王 震，李 浩，張高鴻，劉 偉，劉貝貝，徐于剛，陳 凱

（河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 451191）

電連接器是一種基礎(chǔ)性元件，主要用于元器件與系統(tǒng)之間電信號(hào)及控制信號(hào)傳輸[1]，承擔(dān)電流或信號(hào)連接作用，廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、兵器等領(lǐng)域。這些特性使電連接器可靠性及環(huán)境適應(yīng)性成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素[2]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電氣控制系統(tǒng)中的故障現(xiàn)象，70%是由元器件失效造成，這其中有40%由電連接器失效直接或間接導(dǎo)致[3]。

電連接器主要應(yīng)用于4類(lèi)環(huán)境，即大氣、水（包括海水）、機(jī)械和太空環(huán)境[4]，均要求電連接器具備良好的耐腐蝕性能。因此，電連接器表層常進(jìn)行涂覆防護(hù)，提高耐鹽霧性能，保證耐腐蝕性能，保障產(chǎn)品生命周期。

航空電連接器金屬基體常選用鋁合金，表層化學(xué)鍍鎳提高其硬度、耐磨性及耐腐蝕性能，其主要失效形式為振動(dòng)沖擊、溫濕度變化、鹽霧等環(huán)境因素導(dǎo)致的磨損或腐蝕。本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軟管配套電連接器鍍鎳層腐蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行宏觀及微觀樣貌檢查及故障件成分理化分析，定位了故障產(chǎn)生原因，完成了故障機(jī)理分析。根據(jù)故障產(chǎn)生原因及故障機(jī)理分析結(jié)果，針對(duì)電連接器鍍鎳層，以提高其耐腐蝕性能，提升產(chǎn)品使用壽命及可靠性為目標(biāo)，提出了電連接器鍍鎳層可靠性?xún)?yōu)化措施。

1 失效分析案例

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為航空某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)軟管配套電連接器。電連接器一端與分支電纜裝配，另一端連接導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)線束屏蔽及保護(hù)功能。

電連接器由尾部螺帽、絕緣體及接觸體等尾部附件構(gòu)成，采用卡扣式快速連接形式、內(nèi)外五鍵導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。尾帽金屬基體為耐腐蝕鎂鋁合金，表面直紋滾花便于螺紋旋合。因服役環(huán)境復(fù)雜，直紋滾花后表面鍍鎳以提高其硬度、耐磨性及耐腐蝕性能。

1.2 鍍層失效現(xiàn)象

一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)配套電連接器尾帽鍍鎳表層出現(xiàn)鍍層龜裂、剝落缺陷，位于直紋滾花側(cè)壁或溝壑底部，呈現(xiàn)不規(guī)則斑點(diǎn)分布樣貌。

1.3 研究方法

拆卸鍍層失效電連接器，拆卸過(guò)程未破壞其原有狀態(tài)，未接觸酸、堿、鹽等腐蝕性物質(zhì)。拆卸后將電連接器真空包裝，保證貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中干燥密封。通過(guò)分析滾花加工、鍍鎳表處等工藝驗(yàn)證，借助掃描電鏡觀察缺陷微觀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)能譜儀對(duì)缺陷表面材料成分進(jìn)行分析，對(duì)鍍層失效過(guò)程進(jìn)行研究。

2 鍍層失效狀態(tài)檢查

2.1 宏觀形貌檢查

用電連接器在自然光下進(jìn)行目視檢查，鍍層剝落形貌如圖1所示。用視頻放大鏡觀察電連接器，鍍層剝落區(qū)域存在凹坑、氧化腐蝕缺陷，如圖2所示。

圖1 目視檢查鍍層剝落形貌

圖2 視頻放大鏡下鍍層剝落形貌

2.2 微觀形貌檢查及成分鑒定

使用掃描電子顯微鏡掃描故障件鍍層表面，試樣鍍層剝落區(qū)域，剝落后Al基體上存在腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要元素除C、O外，其主要成分為Cl和Na。

試樣表面鍍層剝落區(qū)域SEM微觀形貌如圖3所示，表面可清晰觀察到直紋滾花加工痕跡，表面潔凈。取SEM微觀形貌圖示點(diǎn)位進(jìn)行能譜掃描，掃描區(qū)域如圖4所示，EDS分析譜圖如圖5所示，分析結(jié)果如表1所示。

圖3 鍍層剝落區(qū)域SEM微觀形貌（30倍放大）

圖4 能譜掃描區(qū)域（300倍放大）

圖5 EDS分析譜圖

表1 EDS分析結(jié)果

3 鍍層失效分析

用視頻放大鏡觀察電連接器，故障件尾帽斑點(diǎn)處存在凹坑、缺塊現(xiàn)象，故障件其他位置，直紋側(cè)壁或溝壑底部存在局部夾屑。在視頻放大鏡下觀察未拆封樣品，表面光潔，直紋滾花側(cè)壁及溝壑內(nèi)清潔，無(wú)局部腐蝕、斑點(diǎn)等缺陷。

3.1 滾花加工分析

軸類(lèi)零件滾花加工較為普遍，直徑較小的細(xì)長(zhǎng)軸零件滾花加工時(shí)過(guò)大的徑向力易導(dǎo)致零件彎曲，嚴(yán)重時(shí)可斷裂，特別是強(qiáng)度較低的有色金屬，如鋁、銅等[5]。

電連接器尾帽表面直紋滾花加工。普通車(chē)床加工，一端采用硬爪裝夾，另一端鉆頂尖孔裝夾，直紋滾花刀桿裝夾直紋滾花刀，徑向定位至管坯表面，車(chē)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滾花刀軸向進(jìn)給，完成直紋滾花擠壓成型加工工序。

復(fù)查尾帽加工過(guò)程。表面直紋滾花加工時(shí)，管坯剛性較差且內(nèi)部中空，故管坯中間部位滾花加工時(shí)受徑向擠壓力，塑性變形，導(dǎo)致直紋滾花壓型較淺，需手工增加滾花刀徑向進(jìn)給量完成滾花加工。實(shí)際操作時(shí)若工人未及時(shí)調(diào)整滾花刀徑向進(jìn)給量，易導(dǎo)致滾花溝壑底部凹凸不平。滾壓成型后因壓型不良，操作工人需調(diào)整滾花刀與管坯溝壑底部吻合后二次加工。因直紋滾花為成型刀具擠壓金屬基體成型，二次加工易使成型中出現(xiàn)夾屑、破損等缺陷。

3.2 鍍鎳表處分析

鋁材表面化學(xué)鍍鎳，機(jī)理為自催化，將溶液中Ni離子沉積為Ni鍍層，待鍍工件表面需保持潔凈及良好的粗糙度。材料表面存在雜質(zhì)或缺陷等，均會(huì)造成表面無(wú)法形成活性覆蓋層，導(dǎo)致鍍鎳層不合格[6]。

尾帽鍍鎳工藝流程為：除油—拋光—微蝕—一次浸鋅—退鋅—二次浸鋅—堿性預(yù)鍍鎳—鍍化學(xué)鎳—鈍化。堿性預(yù)鍍鎳打底前對(duì)鋁材金屬基體表處進(jìn)行處理，打底后對(duì)外表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳（厚度不低于25μm）并進(jìn)行鈍化處理。

選取故障件4個(gè)點(diǎn)位采取金相檢測(cè)法確定鍍層厚度，點(diǎn)位1、2遠(yuǎn)離鍍層剝落區(qū)域，點(diǎn)位3、4靠近鍍鎳層脫落區(qū)域。測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果為：點(diǎn)位1、2鍍層厚度分別為23.34 mm、20.48 mm，點(diǎn)位3、4鍍層厚度分別為17.92 mm、8.95 mm。數(shù)據(jù)顯示，故障件鍍鎳層厚度不合格，且鍍層厚度不均勻，靠近鍍層剝落區(qū)域鍍層相對(duì)較薄。選擇故障件采用擠壓法進(jìn)行鍍層結(jié)合力測(cè)試，使用虎鉗夾緊、擠扁待檢零件，擠壓后金屬基體和鍍層未發(fā)生龜裂、起皮或剝落缺陷，鍍層結(jié)合力測(cè)試合格。

鎳標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.25 V，化學(xué)鎳鍍層相對(duì)鋁合金屬于陰極性鍍層，不具備電化學(xué)保護(hù)功能，因而其鍍層覆蓋的完整度對(duì)殼體的防護(hù)性能至關(guān)重要。

生產(chǎn)實(shí)踐中，化學(xué)鍍鎳易產(chǎn)生大量氣泡，粘附于尖銳棱邊或滾花側(cè)壁、溝壑粗糙部位，使涂覆鍍層孔隙率較高[7]，局部區(qū)域鍍鎳層較薄且厚度不均勻。在孔隙率高且局部區(qū)域鍍層厚度較薄時(shí)，鍍鎳層耐腐蝕性能下降。吸附于鍍層的表面濕氣、鹽分透過(guò)孔隙導(dǎo)通鍍鎳層與金屬基體，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕產(chǎn)物膨脹、脫落，金屬基體暴露。

3.3 能譜掃描分析

依據(jù)圖3—圖5故障件鍍層剝落區(qū)域掃描電鏡及能譜分析數(shù)據(jù)，鍍層龜裂區(qū)域腐蝕產(chǎn)物膜主要元素為O、Al、Cl、K、Na，其中Al、K為電鍍槽液成分，O、Na、Cl為空氣、鍍鎳表處殘留溶液及裝配手汗成分。能譜分析數(shù)據(jù)顯示，鍍鎳涂覆表層未引入污染物，故尾帽鍍層龜裂、脫落，判斷為二次滾壓加工牙型導(dǎo)致滾花槽側(cè)壁與溝壑夾雜，受損產(chǎn)生碎屑，潮濕環(huán)境下鍍鎳表層空隙接觸水汽，且鍍鎳表處殘留溶液及裝配手汗成分，電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致鍍層龜裂，腐蝕產(chǎn)物脫落。

4 可靠性?xún)?yōu)化措施

針對(duì)電連接器鍍鎳層失效案例，以提高電連接器耐腐蝕性能，提高總裝產(chǎn)品可靠性為宗旨，分別從機(jī)械加工、鍍鎳表處、包裝防護(hù)等環(huán)節(jié)提出優(yōu)化措施。

4.1 完善對(duì)滾花加工過(guò)程的管控

完善《鋁合金零件滾花加工操作及檢驗(yàn)規(guī)范》，量化主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等工藝參數(shù)，明確禁止鋁合金零件二次滾壓成型。滾花成型后用放大鏡觀察滾花槽側(cè)壁及底部，確認(rèn)無(wú)夾雜、受損等缺陷。機(jī)加后選取無(wú)水乙醇清洗，并用潔凈壓縮空氣吹干。表面涂煤油防銹，裝入自封袋及時(shí)周轉(zhuǎn)至鍍鎳表處。

4.2 優(yōu)化鍍鎳表處工藝規(guī)范

堿性預(yù)鍍鎳打底前，增加堿浸蝕工序，去除表面污物及滾花夾雜物、碎屑等多余物，使用中性水基環(huán)保清洗劑滲透溶解表面油污等，完成后使用5倍放大鏡觀察滾花槽溝壑側(cè)壁及底部，無(wú)夾雜物、碎屑等多余物。

嚴(yán)格控制預(yù)鍍鎳時(shí)間，研究表明，預(yù)鍍鎳時(shí)間控制在5 min左右時(shí)，鍍鎳層耐腐蝕性能最為優(yōu)良，主要為預(yù)鍍鎳5 min時(shí)表面再生長(zhǎng)的化學(xué)鍍鎳層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率減小[8]。

鍍鎳表處完成后，表處零件100%非破壞型式測(cè)定鍍層厚度。每批零件鍍鎳表處后抽取一定比例進(jìn)行48 h中性鹽霧試驗(yàn)，確認(rèn)其耐腐蝕性能良好。

4.3 加強(qiáng)包裝防護(hù)

組件裝配操作工人戴指套或手套操作，避免直接接觸鍍鎳層。電連接器使用無(wú)水乙醇清洗表面污物、雜質(zhì)等，置于干燥箱內(nèi)烘干處理。貯存過(guò)程中采用真空包裝，減弱環(huán)境溫度及濕度對(duì)鍍層耐腐蝕性能的影響。

5 結(jié)論

針對(duì)電連接器鍍鎳層失效故障，基于理化檢驗(yàn)及鍍層失效區(qū)域分析，完成了故障機(jī)理分析，明確了故障產(chǎn)生原因，具體如下：①電連接器尾帽滾花側(cè)壁及溝壑底部存在龜裂、剝落缺陷，原因是直紋滾花返工導(dǎo)致滾花夾雜、受損產(chǎn)生碎屑；②鍍鎳表處除油—拋光過(guò)程中未徹底清除夾屑，該區(qū)域鍍層覆蓋不完整，涂覆后基體內(nèi)孔隙率較高，膜層厚度較薄，耐腐蝕性能降低；③陰極化鍍鎳層在潮濕貯存環(huán)境中，水汽滲入孔隙內(nèi)部，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，基體優(yōu)先腐蝕，表處溶液殘留及裝配手汗鹽分加劇腐蝕進(jìn)程，附著于基體表層腐蝕產(chǎn)物膨脹，形成鍍層龜裂、剝落缺陷。

根據(jù)故障產(chǎn)生原因及故障機(jī)理分析結(jié)果，提出了電連接器的耐腐蝕及可靠性?xún)?yōu)化措施，具體如下：①完善滾花加工過(guò)程管控，消除直紋滾花槽內(nèi)產(chǎn)生的夾雜物、碎屑等多余物；②優(yōu)化鍍鎳表處工藝規(guī)范，增加堿浸蝕工序，使用放大鏡檢驗(yàn)確認(rèn)滾花槽內(nèi)無(wú)夾雜物及碎屑等；③電連接器包裝前用酒精清洗并進(jìn)行干燥處理，貯存過(guò)程中真空包裝，減弱環(huán)境溫度及濕度對(duì)耐腐蝕性能影響。