張永峰，劉鵬森，武春學，劉 博

[1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000； 2.中船重工(邯鄲)派瑞特種氣體有限公司，河北 邯鄲 057550]

高純氣體氣瓶主要用于儲運高純電子工業(yè)氣體，由于氣體純度高，因此對氣瓶內(nèi)表面的潔凈度要求嚴格?，F(xiàn)階段主要采用內(nèi)壁研磨清洗等處理方法提高氣瓶潔凈度，但當介質(zhì)為腐蝕性氣體時，現(xiàn)有高純氣瓶已無法滿足要求，需采用內(nèi)表面強化措施來提高氣瓶內(nèi)部耐蝕能力。內(nèi)表面強化處理方法中，化學鍍鎳磷合金因與基體結(jié)合力強、耐蝕性好、對工件形狀要求較低等特點，成為氣瓶內(nèi)表面強化的首選。

化學鍍是在無外加電源的情況下，在活化表面沉積一個化學鍍層的過程。因為化學鍍要求鍍件表面要有催化活性，所以化學鍍也叫“自催化鍍”。其基本過程為：在沒有施加外來電流的情況下，采用適當?shù)倪€原劑，金屬離子在其水溶液中被還原劑還原，生成沉淀，并在固態(tài)基材表面上形成覆膜[1]?；瘜W鍍以其優(yōu)越的工藝特點決定了它必將得到迅速發(fā)展，現(xiàn)階段，化學鍍非晶態(tài)Ni-P合金鍍層由于具有獨特的物理、化學和機械性能，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

高純氣瓶在使用過程中主要承受因內(nèi)部充放氣而產(chǎn)生的交變載荷的作用，因此，進行鍍層質(zhì)量評價時，不僅應(yīng)對鍍層的耐蝕性進行考核，同時還應(yīng)考核鍍層的附著強度與抗疲勞性能。本文從附著強度、耐蝕性及抗疲勞性能等方面考核化學鍍層的性能，確定了內(nèi)壁化學鍍層的優(yōu)異性能，為后期高純氣瓶化學鍍提供技術(shù)支持。

1 試驗步驟及方案

對氣瓶和同爐試樣環(huán)上制取的小樣按照圖1所示工藝流程進行內(nèi)壁化學鍍處理，化學鍍處理時氣瓶與小樣在同一槽液中進行，小樣與氣瓶其余工藝參數(shù)完全一致。在化學鍍后，按照相關(guān)標準對小樣進行附著強度、耐蝕性及抗疲勞性能等方面的測試，確定鍍層相關(guān)性能。

圖1 化學鍍工藝流程Fig.1 Chemical coating process flow

2 鍍層附著強度評價研究

鍍層附著強度是指鍍層與基體之間的粘附強度。鍍層附著強度不合格會導(dǎo)致在充放氣過程中鍍層脫落，進而使氣瓶內(nèi)部耐蝕性下降。本文采用兩種不同方法評價鍍層附著強度，研究確定其附著強度是否滿足使用要求。

2.1 定量檢測法

為定量測量鍍層與基體的附著強度，選用GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》對鍍層附著強度進行檢測，并采用金相法對該附著強度下的鍍層厚度進行測量，結(jié)果見表1。由表1可看出，鍍層的附著強度值均大于40 MPa，遠高于油漆涂料的表面附著強度指標(5 MPa)，故認為鍍層附著強度滿足氣瓶使用要求。

表1 鍍層附著強度、鍍層厚度檢測結(jié)果Table 1 Test results of coating adhesion strength and coating thickness

2.2 定性檢測法

氣瓶在充放氣過程中，其所受應(yīng)力為交變載荷，要求鍍層具有一定的延展性，為此，選用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》中彎曲試驗法對鍍層附著強度進行定性檢測。具體方法為：將帶鍍層的試樣沿兩邊不斷彎曲，直至試樣彎斷為止。觀察斷面位置處鍍層是否剝落，確定鍍層附著強度。檢測結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 化學鍍彎曲試樣Fig.2 Bending specimen of chemical coating

圖3 化學鍍試樣彎斷后Fig.3 After the chemical coating sample is bent

對比試驗前后試樣照片，可看出鍍層具有較好的延展性，試樣彎斷后，斷口部位鍍層未出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象，表明鍍層延展性符合要求、鍍層與基體之間的附著強度較好，在氣瓶充放氣過程中鍍層不會剝落。

3 鍍層耐蝕性評價研究

3.1 腐蝕電位

為確定鍍層的耐蝕性，對化學鍍層和基體進行腐蝕電位測試[3]，確定兩種狀態(tài)下試樣的腐蝕電位，對比確定鍍層的耐蝕性。試驗前將測量導(dǎo)線連接在試樣上，密封導(dǎo)線連接處。

腐蝕電位測量在3.5%(質(zhì)量分數(shù))的氯化鈉水溶液中進行，pH為6.5～7.2，參比電極為飽和甘汞電極，測量儀器為Victor VC 980 2 A萬用表，試驗溫度為室溫 (25±2)℃，每天測量1次。以每組3件試樣的腐蝕電位的均值作為該組試樣的腐蝕電位值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 腐蝕電位檢測結(jié)果Fig.4 Corrosion potential test results

由圖4可看出，基體材料的腐蝕電位為-723 mV，而鍍層試樣的腐蝕電位為-402 mV，鍍層試樣的腐蝕電位顯著高于基體材料，表明鍍層材料的耐蝕性較基體材料大幅提升。

3.2 鹽霧試驗

HB/Z 5071—2004《化學鍍鎳工藝及質(zhì)量檢驗》中明確規(guī)定，化學鍍層應(yīng)進行48 h鹽霧試驗，考核鍍層耐蝕性。試驗溶液為(50±5) g/L的NaCl水溶液，要求在80 cm2面積上鹽霧沉降量1～2 mL/h，溶液pH值為6.5～7.2，試驗溫度為(35±2)℃，連續(xù)噴霧，觀察試樣在360 h中性鹽霧腐蝕試驗各階段的外觀變化。

由圖5、圖6可看出，經(jīng)48 h中性鹽霧試驗后，鍍層表面無銹蝕，表明鍍層質(zhì)量符合標準要求。

圖5 鹽霧試驗前試樣照片F(xiàn)ig.5 Photo of sample before salt spray test

圖6 48 h鹽霧試驗后試樣照片F(xiàn)ig.6 Photo of sample after 48 h salt spray test

4 鍍層抗疲勞性能評價研究

因氣瓶在使用過程中主要受疲勞載荷影響，為保證氣瓶全壽命周期內(nèi)的耐蝕性，應(yīng)對帶鍍層試樣進行常溫四點彎疲勞試驗，確定鍍層的抗疲勞性能是否滿足要求。

表2 疲勞試樣參數(shù)Table 2 Parameters of fatigue specimens

采用載荷控制的模式進行疲勞試驗，載荷的應(yīng)力比為R=0.05，試驗頻率0.25 Hz(15次/min)，當試樣斷裂或循環(huán)壽命Nf達到15 000次時停止試驗[4]，記錄試樣表面鍍層是否開裂。

下壓輥跨距為100 mm，上壓輥跨距為30 mm，根據(jù)材料力學四點彎曲應(yīng)力計算公式(1)來計算壓縮載荷。

(1)

式中，σ為彎曲強度，b為試樣寬度，h為試樣厚度，l為下壓輥跨距。

3個試樣經(jīng)歷15 000次疲勞測試后，肉眼觀察鍍層無損傷，采用掃描電鏡觀察試樣表面，表面無疲勞造成的裂紋損傷。試樣疲勞試驗圖如圖7，掃描電鏡圖如圖8。

圖7 疲勞試驗圖Fig.7 Fatigue test diagram

圖8 表面鍍層掃描電鏡圖Fig.8 SEM of surface coating

5 結(jié) 論

1. 化學鍍層與基體之間的附著強度和延展性良好，附著強度滿足要求。

2. 化學鍍層的耐蝕性較基體而言得到大幅改善，且鍍層耐蝕性符合相關(guān)標準要求。

3. 鍍層的抗疲勞性能優(yōu)異，疲勞試驗后鍍層表面無疲勞試驗產(chǎn)生的裂紋。

綜上所述，化學鍍層附著強度高，耐蝕性好，且抗疲勞性能優(yōu)異，故化學鍍技術(shù)可用于提高高純氣體氣瓶產(chǎn)品的耐蝕能力。