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提高T2-M铜导管钝化处理外观的试验研究 |
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作者：中航工业陕飞集团 熊师 黄智勇 |
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摘要：综述了T2-M 铜导管钝化处理后出现发花、环纹的原因，针对T2-M 铜导管前处理，钝化处理设计了试验，通过试验，研究了T2-M 铜导管前处理及钝化的工艺参数，以提高T2-M 铜导管钝化后的外观。
关键词：提高；T2-M 铜导管；钝化处理；外观；试验
1 前言
紫铜具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性【3】。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道等。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，为进一步提高其抗蚀性能，航空工业多选用T2 紫铜管材料通过钝化处理后作为输送氧气的管道。但T2紫铜管按照原来工艺进行钝化处理后，表面出现发花、像响尾蛇尾的环纹等外观不合格的现象。
2 对影响T2-M紫铜导管钝化后外观不合格的各种因素分析
2.1 溶液的浓度
溶液中铬酐是主要成膜物质【1】，它是强氧化剂，浓度高，氧化能力强，钝化膜光亮。当硫酸含量高时，膜层疏松、不光亮，易脱落，含量太低时，膜的生产速度较慢。适当调件下加少量的氯离子可增强溶液的穿透能力，获得厚度较大的膜层。
2.2 钝化前处理对外观的影响
钝化前处理的时间包括化学除油时间、预腐蚀时间、出光时间，化学除油时间掌握不好，附着在铜导管上的油膜除不尽，反而致使含有其他能使铜导管产生腐蚀的离子发生氧化还原反应，将很大程度上影响表面效果，预腐蚀时间如果把握不好，就会因为铜导管在制作过程中的晶粒不一样而造成预腐蚀表面存在反光度不一样，影响表面效果，出光时间不把握好将造成表面在钝化前效果就不佳。
2.3 T2-M铜导管合金材料对钝化后的外观影响
通过表1可知T2-M铜导管在进行前处理过程中一些活性比较高的元素反应消耗较多，出光后仍然有由于反光的发花及环纹，检验人员反应，铜导管发花、发麻、环纹极大的影响了外观。
2.3 T2-M铜导管制造工艺
紫铜管的热处理大型锻件主要是由铜锭直接锻成的【4】，因此在热处理时必须考虑冶炼、铸锭、锻造等过程对铸件内部质量的影响，从而制造工艺造成化学成分不均匀与多种冶炼缺陷的存在；晶粒粗大且很不均匀；较多的气体与杂质物；较大的锻造应力和热处理应力。锰能提高铜的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高铜的淬透性，含锰量很高的具有良好的耐磨性和其它的物理性能。硅它可以提高铜的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的铜中含有一定量的硅，能改善软磁性能。钨能提高铜的红硬性和热强性，并能提高紫铜管的耐磨性。铬能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善铜的抗腐蚀能力和抗氧化作用。钒能细化铜的晶粒组织，提高铜的强度，韧性和耐磨性。当它在高温熔入奥氏体时，可增加铜的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性。紫铜管过渡加工模具有上述结构设计，在具体实施时，通过圆至椭圆至过渡形扁椭圆至扁管分步拉伸的加工工艺合金元素和杂质对T2-M 铜导管钝化后的外观有很大影响。根据实验的逐步进行，通过调整溶液浓度及新配槽液，虽然改变了表面的光亮程度，但始终不能消除环纹。根据这一情况，准备着手于消除钝化膜环纹来解决问题。
3 钝化反应机理
当铜导管浸入到钝化溶液中时【2】，首先是铜的溶解，溶解过程中消耗了零件与溶液接触面的酸，使在接触面处的PH 值升高到一定数值时，形成碱式盐及水合物的析出，覆盖在金属表面上形成膜层。同时溶液中的阴离子将穿过碱性区不断的扩大，PH 值继续升高，因而使钝化膜的形成速度也加快，随时间的增长膜层也就加厚。当膜层达到一定厚度以后形成保护层，使阴离子无法再穿过，此时膜的溶解与生成速度接近，膜不再增长，而发生金属的尺寸较小。
4 工艺配方
4.1 化学除油
氢氧化钠（NaOH ） 60～80g/L
碳酸钠（ Na2CO3.10H2O ） 30～50g/L
磷酸钠（ Na3PO4.12H2O ） 30～50g/L
硅酸钠（ Na2SiO3.） 10～30g/L
4.3 预腐蚀
硫酸（H2SO4 ρ =1.84 g ⁄mL ） 50～80g/L
盐酸（HCl ρ =1.19 g ⁄mL） 30～20g/L
4.4 出光
铬酐（ CrO3 ） 280～300g/L
硫酸（H2SO4 ρ =1.84 g ⁄mL ） 20～30g/L
4.5 钝化
铬酐（ CrO3 ） 90～150g/L
硫酸（H2SO4 ρ =1.84 g ⁄mL ） 20～30g/L
5 7050铝合金材料硬质阳极氧化工艺
5.1 7050铝合金材料硬氧化主要工艺流程
铜导管装挂 -> 化学除油 -> 流动热水洗 -> 流动冷水洗 -> 预腐蚀 -> 流动冷水洗 -> 出光 -> 流动冷水洗 -> 钝化处理 -> 流动冷水洗 -> 吹干、拆卸、烘干、检验
5.2 主要工艺简介及分析
5.2.1 T2-M 铜导管钝化前处理
主要包括对零件表面进行化学除油、预腐蚀、出光处理。化学可清除附在铜导管上的油膜，避免油污阻止下一道工序的氧化膜的清除，预腐蚀可将热处理表面的黑皮及碳化物烧结斑起到松动作用，出光处理是将前两道工序中附着的油膜及氧化膜清除掉，使铜导管表面光洁，露出光亮本色。经过钝化前处理的零件必需达到水膜在30 秒内连续不断裂。而且光亮不发花，无环纹。
5.2.2 T2-M 铜导管钝化后处理
因为钝化膜层比较脆弱，不允许用热水洗，需将铜导管零件用压缩空气吹干后进行烘干，使膜层老化以提高抗蚀能力【2】。
6 提高T2-M紫铜导管钝化前处理试验
6.1 根据正交试验的方法，随意安排试验，并在试验后由专业检验进行外观评定，如下：
试验方案：采用三因素两水平全因子试验；
试验指标：T2-M 紫铜导管钝化前处理的外观效果；
因素：化学除油时间、预腐蚀时间、出光时间
6.2 T2-M紫铜导管经过化学除油、预腐蚀、出光后，观察其外观效果如下：
方法是：将规格为Ø5×5.4m 的每根铜导管用标记的方法分为6 个区域，因为做试验时，需要用泵加速溶液流动，每一槽只能处理16 根，因此总计有96 个区域，，前处理后仔细观察每个区域有无环纹，将无环纹的区域记录如图1：
图1 试验铜导管无环纹区域数目时间序列图
6.3 根据钝化前处理后外观效果主效应图分析见图2
图2 外观效果主效应图
由图2 分析：对于化学除油时间，20min 时外观效果更好；对于预腐蚀而言，预腐蚀时间为0.5min 时效果更好；对于出光时间而言，2min 时外观效果更好；相对来说，出光时间影响不大。
6.4 通过影响外观效果因素的交互作用图分析见图3：
图3 外观效果交互作用应图
由图3 分析：除油时间，预腐蚀时间，出光时间之间交互作用影响比较明显。
6.5 对试验的外观效果的立方图进行分析见图4
图4 外观效果无环纹区域数目的立方图
由图4 分析：从图中可以看出外观效果无环纹区域数目最最多为96，,即每个区域均为光亮无环纹，它对应的各因素水平分别为：除油时间20min,预腐蚀时间0.5min,出光时间2min,当选择除油时间20min,预腐蚀时间0.5min 时，出光时间3min 时也可获得较好结果，只是隐约出现环纹，只能从一定角度才能观察出。
7 提高T2-M紫铜导管钝化外观试验
7.1 根据正交试验的方法，随意安排试验，并在试验后由专业检验进行外观评定，如下：
试验方案：采用两因素两水平全因子试验；
试验指标：T2-M 紫铜导管钝化后的外观效果；
因素：流动冷水洗时间、钝化时间
经过前处理试验，将除油时间控制在20 min、预腐蚀时间控制在0.5 min、出光时间控制在2min 外观效果很好的铜导管前处理工艺后经过上述试验如下：
7.2 T2-M紫铜导管经过流动冷水洗、钝化后，观察其外观效果如下：
方法是：将规格为Ø5×5.4m 的每根铜导管用标记的方法分为6 个区域，因为做试验时，需要用泵加速溶液流动，每一槽只能处理16 根，因此总计有96 个区域，，前处理后仔细观察每个区域有无环纹，将无环纹的区域记录如图5：
图5 试验铜导管无环纹区域数目时间序列图
7.3 根据钝化后外观效果主效应图分析见图6
图6 钝化效果主效应图
由图6 分析：对于流动冷水洗时间，2min 时外观效果更好；对于钝化而言，时间为2min时效果更好；
7.4 通过影响外观效果因素的交互作用图分析见图7
图7 外观效果影响因素交互作用图
由图7 分析：流动冷水洗时间，钝化时间之间交互作用影响比较明显。
7.5 对试验的外观效果的立方图进行分析见图8
图8 外观效果无环纹区域数目的立方图
由图8 分析：从图中可以看出外观效果无环纹区域数目最最多为96，,即每个区域均为光亮无环纹，它对应的各因素水平分别为：流动冷水洗时间2min,钝化时间2min,因此，通过试验，确定T2-M 紫铜导管钝化工艺：除油时间控制在20 min、预腐蚀时间控制在0.5 min、出光时间控制在2 min、流动冷水洗时间控制在2 min，钝化时间控制在2 min，铜导管钝化处理后外观效果很好，管内通过剖切，外观效果也很好，完全通过检验交检，达到100%的合格率。
8 结束语
T2-M 紫铜导管钝化工艺在生产过程中，由于出现发花、发麻、金属环纹无法解决,曾多次停产，只能通过外协的方式解决急需的零件配套。经过试验将工艺参数调试后，改进后的工艺在生产中取得了良好效果。
参考文献：
【1】沈宁一，许强令，吴以南等表面处理工艺手册，上海科学技术出版社，1991：284
【2】表面处理编写组， 表面处理下册国防工业出版社， 1973:111
【3】百科名片《http://baike.baidu.com》
【4】紫铜管道安装工艺《http://www.jiansheqq.com》
作者简介：熊师（1976-），男（汉族），四川巴中人，高级工程师，学士，2000年分配到中航工业陕飞集团热表处理厂任技术员，2007年到陕飞集团冶金处热、表焊组从事表面处理研究。(end)
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(8/7/2012) |
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