油缸活塞桿鍍鉻層熱帶海洋大氣環(huán)境耐腐蝕性能分析

郭 強

（北京機械設備研究所，北京 100854）

我國熱帶海域受到緯度、季風和臺風等地理和氣候因素影響，其大氣環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧、多降水和強輻射等極值氣候特點，金屬及其鍍層腐蝕速率很快，大氣腐蝕等級達到ISO 9223規(guī)定的C5或CX等級［1-6］。電鍍硬鉻層中含有網(wǎng)絡狀微裂紋［7-8］，鍍層致密度和耐蝕性較低［9-12］。在熱帶海域大氣環(huán)境中，電鍍硬鉻層易產(chǎn)生點蝕孔［12-15］，且腐蝕擴展很快，導致油缸活塞桿因鍍層腐蝕失效而報廢，造成較大的保障和維修難題［14-15］。

由于電鍍硬鉻具有高耐磨性、低摩擦系數(shù)、經(jīng)濟性好和技術成熟等優(yōu)點，經(jīng)常作為油缸活塞桿表面鍍層［14-16］。電鍍?nèi)榘足t采用低電流，鍍速慢、鍍層硬度低，但鍍層致密且無裂紋，耐蝕性更好。油缸活塞桿電鍍鉻工藝常采用單層電鍍硬鉻［17］，但耐腐蝕性能相對較低。在一般腐蝕性環(huán)境中，為改善鍍硬鉻層的耐蝕性能，常采用電鍍?nèi)榘足t/硬鉻雙層鉻替代單層電鍍硬鉻［17-20］。

電鍍硬鉻層網(wǎng)絡狀微裂紋能夠潤濕和儲存油、樹脂等液態(tài)填充物，人們經(jīng)常采用封閉處理改進鍍層耐蝕性和密封性，其中主要的封閉方法包括滲蠟及浸潤油脂、樹脂等。相對于石蠟、油脂等，固化的樹脂能夠在微裂紋形成長期穩(wěn)定的填充物，所以，樹脂基封閉膠對硬鉻層能夠產(chǎn)生長效的、穩(wěn)定的封閉效果，顯著提高了電鍍硬鉻層的耐蝕性［21-24］。

針對熱帶海洋嚴酷的腐蝕環(huán)境，本文對單層鉻和雙層鉻采用樹脂類封閉劑進行封閉處理，通過戶外暴露實驗、鹽霧實驗等方法對比分析兩種鍍鉻層封閉前后的耐蝕性能。

1 實 驗

1.1 材料及表面處理工藝

采用45#鋼作為基體材料，試片尺寸150 mm×70 mm×3 mm。經(jīng)過噴砂、酸洗后，采用電鍍單層硬鉻、電鍍?nèi)榘足t/硬鉻鍍層進行表面處理。其中，單層電鍍硬鉻層厚度為60 μm，雙層電鍍鉻層中乳白鉻、硬鉻層厚度各為30 μm。

采用樹脂基封孔劑進行封孔處理，封孔處理工藝流程：除油，加熱120～150 ℃，浸涂封閉液，室溫固化6 h，高溫120～150 ℃固化2 h。試片共分為4組，分別為未封閉處理和封閉處理后的單層電鍍硬鉻、電鍍?nèi)榘足t/硬鉻鍍層。

1.2 腐蝕實驗

戶外暴露實驗參考GB 8893.2—2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗方法 第2部分：戶外大氣自然環(huán)境試驗》，地點選在萬寧大氣實驗站海上平臺，實驗周期最長660 d。

實驗室加速實驗采用間歇式中性鹽霧實驗，參考GB150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》進行實驗，腐蝕面積超過50 %以上終止實驗。

1.3 形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡（Apollo 300，CamScan，英國）對鍍層在封閉前后的表面形貌進行觀察。從試片上采用線切割截取10 mm×10 mm試樣，將試樣采用環(huán)氧樹脂鑲嵌，經(jīng)砂紙400#、800#、1000#、2000#打磨，拋光膏精拋光后，采用金相顯微鏡（LeiCa，DM4000 M， 德國）對鍍層的截面形貌進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀表面形貌

圖1（a）～（d）是單層和雙層鉻鍍層在封閉前后的表面形貌。電鍍態(tài)單層鉻和雙層鉻鍍層表面呈顆粒狀電沉積形貌，電鍍硬鉻層中含有龜裂狀微裂紋，這些裂紋相連接，形成網(wǎng)絡狀裂紋，如圖1（a）和1（b）所示。經(jīng)封閉處理后，樹脂膠滲透進鍍層微裂紋中，對微裂紋起到了填充的效果。封閉處理的單層鉻和雙層鉻呈現(xiàn)均勻的表面形貌，如圖1（c）和1（d）所示。

圖1 單層和雙層電鍍鉻封閉前后的微觀表面形貌Fig.1 The microscopic surface morphology of the single layer and double layer of chromium coating before and after sealing treatment

2.2 截面形貌

圖2是單層和雙層鉻鍍層的截面形貌，單層鉻中微裂紋隨機分布［25］，有的微裂紋連接后貫穿整個鍍層，雙層鉻中電鍍硬鉻微裂紋與底部的乳白鉻連接，未與鋼鐵基體接觸，底部乳白鉻無明顯裂紋等缺陷。

圖2 單層和雙層電鍍鉻的截面形貌Fig.2 The section morphology of the single layer and double layer of chromium coating

2.3 鹽霧實驗

未封閉雙層鉻和單層鉻試片在72 h內(nèi)出現(xiàn)點蝕，96 h內(nèi)鍍層大部分面積被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，兩種鍍層的腐蝕形貌如圖3（a）和3（b）所示。封閉處理后單層電鍍鉻880 h出現(xiàn)點蝕，大量的腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生，將試片鍍層覆蓋，見圖3（c）。封閉處理雙層鉻1200 h無腐蝕，鍍層表面仍然保持光潔的表面，如圖3（d）所示。實驗表明，封閉處理后電鍍鉻比封閉處理前的鍍層致密度得到了顯著改善，且封閉后的雙層鉻耐腐蝕性能要遠優(yōu)于封閉后單層硬鉻。

圖3 鍍鉻試片鹽霧實驗宏觀腐蝕形貌Fig.3 The macroscopic corrosion morphology of chromium coating on the plate specimens after salt spray test

鍍層表面形成大量腐蝕產(chǎn)物說明，腐蝕初期萌生的點蝕孔已經(jīng)向四周不斷擴展，腐蝕面積已擴大，基體被大面積腐蝕。腐蝕產(chǎn)物覆蓋鍍層后，由于微裂紋的存在，基體與腐蝕產(chǎn)物、腐蝕性離子之間會發(fā)生電化學腐蝕，腐蝕產(chǎn)物促進了腐蝕進一步發(fā)展。

2.4 戶外暴露實驗

未封閉單層鉻和雙層鉻試片在戶外暴露10 d左右時出現(xiàn)少量的點蝕，點蝕孔不斷發(fā)展，形成大量的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物及腐蝕性離子在微裂紋中滲透，腐蝕面積迅速擴展，大量點蝕孔開始出現(xiàn)，30 d腐蝕面積已經(jīng)超過了50%，90 d兩種鍍層已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。未封閉單層鉻和雙層鉻30 d腐蝕形貌如圖4（a）～（b）所示。

圖4 鍍鉻試片戶外暴露宏觀腐蝕形貌Fig.4 The macroscopic corrosion morphology of chromium coating without sealing after outdoor exposure test

封閉處理的單層鉻120 d時已出現(xiàn)較多的點蝕孔，隨著暴露時間延長，點蝕孔不斷地增加，在210 d時腐蝕面積已經(jīng)超過50%，如圖4（c）所示。雙層鉻封閉處理后360 d時出現(xiàn)了2～3個點蝕孔，660 d時點蝕孔數(shù)量未增加，點蝕孔形成致密和結(jié)合力良好的腐蝕產(chǎn)物，說明在300～660 d內(nèi)腐蝕速率很小，點蝕孔未擴展，腐蝕面積未增加，如圖4（d）和4（e）所示，說明雙層鉻的封閉處理耐蝕性較好。雙層鉻出現(xiàn)點蝕的原因與封閉劑封閉效果有關。

結(jié)合戶外暴露實驗和鹽霧實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱帶海洋大氣環(huán)境中，單層鉻和雙層鉻耐蝕性較低，封閉處理鍍鉻耐腐蝕性能明顯提升，雙層鉻比單層鉻在封閉處理后耐腐蝕性能得到大幅提升。

2.5 封閉前后耐蝕性分析

單層鉻和雙層鉻在封閉前后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5（a）～（d）所示。電鍍硬鉻層含有網(wǎng)絡狀的微裂紋，經(jīng)過封閉處理后，網(wǎng)絡狀微裂紋被填充。氯離子通過微裂紋與鋼鐵基體接觸，鋼鐵基體發(fā)生腐蝕，所以單層腐蝕速率較快。雙層鉻中雖有乳白鉻將微裂紋和鋼鐵基體隔離開，但是乳白鉻含有一定數(shù)量的孔隙。雙層鉻很快會發(fā)生大量點蝕，鋼鐵腐蝕后鍍層被破壞，腐蝕面積不斷擴展。所以，在熱帶海洋大氣環(huán)境中，雙層鉻和單層鉻的耐蝕性相近。

圖5 電鍍鉻封閉前后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagrams of the chromium coating before and after sealing treatment

封閉技術主要利用樹脂表面張力向微裂紋滲透擴散，達到對鍍層微裂紋封閉填充的目的。封閉處理后的單層鉻和雙層鉻比封閉前耐蝕性得到顯著提高，且雙層鉻封閉處理后耐蝕性要遠優(yōu)于單層鍍鉻層。由于樹脂滲入鍍層微裂紋的深度約30 μm［21］，而雙層鉻、單層鉻的鍍層厚度為60 μm，其中雙層鉻中乳白鉻和硬鉻鍍層厚度分別為30 μm，雙層鉻中硬鉻層微裂紋可以完全滲透填充，但單層鉻鍍層微裂紋由于深度超過30 μm不能完全填充，如圖5（c）所示。在單層鉻鍍層中，與鋼鐵基體相連接鍍層微裂紋網(wǎng)絡并沒有被填充封閉，在經(jīng)過一段時間腐蝕后，單層鉻鍍層出現(xiàn)了點蝕，腐蝕性離子沿著與基體接觸的微裂紋網(wǎng)絡快速擴展，造成更大面積的腐蝕。而雙層鉻表面貫穿的網(wǎng)絡狀微裂紋被樹脂填充，氯離子在微裂紋滲透至乳白鉻層后，乳白鉻起到了一定的隔離作用，腐蝕性離子沿著微裂紋向四周擴散的通道被封閉。即使鋼鐵基體出現(xiàn)點蝕后，點蝕只能向深度發(fā)展，腐蝕也不會擴散，基體無大面積腐蝕，鍍層未受到腐蝕破壞。所以，封閉處理后的雙層鉻耐蝕性要遠優(yōu)于封閉處理后的單層鉻。

2.6 封閉效果影響因素分析

封閉效果因鍍層質(zhì)量不同而發(fā)生變化。鋼鐵基體粗糙度、電鍍前處理質(zhì)量、工件外形等都會導致鍍層出現(xiàn)各種缺陷［25］。電鍍硬鉻層越均勻，封閉液在鍍層當中滲透和填充的效果越好，其致密性和耐蝕性越優(yōu)異。相反，鍍層缺陷越多，鍍層封閉效果越差。試片邊緣鍍層厚度較中間厚，直角邊緣前處理效果差，鍍層缺陷率高，所以，直角邊及其附近區(qū)域封閉效果差，腐蝕往往首先發(fā)生在邊緣；而中間區(qū)域鍍層質(zhì)量相對較好，封閉效果好，耐蝕性更好。所以，提高鍍層封閉效果，必須提高鍍層質(zhì)量，提高鍍層均勻性，減少鍍層缺陷。

3 結(jié) 論

（1） 經(jīng)鹽霧實驗和戶外暴露實驗驗證，未封閉處理的單層電鍍鉻和乳白鉻/鍍硬鉻雙層鉻不滿足在熱帶海域大氣環(huán)境中長期使用的要求。

（2） 相對于未封閉鍍鉻層，封閉的單層電鍍鉻和雙層乳白鉻/鍍硬鉻的耐蝕性能夠得到大幅度提升，而且封閉處理的雙層電鍍鉻耐蝕性遠優(yōu)于封閉處理單層電鍍鉻。在雙層鍍鉻層中，樹脂填充微裂紋后顯著阻礙點蝕向四周擴展。

（3） 封閉效果與鍍層質(zhì)量有關，鍍層越均勻，缺陷率越少，封閉效果越好。

（4） 電鍍鉻封閉技術能夠顯著提升鉻鍍層的耐腐蝕性能，滿足油缸活塞桿長效服役的要求。