浅析对飞机钢零件表面处理过程的质量控制

董化宇

（中航工业质量审核及管理体系认证中心，北京 100028）

当前，飞机结构方面使用的材料主要有金属和非金属两大类。金属材料有钢（含不锈钢）、铝合金、钛合金、高温合金，以及少量的镁合金、铜合金、铝锂合金等。虽然钢在飞机结构中所占比例逐渐降低，以苏–27飞机为例，其上钢零件的重量已不足整机结构重量的十分之一，但钢所具有的特性是任何其他类别金属所无法替代的。一些重要的承力件，如飞机起落架支柱、活塞杆、作动筒、平尾大轴、垂尾主梁及部分最重要的接头、承力螺栓等仍用超高强度钢制造。

但是，由于钢易腐蚀的特点，在使用前必须对其进行防护，即表面处理，以提高钢的耐蚀性和其他性能（如耐磨性等）。表面处理是通过机械和化学的方法处理后，能在产品表面形成一层保护基体的保护层，在自然界中能达到稳定状态，增强基体的抗蚀性、耐磨性和增加产品的美观。

影响飞机钢零件（以下简称“钢零件”）表面处理过程质量的因素有加工方法、设备、检测、材料、环境和人员等。在表面处理过程中，只有对以上这些因素实施过程控制，才能确保钢零件表面处理的质量。下面从6个方面探讨如何对钢零件表面处理过程进行质量控制。

1 加工方法

常用的钢零件表面处理加工方法有电镀、转化膜层、热喷涂、涂装等4大类。它们的工艺流程通常是：零件验收—前处理—镀覆或化学覆盖—后处理。

1.1 零件验收的控制

钢零件在镀覆或化学覆盖前应无油污、油漆、机加工划线涂色、金属屑，同时还应无锈蚀、斑点、结瘤、毛刺、氧化皮等。经磨削加工、探伤检查的零件应无剩磁、磁粉及荧光粉等。

为了防止零件中的内应力使镀层开裂，经机械加工、研磨、冷成形、冷矫形的零件、抗拉强度（σb）大于或等于1 050 MPa的钢零件，在镀覆前应进行消除应力处理。

1.2 前处理的控制

前处理主要是对钢零件表面进行除油、浸蚀（除锈）或吹砂。

除油有溶剂除油、气相除油、化学除油、电解除油、乳化除油、超声波清洗等。应对除油时的溶剂或溶液的成份、温度、电流、时间等实施控制。

侵蚀（除锈）有电解侵蚀、弱侵蚀和强侵蚀。侵蚀（除锈）时应对电流、溶液的成份、时间、温度等实施控制。

热喷涂时，用汽油或其它有机溶剂去除钢零件表面的油脂。通过吹砂去掉零件表面的氧化物及污物。要控制汽油或有机溶剂的清洁度、清洗方法、吹砂时的压缩空气压力、砂粒的直径及吹砂和热喷涂时间间隔等。

涂装时，待涂装的钢零件可通过手工除油、机械除锈、吹砂、磷化等方法进行除油和除锈等表面准备，保证零件表面无油、无锈，磷化膜层外观、耐蚀性等满足涂装的要求。

1.3 镀覆或化学覆盖的控制

钢零件在镀覆或化学覆盖过程中的工作温度、电流密度、电压值、槽液搅拌方式、槽液成分、环境的温湿度、清洁度等影响零件的表面处理质量。应按工艺说明书（或工艺规程）中规定的工艺参数对镀覆或化学覆盖过程实施控制。

1.4 后处理的控制

钢零件表面处理的后处理有除氢、钝化、封闭、皂化、填充等。

凡抗拉强度大于或等于1 050 MPa的钢零件，镀覆后都要进行除氢处理。具体的加热温度和保温时间根据合金牌号和强度级别确定。另外，镀覆或化学覆盖至除氢处理之间的时间间隔也要按有关要求进行控制。

钢零件镀锌、镀镉层钝化时应控制钝化液的成份、钝化时间、干燥方法等。钝化后的干燥温度不宜超过60℃。

钢零件磷化膜封闭应控制封闭液的成份、封闭时间等。

钢零件氧化（发兰）膜层皂化或填充处理应控制皂化液或填充液的成份、皂化或填充时间等。

2 设备

钢零件表面处理的设备有槽子、槽液、电源、除氢烘箱、压缩空气、仪表、盐雾试验箱等。设备是保证表面处理质量的基础。

2.1 槽子的控制

有严格要求的需加温或冷却的槽子，应有温度自动控制和指示装置。需要搅拌的槽子，应采用机械搅拌、压缩空气搅拌或其它形式的搅拌。

2.2 槽液的控制

槽液应定期分析与维护，槽液的分析周期可以实施动态控制。各种槽液成分都应用图表法进行记录和控制，要规定范围、控制范围和警告范围。槽液应定期或连续过滤。

2.3 电源的控制

高强度钢电镀用整流器的波纹系数要求不大于10%，镀硬铬电源的波纹系数要求不大于5%。

2.4 除氢烘箱的控制

除氢烘箱应装备温度自动控制、指示和记录的装置。除氢烘箱工作区温度均匀性应达到热处理Ⅳ类加热设备的要求。

2.5 压缩空气的控制

用于钢零件表面处理槽液搅拌和零件干燥的压缩空气，应经过适当的净化和过滤，不得有油、水和固体颗粒。

2.6 仪表的控制

钢零件表面处理过程中所用电流表和电压表的精度，应不低于1.5级。镀（膜）层厚度测量仪器应符合GB/T 6463–2005《金属和其它尤机覆盖层 厚度测量方法评述》的规定。

2.7 盐雾试验箱的控制

耐蚀性试验用的盐雾试验箱应符合GB 6458–1986《金属覆盖层 中性盐雾试验》、GB 6459–1986《金属覆盖层 醋酸盐雾试验》、GB 6460–1986《金属覆盖层 铜加速醋酸盐雾试验》中的有关规定。

3 检测

钢零件表面处理的检测是对保护层进行检验或试验，以验证保护层是否满足规定的要求。

3.1 检验（试验）项目

对钢零件表面处理保护层的检验（试验）主要有外观、厚度、结合力（附着力）、耐蚀性及其它性能检验（试验）项目。具体的钢零件表面处理过程的检验（试验）项目详见表1。

表1 钢零件表面处理质量检验（试验）项目

3.2 检验方法

3.2.1 外观检验

电镀层外观检验应在天然散射光线或无反射光的白色透射光下进行目视检验。光的照度应不低于300lx。关键和重要零件应100%检查，其它零件按GB 12609–2005《电沉积金属覆盖层和相关精饰计数检验抽样程序》抽样检查。镀层颜色应符合要求，结晶应均匀、细致。

磷化、化学氧化（发兰）等转化膜层的外观检验是对关键和重要零件应100%进行，其它零件按GB 12609–2005抽样进行。导管零件每批抽2%（不少于1根）剖切检查管内磷化膜、氧化膜质量。磷化膜颜色为灰至灰黑色，化学氧化（发兰）膜颜色为黑色、褐色、紫色。磷化膜、氧化（发兰）膜应连续、均匀、完整。

不锈钢钝化膜的外观检验的原则是无论大零件或重要零件应100%进行目视检查。小零件可每批抽5%～10%进行目视检查。导管零件定期或每批抽样剖开检查管内钝化膜层质量。钝化膜颜色为银白、灰白或钢灰色。

热喷涂锌的零件应100%进行外观检验。颜色应是浅灰色至灰白色。热喷涂层应密实、完整，颗粒应细小、均匀。

涂漆膜层的外观用目视法检查。漆膜的颜色和色调应均匀一致。漆膜表面平整、光滑，无流痕、漏喷、粗糙颗粒及橘皮等现象。

干膜润滑剂膜层的外观应均匀、光滑、连续。

3.2.2 厚度测量

电镀层厚度检验可用显微镜测量法、磁性测量法、阳极溶解库伦法、量具测量法、称重法等方法。关键和重要零件应100%检查，其它零件按GB12609–2005抽样检查。厚度应符合图纸或工艺文件的规定。

热喷涂锌层厚度检验可定期或按批次进行，应符合图纸或工艺文件的规定。检验时抽取2～3个零件（或试件）进行测厚。测厚的方法有仪器测厚法、量具测厚法。

涂漆漆膜和干膜润滑剂膜层厚度应符合图纸或技术文件的规定。厚度检验按GB/T 13452.2–2008《色漆和清漆 漆膜厚度的测定》的规定进行。

3.2.3 结合力（附着力）检验

当新配镀液或镀液有较大变化时，必须对电镀层进行结合力检验。在连续生产时必须定期检验。

热喷涂锌层结合力检验可定期或按批次进行抽查，不允许有脱落现象。检验方法有锤击法、落球法。

应对漆膜和干膜润滑剂膜层的结合力进行检验。可采用美国3M公司的250#压敏胶带或等效胶带。经胶带检验后膜层应完整如初。

3.2.4 耐蚀性试验

电镀层耐蚀性检验是当新配镀液或镀液有较大变化时，必须对镀层进行耐蚀性检验。在连续生产时必须定期进行耐蚀性检验。耐蚀性检验按GB 6458–1986的要求和方法进行。盐雾试验的时间应满足图纸或工艺文件的规定。

磷化膜层耐蚀性检验是在每批零件中抽取2～3件，或用相同材料、相同热处理状态、相同粗糙度并与零件同槽磷化的试样。将零件或试样浸入3%的氯化钠溶液中，在15℃～25℃下保持2h。取出零件或试样（件），检查其表面，不应有基体金属锈蚀出现。

化学氧化（发兰）耐蚀性检验是在每批零件中抽取3件，或用相同材料、相同热处理状态与所代表批相同条件下氧化的试样。将试样（件）用蘸有无水乙醇的棉球擦拭除油（刚处理好的试样或试片可不除油），再浸入3%的硫酸铜溶液中，在15℃～20℃下保持20s，取出试样（件），检查其表面是否有接触铜出现。

不锈钢钝化膜的耐蚀性检验是定期从交检的零件中取1～2个零件进行耐蚀性检验。将带有钝化膜层的零件或试样浸在3%氯化钠溶液中，在15℃～25℃下保持24h，取出零件或试样检查表面，应无锈蚀痕迹或锈蚀产物。

3.2.5 氢脆性试验

电镀镉–钛、锌、镉、铜、硬铬时，当抗拉强度σb≥1 240 MPa的钢的关键、重要件进行电镀时，必须进行氢脆性试验。氢脆性试验是对新配制或调整后的槽液，以及每批零件都要作一次缺口试棒持久试验，持续200 h不断为合格。

磷化、化学氧化（发兰）等转化膜层，如有要求，抗拉强度σb≥1 300 MPa的关键、重要件进行化学氧化（发兰）时，也应进行氢脆性试验。

3.2.6 孔隙率检验

电镀硬铬层有孔隙率要求的零件，应进行镀层孔隙率检验，按GB 12609–2005定期抽样检验，每平方分米面积上气孔不得多于5个。电镀装饰铬镀层按GB 12609–2005规定的方法和要求定期进行孔隙率检验，每平方厘米面积上气孔不得多于3个。

用于防止渗碳、渗氮、氰化（碳氮共渗）的电镀铜镀层应100%检验孔隙率，铜镀层应无孔隙。其它有孔隙率要求的铜镀层按技术文件规定检验。检验方法有贴滤纸法和浸渍法。

3.2.7 其它检验项目

电镀镉–钛镀层中的钛含量用同槽试片测定。镉–钛镀层内钛含量范围应在0.1%～0.7%之间。检验方法按HB 5361–1986《隔–钛电镀工艺分析方法》进行。

电镀铜镀层钝化膜的质量按HB 5064–1977《铜及铜合金氧化膜层质量检验》的规定进行外观、耐蚀性检验。在光照度不低于300lx的光线下采用目视方法，大零件和重要零件应100%、小零件每批抽取5%～10%进行外观检验。耐蚀性检验每工作班至少进行一次。

镀铜层氧化膜的质量按HB 5065–1977的规定进行外观、韧性和结合力、抗变色性能检验。

电镀硬铬层有特殊要求的零件，根据工艺文件的规定抽查铬镀层的显微硬度。显微硬度值不应低于700 HV。

化学氧化（发兰）每批零件抽取3个进行清洗质量检验，不应有残留碱存在。

磷化膜膜重检验是在当有新产品或工艺、槽液配方改变，以及有定期检验规定的情况下，应按GB/T 9792–2003《金属材料上的转化膜 单位面积膜质量的测定–重量法》进行。膜重应符合有关图样和技术文件的规定。

不锈钢钝化膜层完整性检验是每工作班至少进行一次膜层完整性检验。从每批交检的零件中抽1～2个零件或用与零件同类材料同槽处理的试样检验膜层完整性。

热喷涂锌重量检验是从一批零件中抽取2～3个进行喷涂前、后的称重检查，应符合图纸或技术文件的规定。

4 材料

飞机钢零件表面处理所使用材料有水、酸、碱、盐、各种添加剂、各种金属的阳极板等。水的水质分类、指标，应符合工艺文件的要求。所用化学药品和其它材料的规格、标准应在工艺文件中作出明确的规定。专用的化学药品（如添加剂等）和材料应定点定质供应。化学药品和其它材料必须有出厂合格证或质量保证单，必要时做入厂复验。

5 环境

工作环境的温度和相对湿度对钢零件涂装的质量影响较大，因此涂装时，要对工作环境的温度和相对湿度按工艺文件的规定实施监督控制。

6 人员

从事飞机钢零件表面处理过程的操作者、检验和试验人员，应经过培训、考核并持证上岗。

综上所述，只有通过控制飞机钢零件表面处理过程中的各种因素（如加工方法、设备、材料、环境、人员等），严格按工艺说明书（或工艺规程）规定的参数进行操作，并对表面处理过程的结果（保护层的质量）进行全面的检验（试验），才能确保钢零件表面处理的保护层满足规定的要求，达到预期的效果。