聚變堆真空室用標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件防咬死銅鍍層麻點(diǎn)原因分析

馮思慶 ，卯鑫 *，劉鵬，彭學(xué)兵

1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031

2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026

3.合肥科燁電物理設(shè)備制造有限公司，安徽 合肥 230088

托卡馬克聚變堆主機(jī)由杜瓦、冷屏、超導(dǎo)磁體、真空室、包層、偏濾器等幾大部件組成，各部件之間通過焊接或組裝的形式科學(xué)結(jié)合，構(gòu)成聚變反應(yīng)的真空腔室結(jié)構(gòu)[1]。聚變反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱載荷被包層和偏濾器內(nèi)部的冷卻回路帶出真空室[2-3]，從而使真空室內(nèi)的其他部件降至合適的溫度以下，以提高部件的工作壽命。在目前的聚變堆實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，因?qū)嶒?yàn)參數(shù)的不確定性及長期服役會(huì)造成零部件有不同程度的損壞，真空室內(nèi)各零部件(尤其是與等離子體刮削層相交的偏濾器)的更換是不可避免的，這就要求部件具有可更換性，必須使用螺紋緊固件進(jìn)行連接。磁約束聚變反應(yīng)要求真空室內(nèi)各部件所用材料都是無磁的，316L不銹鋼因具有較低的相對(duì)磁導(dǎo)率，是聚變堆結(jié)構(gòu)件的首選材料，連接各部件之間的螺紋緊固件同樣是316L不銹鋼。316L不銹鋼硬度低、摩擦因數(shù)大，受力后螺紋易發(fā)生塑性變形，粘合性強(qiáng)，因而存在較高的咬死風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。為防止咬死，提高零部件拆卸的可靠性，對(duì)螺紋緊固件表面電鍍防護(hù)層是較好的解決方案。銅具有較好的導(dǎo)熱性，是聚變堆真空室內(nèi)的常用材料，又因具有較好的潤滑性和經(jīng)濟(jì)性，被認(rèn)為是防咬死的優(yōu)選鍍層之一[7]。本文對(duì)螺紋緊固件銅鍍層麻點(diǎn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，確定了麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因，為螺紋緊固件電鍍銅提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件上的麻點(diǎn)現(xiàn)象

在對(duì)外購的316L不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)螺栓(DIN 933 M16 × 40)和螺母(ISO 4032 M16)進(jìn)行電鍍工藝驗(yàn)證時(shí)(電鍍過渡鎳層 + 銅層)，按圖1所示真空烘烤后螺栓和螺母表面都出現(xiàn)了不規(guī)則分布的黑色麻點(diǎn)，而同批次的電鍍薄板產(chǎn)品外觀正常，如圖2所示。經(jīng)檢測(cè)，鍍層的厚度、附著力等性能都合格。

圖1 真空烘烤工藝參數(shù)Figure 1 Parameters of vacuum baking

圖2 真空烘烤后螺栓(a)、螺母(b)和薄板(c)的外觀Figure 2 Appearance of bolt (a), nut (b), and plate (c) after being baked in vacuum

根據(jù)ISO 1456:2009Metallic and Other Inorganic Coatings — Electrodeposited Coatings of Nickel, Nickel Plus Chromium, Copper Plus Nickel and of Copper Plus Nickel Plus Chromium的要求，合格的電鍍層應(yīng)無鼓泡、裂紋、漏鍍區(qū)、污點(diǎn)等缺陷。螺栓、螺母上的鍍層有麻點(diǎn)，不滿足外觀要求，說明存在污染，不僅影響鍍層的防咬死性能，對(duì)聚變反應(yīng)的環(huán)境也非常不利。尋找麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因并給出合理的解決方案尤為重要。

2 麻點(diǎn)原因分析

2.1 工藝分析

同批次電鍍的薄板產(chǎn)品在電鍍前表面都有進(jìn)行拋光處理，鍍后無麻點(diǎn)。螺紋緊固件多為標(biāo)準(zhǔn)件，屬于批量生產(chǎn)產(chǎn)品，在麻點(diǎn)被觀察到之前所涉及的主要工序有加工、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、電鍍前清洗、電鍍、電鍍后存儲(chǔ)及真空烘烤[8-9]。麻點(diǎn)主要為黑色，不規(guī)則分布，并且在真空烘烤之后才出現(xiàn)，初步判斷是有機(jī)污染物殘留在鍍層上并高溫碳化的結(jié)果。可能產(chǎn)生有機(jī)污染物的情況有：加工過程中有切削液殘留；存儲(chǔ)運(yùn)輸過程被污染；電鍍前未清洗干凈；電鍍液被有機(jī)物污染；電鍍后存儲(chǔ)過程被污染；烘烤爐被污染。

針對(duì)上述工序點(diǎn)，具體分析如下：

(1) 螺紋緊固件多以批量形式通過滾絲加工而成，快速高效，但高強(qiáng)度螺栓所用材料對(duì)刀具的損耗更大。刀具磨損程度加大后加工出的螺紋絲牙表面粗糙度增大，致使切削液殘留增多。標(biāo)準(zhǔn)件加工完成后同樣是批量清洗，這種程序化的清洗往往不能將殘留的切屑液徹底清除。

(2) 批量螺紋緊固件一般都存放在普通紙質(zhì)包裝盒內(nèi)。為便于搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移，會(huì)將單個(gè)包裝盒的質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)，因此所裝的標(biāo)準(zhǔn)件因規(guī)格不同而數(shù)量不同，在分裝過程中容易被外界污染，且標(biāo)準(zhǔn)件之間的相互磕碰容易造成螺紋絲牙損傷，損傷處更易給污染物提供藏身空間。

(3) 電鍍工藝主要包括鍍前清洗、電鍍、鍍后檢驗(yàn)等工序。為保證電鍍工藝的一致性，所有工序皆為程序化控制。前處理的主要目的是去除待鍍基體表面的油脂和氧化物，都在溶液池中進(jìn)行。當(dāng)鍍件表面污染嚴(yán)重或者較粗糙時(shí)，程序化操作不僅很難徹底清除污染物，還存在鍍件被溶液中原有污染物二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 產(chǎn)品在電鍍后的存儲(chǔ)及真空烘烤過程中被污染的可能性較小，但同樣需要進(jìn)行污染源驗(yàn)證。

為確定污染物來源，通過相應(yīng)的檢測(cè)手段和對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 鍍層成分分析

如圖3所示，采用上海微譜化工技術(shù)服務(wù)有限公司的INCA 350型能譜儀(EDS)對(duì)產(chǎn)品表面有麻點(diǎn)及外觀正常的部位進(jìn)行成分分析。從表1可知，外觀正常部位的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89.52%，C為10.07%；而麻點(diǎn)處C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)91.18%。這說明麻點(diǎn)處的主要成分為C，可能是有機(jī)物經(jīng)高溫烘烤碳化所致，后續(xù)將通過對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。能譜測(cè)出的Fe來自于基體，可能是基體在酸性鍍液的弱腐蝕作用下有少量表層成分進(jìn)入鍍液中，在電鍍時(shí)又進(jìn)入鍍層中[10]。能譜測(cè)試的深度一般為1 ～ 5 μm，且與待測(cè)元素的相對(duì)原子序數(shù)有關(guān)，即在相同輸入能量下，輕元素的測(cè)試深度要大于重元素的測(cè)試深度[11]。C的相對(duì)原子序數(shù)遠(yuǎn)小于Cu，故C在能譜中測(cè)得更深。本批次樣品的鍍層厚度為6.91 μm，外觀正常部位的能譜測(cè)試深度處于鍍層內(nèi)部，而麻點(diǎn)處的測(cè)試深度要大于正常部位，即測(cè)量點(diǎn)更接近基體或已達(dá)到基體，所以麻點(diǎn)處測(cè)得的Fe含量高于正常部位。

圖3 能譜分析取樣點(diǎn)Figure 3 Positions to be analyzed by energy-dispersive spectroscopy

表1 正常部位和麻點(diǎn)的元素組成Table 1 Elemental compositions at normal area and pit area

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 驗(yàn)證項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)方案

不同規(guī)格螺紋緊固件加工時(shí)使用的刀具及加工工藝不同，加工面的加工效果也有所不同，這會(huì)影響到螺紋表面的粗糙度和清洗效果。

為驗(yàn)證不同規(guī)格螺紋緊固件的電鍍效果，對(duì)它們進(jìn)行同批次電鍍。選取的螺紋緊固件涵蓋常用的六角頭螺栓 M8 × 20、M10 × 30 和 M16 × 40，以及對(duì)應(yīng)規(guī)格的螺母 M8、M10 和 M16。

將待鍍標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件分類：第一類是鍍前不做任何處理，并做好標(biāo)記；第二類是鍍前先使用精度為6g/6H的板牙/絲錐進(jìn)行二次加工，再用50 ℃的酒精超聲清洗10 min，如圖4所示。

圖4 待鍍標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件用板牙二次加工(a)和超聲清洗(b)Figure 4 Secondary machining with threading die (a) and ultrasonic cleaning (b) for standard threaded fasteners to be plated

電鍍前徹底清潔電鍍池，更換新的電鍍液后對(duì)兩類螺紋緊固件進(jìn)行同批次電鍍。電鍍完畢，檢查鍍層外觀，用不同工藝進(jìn)行清洗和烘烤，并對(duì)第一批次有麻點(diǎn)的電鍍產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，以確定麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因。

具體的驗(yàn)證項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)方案見表2和表3，其中對(duì)比樣品是指不做任何處理的電鍍產(chǎn)品(即9#樣品)。

表2 麻點(diǎn)來源分析驗(yàn)證項(xiàng)匯總Table 2 Verification items for the sources of pitting attacks

表3 試驗(yàn)件驗(yàn)證方案匯總Table 3 Process conditions of confirmatory experiments

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 電鍍后的外觀

圖5是第二批次兩類標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件進(jìn)行同批次電鍍后的外觀，可見所有規(guī)格的電鍍產(chǎn)品在未烘烤時(shí)外觀都無任何異常，完全符合ISO 1456:2009的要求，說明麻點(diǎn)的出現(xiàn)必須經(jīng)歷烘烤工序。

圖5 電鍍后標(biāo)準(zhǔn)螺紋件外觀Figure 5 Appearance of the coated thread products

3.2.2 清洗對(duì)麻點(diǎn)的影響

使用酒精清洗第一批次中有麻點(diǎn)的電鍍產(chǎn)品，麻點(diǎn)仍然存在，說明酒精對(duì)含有麻點(diǎn)的銅鍍層沒有影響。進(jìn)一步使用鉻酸清洗2 min，麻點(diǎn)消失，一些部位甚至露出基底色，如圖6所示。這是因?yàn)殂t酸與銅發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，致使局部鍍層減薄甚至消失，說明麻點(diǎn)處于銅鍍層內(nèi)部。而酒精不會(huì)與銅鍍層發(fā)生反應(yīng)，只能清除產(chǎn)品表層的污染物。因此，除了對(duì)比樣品外，第二批次兩類產(chǎn)品的清洗都使用酒精。

圖6 10#電鍍產(chǎn)品的酸洗效果Figure 6 Pickling effectiveness of 10# sample

3.2.3 烘烤對(duì)麻點(diǎn)的影響

真空烘烤是用于聚變堆真空室的螺紋緊固件產(chǎn)品在電鍍后的最后一道處理工序，關(guān)系到產(chǎn)品最終的性能。電鍍后真空烘烤整個(gè)流程耗時(shí)約60 h，成本昂貴。若麻點(diǎn)的來源確實(shí)為有機(jī)物，則有機(jī)物在溫度達(dá)到240 ℃后即可轉(zhuǎn)變成C和H2O。H2O在高溫下能夠汽化而被抽出真空爐。C為固態(tài)，附著在產(chǎn)品表面不易被清除。螺栓、螺母表面 C殘留較多且集中的位置表現(xiàn)為碳化后的黑色麻點(diǎn)狀。因此采用烘箱對(duì)第二類產(chǎn)品進(jìn)行240 ℃ × 10 h烘烤足以使有機(jī)物碳化。該法的缺點(diǎn)是在高溫下銅鍍層更易被氧化，但作為麻點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還是可行的。從圖7可見，經(jīng)烘箱烘烤后銅鍍層表面氧化現(xiàn)象明顯，但顏色均勻，未見麻點(diǎn)。這說明麻點(diǎn)并非銅鍍層被氧化所致。

圖7 5#和7#電鍍產(chǎn)品烘箱烘烤后的效果Figure 7 Appearance of 5# and 7# samples after being baked in oven

圖8為第二批次產(chǎn)品中一類和二類產(chǎn)品及第一批次產(chǎn)品經(jīng)真空烘烤后的外觀效果，一類產(chǎn)品2#和4#表面皆出現(xiàn)了不同程度的麻點(diǎn)(見圖8a)，而二類產(chǎn)品6#和8#外觀全部合格(見圖8b)，第一批次產(chǎn)品經(jīng)酸洗后再次同爐真空烘烤后也未發(fā)現(xiàn)麻點(diǎn)(見圖8c)，且同類產(chǎn)品中不同規(guī)格的螺紋緊固件在外觀上沒有明顯差異。無麻點(diǎn)的產(chǎn)品外觀與對(duì)比樣品9#的外觀無差別，也沒有出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。由此可見，電鍍后的存儲(chǔ)及真空烘烤并非產(chǎn)生麻點(diǎn)的環(huán)節(jié)，且標(biāo)準(zhǔn)螺紋件的規(guī)格對(duì)麻點(diǎn)沒有影響。

圖8 電鍍產(chǎn)品真空烘烤結(jié)果Figure 8 Appearance of the samples after being baked in vacuum

3.2.4 成分分析

如圖9所示，取對(duì)比實(shí)驗(yàn)中外觀正常的產(chǎn)品，隨機(jī)對(duì)鍍層內(nèi)部兩個(gè)不同部位進(jìn)行能譜分析。從表4可知，鍍層元素組成與第一批次電鍍產(chǎn)品外觀正常部位鍍層的元素組成基本相同，本次測(cè)試結(jié)果中少量的 Fe和 Cr同樣屬于基體元素，Ni則為過渡層元素。這說明正常電鍍層內(nèi)包含10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同)左右的C和87% ～89%的Cu，還有少量進(jìn)入鍍層的基體元素，但這些元素不會(huì)影響鍍層外觀。

圖9 外觀正常產(chǎn)品的能譜分析取樣點(diǎn)Figure 9 Positions to be analyzed inside the coating with normal appearance by energy-dispersive spectroscopy

表4 外觀正常產(chǎn)品的元素組成Table 4 Elemental composition of the normal coating

3.3 討論

一類產(chǎn)品和二類產(chǎn)品的區(qū)別在于二類產(chǎn)品在鍍前進(jìn)行了板牙/絲錐二次加工和酒精超聲清洗。該操作的主要作用有以下幾點(diǎn)：(1)降低螺紋的表面粗糙度，提高清洗效率；(2)去除螺紋緊固件加工及轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的凸點(diǎn)、毛刺等異常，減少污染物殘留；(3)提高螺紋件的可裝配性；(4)減少鍍件對(duì)電鍍液的污染，延長鍍液的使用壽命。

可見板牙/絲錐二次加工與酒精超聲清洗對(duì)麻點(diǎn)的去除起著至關(guān)重要的作用。這兩步操作不僅能夠有效清除螺紋緊固件表面的污染物，對(duì)鍍前的程序化清洗工序起到補(bǔ)充作用，還能去除螺紋緊固件絲牙上的凸點(diǎn)、毛刺、損傷等缺陷，提高了螺紋件相互間的可裝配性(如圖10所示)。

圖10 螺紋絲牙損傷(a)和內(nèi)外螺紋試裝配效果(b)Figure 10 Photos showing the damage of thread (a) and assembly of internal and external threaded parts (b)

4 結(jié)語

對(duì)聚變堆真空室用標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件的防咬死銅鍍層上麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。對(duì)于諸如聚變堆真空室內(nèi)使用的外購標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件，在電鍍防咬死銅鍍層前進(jìn)行額外的板牙/絲錐二次加工及采用酒精或丙酮超聲清洗是非常有必要的。另外，應(yīng)保持電鍍池的清潔，及時(shí)更換鍍液，在鍍后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行無污染保存，并且及時(shí)進(jìn)行真空烘烤。