航空安全鎖線表面缺陷分析及改進措施

黃利賓 陳 齊 宋袁曾

（上海飛機制造有限公司，上海 200000）

航空安全鎖線常用于航空制造業、直升機緊急電門、飛機安全門緊急防護等日常維護中的鎖緊裝置。安全鎖線是以多道次拉拔后的銅線為基體，再經過鍍鎘并鈍化后得到的。在線材生產過程中，按要求使用模具，采用合適且高質量的潤滑劑可以有效地提高線材表面質量。拉拔線材的表面質量不僅會影響電鍍后成品的表面質量，也會影響其使用壽命。在電鍍過程中，陰極電流效率達不到100%就會使鍍層中出現閉孔或坑型缺陷，使腐蝕易于發生[1]。李明等[2]發現，鍍鎘層在海洋大氣環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個方面，腐蝕產物會堆積在鍍鎘層表面的細小裂紋內，并逐漸擴大。此外，相關研究表明[3]，不銹鋼表面鈍化膜的電化學行為會受到H元素的影響，特別是在含有氯化物的環境中。本文將對安全鎖線發生腐蝕的機理入手，對其進行分析，以期為生產合格的航空安全鎖線提供指導依據。

1 材料及分析方法

本研究所涉及的安全鎖線來源于美國某主流線材制造公司，基體材料為黃銅，化學成分見表1，直徑為0.5mm，表面狀態為TYPEⅡ、CLASS2，分析前存放于倉庫中未使用。該鎖線的制備工藝如下：冷拔銅絲→熱處理（消除應力）→清洗→電鍍鎘→烘烤（去氫脆）→鉻酸鹽處理→干燥。首先，對鎖線進行外觀觀察，截取等長安全鎖線若干進行制樣，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 基體材料化學成分（質量分數）（單位：%）

2 結果分析及討論

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和鍍層脫落區，并且鍍層脫落區呈軸向分布于鎖線表面。下面分別對這2種形貌進行微觀分析。

圖1 鎖線表面形貌

2.2 鎖線鍍層完整區表面

圖2為鎖線鍍層完整區表面微觀形貌。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產生的拉傷痕跡，并存在少量鼓泡。線材表面出現拉傷痕跡主要是由模具表面精度不高或潤滑劑潤滑效果不佳引起的。因此，在實際生產中要注意拉絲模具的選擇、提高潤滑劑的質量以及定期檢查模具質量，如果損壞應及時更換。

圖2 鍍層完整區表面微觀形貌

鎖線在生產完成后，通常會使用收卷轉盤進行收卷，因此表面周向裂紋是在該過程中產生的。為了驗證鎖線表面鈍化膜與鍍層結合是否緊密，將鎖線彎折后進行微觀觀察（如圖3所示），對比圖3（c）、圖3（d）可知，受拉應力側表面鈍化膜產生鼓包，受壓應力側表面鈍化膜發生脫層翹曲，兩側鈍化膜均有發生規則脫落的趨勢。

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，形狀規則，且為C、Cd元素富集區，O、Cr含量較少。當電鍍鎘時，會發生以下反應。

圖4 規則脫落處微觀形貌及元素分析

Cd2++2e-→Cd 2H++2e-→H2

在該過程中，陰極電流效率達不到100%。當產生的氫氣不能完全溢出時就會使鍍鎘層表面呈多孔結構，導致鍍鎘層脫落。

圖5為鎖線鼓泡區域的微觀形貌，按特征將該區域分為完整表面（點1）、輕微破損（點2）、磨損（點3、點4）和嚴重破損（點5、點6）。對這些點進行成分分析，得到表2。由表2可知，與完整表面處相比，鼓泡區域的鈍化膜因遭到破壞導致O、Cr含量明顯減少；嚴重破損處則因為腐蝕形成的疏松結構對空氣中的雜質有吸附作用導致C含量變多，并且點6處已經露出銅基體；此外，點3、點4處邊緣鈍化膜脫落比中心嚴重，推測是凸起鼓泡在運輸或儲存過程中受到磨損導致。檢測到的Na、Cl、S元素，一方面來源于海洋大氣環境和空氣中的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 鼓泡區域微觀形貌

表2 鎖線鼓泡區域元素分析結果（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，遠低于AMS-QQ-P-416標準中的CLASS 2所要求的7.62μm，因此該批成品鎖線的耐腐蝕性遠低于要求。

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間有關，長時間的浸漬鈍化會降低膜層的附著力[4]。當工件離開鈍化液后，表面殘留的液體會與工件繼續發生上述反應，即空氣成膜。鈍化處理后，鉻酸鹽鈍化膜中水分較多，因此還須進行干燥處理，但是，溫度過高會使膜層出現裂紋并降低耐蝕性[5-6]。

電鍍鎘后需要進行熱處理除氫，如果該工藝過程被忽略或時間溫度不合理，氫原子就會滯留在鍍層中，在鈍化后干燥的過程中，逐漸由原子態轉為分子態，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有氣體產生。當氣體來不及溢出時，也會在銅絲表面形成鼓泡；在H元素和含有Cl化物的環境中，鎖線表面的鈍化膜被削弱，鼓泡破裂，促進點蝕發生。

2.3 鎖線鍍層脫落區表面

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

圖7 鎖線不同區域微觀形貌對比及元素分析圖

安全鎖線鍍層脫落區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，靠近脫落區的灰色鍍鎘層處O含量較多，鈍化膜發生脫落。

圖8 鎖線鍍層脫落區截面形貌及元素分析圖

雖然提高模具精度并使用高質量潤滑劑可以有效提高線材表面質量，但是拉拔速度快、溫度高、模具磨損以及雜質等因素都有可能產生拉拔劃痕[7]，如圖9所示。該安全鎖線采用連續電鍍技術進行鍍鎘，鍍前除油清洗不到位、不及時電鍍導致銅基體表面形成氧化皮，電鍍工藝參數不合理導致鍍層過薄，都會導致鍍層不均勻或漏鍍的結果。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鈍化膜與鍍層的腐蝕，最后露出銅基體。

圖9 拉拔劃痕產生機理圖

其腐蝕過程包括以下幾個步驟[8-9]。

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

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

鍍鎘層與銅基體（標準電位為+0.34）組成原電池，使鍍層發生腐蝕，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 結論

鎖線微觀下觀察的鼓泡與其生產過程中生成的H2有關，發生破裂和腐蝕是H元素與存放環境的共同作用，鈍化膜與鍍鎘層結合不夠緊密，受到彎折后容易脫落[10-11]；拉拔時產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，且鍍層厚度不達標，腐蝕很容易深入基體處；在拉拔生產中要注意拉絲模具的選擇、提高潤滑劑的質量以及定期檢查模具質量，如果損壞及時更換；優化鍍鎘工藝，保證鍍鎘層的厚度，并嚴格控制鈍化時間以及干燥的溫度，從而提高膜層結合力，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]；保證庫房內溫度濕度正常，并保持通風，不同成分貨品分開存放；合理使用防潮紙，可以起到防潮保護作用，并一定程度上防止氧化。