石章靖 姚金莉 李俊菊

鍍鋅鋼件成型非金屬?gòu)?fù)合材料黑變分析及防護(hù)措施

石章靖 姚金莉 李俊菊

（樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)與功能材料技術(shù)湖北省工程試驗(yàn)室，孝感 432100）

某含鍍鋅鋼件組件產(chǎn)品在成型非金屬?gòu)?fù)合材料時(shí),鋼件外露部分發(fā)生黑變現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)黑變?cè)蜻M(jìn)行理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證, 得出在高溫和水存在的環(huán)境下，鍍鋅鈍化層中的Cr6+和甲醛及水反應(yīng)，生成Cr3+(H2O)6水合鉻離子，使產(chǎn)品表觀呈現(xiàn)黑色。采用鋁基膠帶及亞敏膠帶等使產(chǎn)品隔絕外界氣體，避免鍍鋅鋼件發(fā)生反應(yīng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。為類似鍍鋅鋼件組件在成型非金屬?gòu)?fù)合材料時(shí)避免黑變提供了一種理論分析方向及防護(hù)保障措施。

鍍鋅鋼件；黑變；防護(hù)措施

1 引言

鋼件通過(guò)鍍鋅實(shí)現(xiàn)防銹，鍍鋅鋼件被鉚接在鋁合金殼體上進(jìn)行玻璃鋼等防熱材料的成型，在航天產(chǎn)品生產(chǎn)中被普遍采用。因此，探討鍍鋅鋼件發(fā)生黑變的原因及防護(hù)措施，對(duì)保障產(chǎn)品的防銹性能，保證產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和貯存壽命的質(zhì)量具有非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)外科研院所權(quán)威資料表明，電鍍鋅鋼件表面生成一層連續(xù)且略帶金屬光澤的黑色或茶褐色膜層的現(xiàn)象即為電鍍鋅鋼件的黑變現(xiàn)象。它嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的外觀，降低了與涂漆層的結(jié)合力[1]。

結(jié)合某產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中鍍鋅鋼件發(fā)生黑變現(xiàn)象，分析認(rèn)為黑變是由于鍍鋅鈍化層中存在的鉻分子在防熱層固化中發(fā)生氧化而成，通過(guò)采取防、隔措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行防護(hù)，保證密封，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到鍍鋅鋼件組件產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)非金屬?gòu)?fù)合材料成型固化過(guò)程的高溫條件下鍍鋅層依然滿足設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求。

2 黑變?cè)蚍治?/h2>

2.1 產(chǎn)品工藝流程

鋼件產(chǎn)品在完成機(jī)械加工后進(jìn)行鍍鋅表面處理，采用鉚接方式與鋁合金金屬殼體合成殼體組件。殼體組件防熱層成型工藝流程為：堵孔→鋼件保護(hù)→貼膠膜→裝夾→纏繞→固化→切斷、外形加工→刷膠。成型后正常件與黑變件結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 鍍鋅鋼件正常與黑變對(duì)比

2.2 原因分析

鋼件技術(shù)狀態(tài)中表面處理為鍍鋅鈍化。其鈍化工藝采用鉻鹽+濃酸鈍化液，形成厚約7μm，成分復(fù)雜的彩色鈍化層（Cr6+、Cr3+、Zn、O、H及微量雜質(zhì)Cu、Fe等），后經(jīng)冷水、熱水多道泡、沖洗工序去除酸等殘留物。后續(xù)進(jìn)行無(wú)堿玻璃纖維布/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料防熱層的纏繞和固化，在高溫155℃固化過(guò)程中復(fù)合材料會(huì)釋放出大量氣體小分子，主要為水和甲醛。由于Cr6+具有很強(qiáng)的氧化性，在通常環(huán)境下可緩慢氧化為Cr3+且甲醛具有一定的還原性，在155℃高溫和水存在的特殊環(huán)境下，Cr6+和甲醛發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，生成大量的Cr3+。Cr3+與水發(fā)生水合反應(yīng)，最終生成Cr3+(H2O)6水合鉻離子，呈藍(lán)紫色。用放大鏡觀察表面黑色物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其放大后呈藍(lán)紫色，與分析相吻合。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 試驗(yàn)分析驗(yàn)證

模擬鍍鋅鋼件試驗(yàn)件在有水分子氣體冷凝和預(yù)浸布樹(shù)脂固化釋放小分子氣體的環(huán)境下，顏色變化情況如下：

a. 如圖2所示，在鐵盒內(nèi)裝滿預(yù)浸布和少量酚醛樹(shù)脂，置于油浴鍋內(nèi)加熱。模擬在155℃的高溫環(huán)境，預(yù)浸布和酚醛樹(shù)脂發(fā)生固化反應(yīng)，釋放小分子氣體；

b. 三口蒸餾瓶中裝入水放入水浴鍋中加熱，通過(guò)導(dǎo)管將水蒸氣導(dǎo)入鐵盒中，模擬試驗(yàn)件表面水冷凝環(huán)境；

c. 試驗(yàn)件放置在鐵盒之上，模擬其表面直接與水和預(yù)浸布樹(shù)脂固化釋放小分子氣體接觸。

圖2 試驗(yàn)分析驗(yàn)證操作示意圖

如圖3所示，試驗(yàn)件中間圓圈熏蒸位置顏色呈藍(lán)紫色，同四周顏色對(duì)比明顯加深。

圖3 限位塊試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果示意圖

2.3.2 試驗(yàn)防護(hù)驗(yàn)證

模擬鍍鋅鋼件試驗(yàn)件在有水分子氣體冷凝和預(yù)浸布樹(shù)脂固化釋放小分子氣體的環(huán)境下，將鋼件一半防護(hù)，另一半不防護(hù)，通過(guò)升溫觀察產(chǎn)品顏色的變化情況。

a. 如圖4所示，防護(hù)部分采用抹布蘸聚脲基潤(rùn)滑脂在試驗(yàn)件上擦拭薄薄的一層，然后依次貼一層鋁基膠帶+壓敏膠帶+膠膜+鋁基膠帶+透明膠帶，要求鋪放時(shí)與上一層接觸表面平整無(wú)褶皺。

圖4 試驗(yàn)防護(hù)驗(yàn)證示意圖

b. 如圖5所示，在1L燒杯中倒入少量水，用2只鐵盒裝大約700ml樹(shù)脂放入燒杯中，將試驗(yàn)件放置在燒杯上，置于真空烘箱進(jìn)行試驗(yàn)（真空度0.1MPa，溫度在200℃以下）。

圖5 試驗(yàn)件熏蒸放置示意圖

c. 真空度和固化制度按照玻璃鋼成型工藝文件執(zhí)行，保持真空壓力為(-0.08±0.01)MPa（表壓）范圍之內(nèi)；固化條件為30℃（升溫3h）→90℃（保溫1h，升溫1.5h）→120℃（保溫2h，升溫2h）→155℃（保溫2h），隨爐降溫至不高于30℃時(shí)出爐。

如圖6所示，發(fā)現(xiàn)防護(hù)區(qū)域顏色基本無(wú)變化，空白對(duì)比的未防護(hù)區(qū)域，試驗(yàn)件表面顏色加深（藍(lán)紫色顏色增多）。

圖6 限位塊試驗(yàn)件防護(hù)結(jié)果示意圖

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)論

a. 在高溫環(huán)境下，鍍鋅鈍化層和玻璃鋼防熱層固化釋放出的氣體分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在水凝結(jié)的條件下導(dǎo)致變色；

b. 通過(guò)聚脲基潤(rùn)滑脂等防護(hù)與未防護(hù)對(duì)比，聚脲基潤(rùn)滑脂能夠起到防護(hù)效果，采用聚脲基潤(rùn)滑脂作為主要防、隔物質(zhì)是可行的。

3 解決方案

3.1 防護(hù)方案

基于以上原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品“防、隔”的措施示意見(jiàn)圖7，具體步驟如下：

a. 用抹布蘸聚脲基潤(rùn)滑脂擦拭鍍鋅鋼件產(chǎn)品，然后貼一層鋁基膠帶，保證其與鋼件接觸表面平整無(wú)褶皺；

b. 在鋼件整個(gè)表面貼一層壓敏膠帶進(jìn)行防護(hù)，保證其與鋼件接觸表面平整無(wú)褶皺；

c. 對(duì)產(chǎn)品殼體組件貼膠膜。保證鋼件部分膠膜搭接在壓敏膠帶上，膠膜覆蓋整個(gè)鋼件根部，平整且粘貼牢固；

d. 在膠膜上粘貼一層鋁基膠帶，防止后續(xù)機(jī)械加工時(shí)鋼件被切傷；

e. 用透明膠帶貼在鋁基膠帶表面，確保鋁基膠帶在后續(xù)工序和周轉(zhuǎn)中不脫落。

圖7 鍍鋅鋼件防護(hù)示意圖

3.2 方案驗(yàn)證

通過(guò)圖8可以發(fā)現(xiàn)，在鍍鋅鋼件表面抹耐高溫潤(rùn)滑脂等可以有效防止其在玻璃鋼成型時(shí)外露部分不發(fā)生黑變現(xiàn)象。

圖8 驗(yàn)證產(chǎn)品防護(hù)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

黑變是由于溫度和壓力作用促使鍍鋅鈍化層與防熱層固化中釋放的氣體及水在相對(duì)密閉的狹窄的高溫空間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致。分析黑變發(fā)生的原因并通過(guò)了試板試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，基于試驗(yàn)結(jié)果提出了針對(duì)黑變產(chǎn)品的具體防護(hù)措施，在后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐中，證明措施有效。本文為航天產(chǎn)品鍍鋅鋼件非金屬防熱材料成型時(shí)防止其外露部分發(fā)生黑變提供了實(shí)踐指導(dǎo)借鑒作用。

1 李前會(huì). 鍍鋅鋼件黑變機(jī)理及過(guò)程控制措施[J]. 福建質(zhì)量管理，2007(8)：56～57

2 李寧，周德瑞，黎德育. 電鍍鋅鋼板的黑變機(jī)理[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2000，10(4)：584～586

3 李寧. 電鍍鋅鋼板黑變膜的組成及影響因素[J]. 材料保護(hù)，1998，31(11)：3～4

4 關(guān)少康. 鈍化處理后熱鍍鋅板折邊發(fā)黑的原因分析及解決方法[J].山西冶金，2021，2021(2)：7～9

5 任艷萍，陳錦虹. 鍍鋅層三價(jià)鉻鈍化膜腐蝕行為的研究[J]. 材料保護(hù)，2007，40(2)：7～10

Analysis of Blackening of Galvanized Steel in Forming Non-metallic Composite and Protective Measures

Shi Zhangjing Yao Jinli Li Junju

(Hubei Provincial Engineering Laboratory of Resin Based Structure and Functional Materials Technology,Xiaogan 432100)

In the process of forming non-metallic composite material, the exposed part of a galvanized steel component was blackened. Through theoretical analysis and experimental verification of the cause of blackening, it is concluded that in the environment of high temperature and water, formaldehydeand Cr6+in the zinc passivation layer react with water to produce Cr3+(H2O)6hydrated chromium ion, which makes the product appear black. In this paper, aluminum base adhesive tape and imin adhesive tape are used to insulate the product from the outside gas to avoid the reaction of galvanized steel and it is verified by experiment. This paper provides a theoretical analysis direction and protective measures to avoid blackening of similar galvanized steel components in forming non-metallic composite materials.

galvanized steel；blackening；protective measures

TB332

A

石章靖（1988），碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

2019-05-17