物層和致密的Fe3O4氧化膜，能夠大幅提高黑色金屬表面的耐磨損性能、抗腐蝕性能。［10?12］

QPQ處理技術操作簡便，其工藝流程一般為：清洗除油→預熱→鹽浴滲氮→鹽浴氧化→清洗去鹽→拋光→二次鹽浴氧化→清洗去鹽→干燥→浸油。［13］

易傳貴等人［14］通過顯微硬度計、金相顯微鏡和動電位極化曲線等分析了QPQ處理后膜層的顯微硬度、金相組織以及電化學腐蝕性能，發現45＃、40Cr鋼經QPQ處理均能獲得較高的表面硬度和良好的表面滲氮組織，耐腐蝕性能均顯著提高，自腐蝕電位得到提高，腐蝕電流密度得到下降。

潘詩良［15］研究認為，45＃鋼經QPQ處理后，滲層組織中存在的Fe2～3N高濃度化合物層和致密的Fe3O4氧化膜雙相層使得黑色金屬在高鹽霧、濕熱、弱酸、強堿條件下都具有很高的耐腐蝕性能，其鹽霧試驗開始銹蝕的時間為140 h。

甄延波等人［16］研究認為，40Cr鋼經QPQ處理后表面生成了Fe2～3N高濃度氮化物層和致密Fe3O4氧化膜，其表面硬度達到HV711，耐磨損性能和耐腐蝕性能是QPQ處理、離子滲氮、鍍鉻、氧化處理4種工藝中最高的。

目前，QPQ處理技術已應用于工作在海洋環境中的高端裝置。［17］該雷達的穿銷缸和大盤鎖銷缸活塞桿已采用QPQ技術進行處理，其抗腐蝕性能顯著提高，在使用過程中未發現明顯銹蝕現象。

2.3 鋅鎳合金?硬鉻復合鍍技術

鋼鐵電鍍鋅鎳合金是20年前興起、國外早已廣泛應用的一種陽極性鍍層，目前國內正處于廣泛推廣階段。鋅鎳合金鍍層一般是指含鎳質量分數20%以下的低鎳含量合金鍍層。含鎳質量分數在10%～15%的鋅鎳合金鍍層的耐磨損性能和耐腐蝕性能是純鋅鍍層的3～6倍。鈍化處理的鋅鎳合金鍍層的耐腐蝕性能比同等厚度的鈍化鋅鍍層高3～5倍，甚至比鎘鍍層的耐腐蝕性能更高。［18?22］鋅鎳合金鍍層氫脆性較低，韌性好，與基體金屬的結合力很強，硬度達到HV220～270，耐高溫達250℃，除氫處理后仍具有優良的耐腐蝕性能。［23］鋅鎳合金的共沉積屬于異常共沉積。Brenner和倉知三夫指出，雖然鎳的標準電極電位比鋅的標準電極電位高很多，但鋅卻比鎳優先沉積。［24］

鋅鎳合金鍍層抗腐蝕性能優越，在中性鹽霧試驗中鋅鎳合金鍍層出現紅銹的時間均超過1 000 h。［25］其耐腐蝕機理為：（1）鋅鎳合金鍍層腐蝕生成物為ZnCl2·4Zn（OH）2，含有少量的2ZnCO3·3Zn（OH）2，腐蝕產物中無鎳，比鋅層的腐蝕產物ZnO要穩定致密，導電性差，因而抑制了腐蝕，減低了腐蝕速率；（2）在腐蝕過程中Ni的富集提高了鍍層的熱力學穩定性；（3）在腐蝕過程中Ni抑制了Zn（OH）2的分解反應，因而使腐蝕產物保持為導電性差的Zn（OH）2致密膜，吸附在鍍層上，起到鈍化作用；（4）鍍層表面產生微裂紋，分散了腐蝕微電流，也能提高防腐蝕性能。［26?28］

由于鋅鎳合金鍍層抗腐蝕性能優越，因此可將其作為液壓缸活塞桿的底層電鍍層，在此底層電鍍層上再套鍍耐磨硬鉻，形成鋅鎳合金?硬鉻復合鍍層。這樣的復合鍍層既硬度高、耐磨損，又能抗腐蝕。由鋅鎳合金鍍層的耐腐蝕機理可知，當腐蝕性物質通過硬鉻層孔隙、裂紋與鋅鎳合金底鍍層產生腐蝕行為時，其腐蝕產物就致密吸附在硬鉻層孔隙、裂紋中的鋅鎳合金底鍍層上，從而起到了良好的鈍化作用和封閉作用，抑制了進一步的腐蝕。因此，通過理論分析可知：該復合鍍層的防腐蝕性能優于單獨的電鍍鋅鎳合金鍍層。

2.3.1 鋅鎳合金?硬鉻復合鍍工藝流程

底層電鍍采用某公司的HK450堿性鋅鎳合金電鍍工藝。鋅鎳合金?硬鉻復合鍍的具體工藝流程為：前處理→裝掛→電解除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍鋅鎳合金（9～15μm）→水洗→活化→水洗→鍍耐磨硬鉻（50～70μm）→冷、熱水洗→烘干→除氫→拋光。下面對流程中的幾個主要工序作介紹：

（1）前處理：用120＃航空汽油清洗。

（2）裝掛：不銹鋼掛鉤。

（3）電解除油：Na3PO430～40 g／L，Na2CO320～30 g／L，NaOH 40～60 g／L，電流密度2～5 A／dm2，溫度60℃～80℃，時間10 min。

（4）酸洗：H2SO450 mL／L，CH4N2S 1g／L，溫度60℃～80℃，時間10 min。

（5）活化：HCl 500 mL／L，室溫，時間10～30 s。

（6）電鍍鋅鎳合金：ZnO 8～12 g／L，NaOH 100～120 g／L，HK450A鎳溶液12～15 mL／L，HK450B柔軟劑30～50 mL／L，HK450C光亮劑1～2 mL／L，電流密度1～4 A／dm2，溫度10℃～35℃，時間40～50 min，陽極材料為鋅板、鎳板。

需要注意的是，鍍層鎳含量隨著電流密度的增大而略有增加，電流效率隨著電流密度的增大而不斷降低。因此，從鍍層鎳含量和電流效率兩方面綜合考慮，最佳的電流密度應控制在2 A／dm2。

鋅鎳合金鍍層厚度一般控制在9～15μm，需要每天分析電鍍液，根據分析結果調整鍍液配比。在實際生產過程中，要將NaOH的質量濃度控制在上限，將鋅離子濃度控制在下限。一般情況下，當鎳離子與鋅離子的質量濃度比控制在（1.2～1.5）∶10時，鋅鎳合金鍍層中鎳的質量分數才能穩定在12%～15%。添加HK450A鎳溶液（HK450A鎳溶液每1 mL含Ni2＋100 mg）來補充鎳離子，添加時需與HK450B柔軟劑混合，其消耗量為：HK450A鎳溶液600～800 mL／kAh，HK450B柔軟劑300～400 mL／kAh，HK450C光亮劑100～200 mL／kAh。

（7）活化：5%（質量分數）H2SO4，室溫，時間10～30 s。

（8）鍍耐磨硬鉻：CrO3250～280 g／L，H2SO42.3～2.7 g／L，Cr3＋2～4 g／L，電流密度40～75 A／dm2，溫度55℃～60℃，時間90～150 min。

一般硬鉻鍍層的厚度控制在50～70μm，通常硫鉻比控制在1∶100。初始鍍鉻時使用較高的電流密度（60～75 A／dm2），這樣硬鉻鍍層與鋅鎳合金鍍層間的結合力較強；后續使用一般的電流密度（40～60 A／dm2）。電流密度大，鍍鉻速率高，硬度高，但更易產生裂紋和孔隙。

（9）烘干：溫度70℃～90℃，時間20～25 min。（10）除氫：溫度200℃～220℃，恒溫180～240 min后，放置于空氣中自然冷卻。

（11）拋光：對鍍鉻層機械拋光，使其表面光亮，粗糙度Ra≤1.6μm。

在操作以上流程時需注意：電鍍鋅鎳合金后應立即進行下道鍍硬鉻工序；鍍鉻后5 h內進行除氫，否則會造成氫脆。

2.3.2 試驗驗證

（1）試樣準備

試樣用45＃鋼加工，直徑Φ35 mm，長200 mm，調質處理，外圓磨削，表面粗糙度為Ra0.4μm。按以上工藝流程進行鋅鎳合金?硬鉻復合鍍處理。實測試樣鋅鎳合金鍍層厚度12μm，硬鉻鍍層厚度60μm，鍍鉻層硬度為HV820～860，表面粗糙度為Ra0.8～Ra1.6 μm，復合鍍硬鉻鍍層的孔隙率與乳白?耐磨雙層鍍鉻硬鉻鍍層的孔隙率相當，沒有統一的規定要求。

（2）試驗方法

中性鹽霧試驗：依據GJB150.11A－2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第11部分：鹽霧試驗》進行240 h鹽霧試驗，采用（5±1）%NaCl溶液，溫度（35±2）℃。

高溫貯存試驗：高溫70℃，保持48 h。低溫貯存試驗：低溫－50℃，保持24 h。

交變濕熱試驗：依據GJB150.9A－2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第9部分：濕熱試驗》。高溫（60±3）℃，低溫（30±3）℃，相對濕度（95±5）%。試驗10個周期。

附著強度試驗：依據GB／T 5270－2005《金屬基體上的金屬覆蓋層電沉積和化學沉積層 附著強度試驗方法評述》。①熱震試驗，將試樣在空氣爐中加熱至300℃，保溫1 h，放入冷水中驟冷，檢查鍍層是否片狀剝離、分層剝離；②磨、鋸試驗，使用外圓磨床從試樣邊緣磨削鍍層，目視鍍層與基體金屬是否分離，鍍層是否起皮或脫落。

試樣串行中性鹽霧試驗、高溫貯存試驗、低溫貯存試驗、交變濕熱試驗、附著強度試驗。

（3）試驗結果分析

完成中性鹽霧試驗后對試樣觀察，試樣鍍層無明顯紅銹現象，如圖1所示。

圖1 240 h鹽霧試驗后試樣外觀

完成高溫貯存試驗、低溫貯存試驗、交變濕熱試驗后對試樣觀察，試樣鍍層無明顯紅銹現象，如圖2所示。

圖2 濕熱試驗后試樣外觀

采用熱震試驗方法進行鍍層附著強度試驗，完成試驗后對試樣觀察，試樣鍍層附著完好，無分層剝離現象，如圖3所示。

圖3 熱震試驗后試樣外觀

采用磨、鋸試驗方法進行鍍層附著強度試驗，完成試驗后對試樣觀察，試樣鍍層附著完好，無起皮或脫落現象，如圖4所示。

圖4 磨、鋸試驗后試樣外觀

以上試驗結果表明，鋅鎳合金?硬鉻復合鍍鍍層附著強度、抗腐蝕性能優越。

2.4 性能比較

乳白?耐磨雙層鍍鉻、QPQ處理、鋅鎳合金?硬鉻復合鍍3種活塞桿防腐蝕處理技術性能對比情況見表1。

表1 3種活塞桿防腐蝕處理性能對比表

3 結束語

目前能夠提高液壓缸活塞桿抗腐蝕性能的技術有乳白?耐磨雙層鍍鉻技術、QPQ處理技術、鋅鎳合金?硬鉻復合鍍技術。乳白?耐磨雙層鍍鉻技術、QPQ處理技術的防腐蝕性能比單層鍍硬鉻工藝技術高，已在液壓行業得到成熟應用。鋅鎳合金?硬鉻復合鍍技術目前還未在產品上應用。鑒于鋅鎳合金底鍍層的優越防腐蝕性能，而且試驗也驗證了這種防腐蝕技術鍍層附著強度、抗腐蝕性能優越，因此可以把該技術應用于雷達液壓缸活塞桿，以進一步提高機動雷達的抗腐蝕能力。