A12结构件三防设计规范.doc
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1、结构件三防设计规范一、 前言严酷环境条件会引起电子设备中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、霉烂、性能显著下降等各方面的破坏,如何提高电子设备的可靠性,是电子设备的重要课题。电子设备的“三防”性能已成为系统整机重要的技术指标之一。现代“三防”技术的范畴,已不单纯是一项工艺技术的实施,而应当涉及到电路、结构、工艺和综合性的技术管理等方面,其中结构设计是将“三防”贯彻到产品设计中的关键,必须重视“三防设计”,而并非单纯的在产品完成后进行“三防防护”。现在的三防是以提高产品的环境可靠性为目标,内容包括防水、防潮、防结露、防盐雾、防霉、防腐蚀、防老化、防振、防静电、防高压击穿、防污染、防风沙、防积雪、防裹
2、冰、防鼠害等等,确切地说应称为环境防护技术。钢铁零件的失效形成主要有以下几种:弹性或塑性变形、磨损、断裂和腐蚀。金属腐蚀的定义:金属由于和外围介质发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做腐蚀。钢铁及其合金属黑色金属,此类黑色金属占金属总产量的90%以上,其腐蚀产物主要是能用肉眼观察到的附着在表面的棕黄或棕红色的锈,因此,钢铁类金属及其制品在大气中的腐蚀又称锈蚀。金属在高温下腐蚀称为氧化,其腐蚀产物是氧化皮,如热轧钢板和棒料、锻件、热处理后的表面氧化皮等到。在酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质中引起的金属破坏仍称为腐蚀。通常腐蚀与锈蚀无严格区别,金属生锈就是腐蚀。0、定义0.1、腐蚀corrosion由
3、于材料与环境的反应,引起材料的破坏与变质,并可导致材料或由其组成的结构的功能受到损伤。0.2、腐蚀损伤corrosion damage材料或由它们作为组成部分的技术体系的功能遭受的有害腐蚀效应。0.3、腐蚀的预防与控制corrosion protection and control人为地对腐蚀体系施加影响与改变,以减轻腐蚀损伤。0.4、腐蚀的分类0.4.1、按环境分类1湿蚀:水溶液腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀、化学药品腐蚀;2干蚀:高温氧化、硫腐蚀、氢腐蚀、液态金属腐蚀、熔盐腐蚀; 3微生物腐蚀:细菌腐蚀、真菌腐蚀、硫化菌腐蚀、藻类腐蚀等。0.4.2、按腐蚀产物的破坏形式分类1全面腐蚀:均匀或不均
4、匀的分布于整个金属表面;2部腐蚀:孔蚀、点蚀、斑蚀、颖隙腐蚀、丝状腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、冲刷腐蚀、湍流腐蚀、气蚀等。0.4.3、按腐蚀的机理分类1化学腐蚀: O2、H2S、SO2、C12、酸气等腐蚀,高温氧化,在非电解质液体酒精、苯、汽油、煤油、润滑油等中的腐蚀;2 电化学腐蚀:(1) 微电池腐蚀(2)原电池腐蚀:电偶腐蚀、杂散电流腐蚀、浓差电池腐蚀。如:潮湿空气中的大气腐蚀,酸、碱、盐溶液和海水中腐蚀,土壤腐蚀,不同金属接触处的腐蚀,其它电解质溶液中的腐蚀。0.5、影响金属锈蚀的主要因素0.5.1、金属锈蚀的内部因素从热力学角度而言,金属和它的腐蚀产物相比,具有较高的能量
5、,是不稳定的,有自发的向低能量的腐蚀产物转化的趋势,即金属发生锈蚀是自然现象。工业中绝大多数的金属是多组分的合金,金相组织不同、含有杂质、机加工变形不均匀、应力分布不均匀等,这些物理的、化学的和电化学的不均匀性,当表面遇到腐蚀介质或表面形成水膜,不可避免地会发生化学或电化学腐蚀。0.5.2、金属腐蚀的外部因素相对温度的影空气中相对湿度越高,金属表面水膜越厚,空气中的氧透过水膜到金属表面作用。相对湿度达到一定数值时,腐蚀速度大幅上升,这个数值称为临界相对湿度,钢的临界相对湿度约为70%。温度的影响环境温度与相对湿度关联,干燥的环境(沙漠)下,气温再高金属也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时,温度
6、的影响明显加剧,温度每增加10,锈蚀速度提高两倍。因此,在湿热带或雨季,气温越高,锈蚀越严重。氧气的影响没有水和氧气,金属就不会生锈,空气中20%体积是氧气,它是无孔不入的。大气其它物质的影响大气中含有盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘时,会加速腐蚀,因此,不同环境下受腐蚀的大小差别是明显的,城市高于农村;工业区高于生活区;沿海高于内陆;高粉尘高于低粉尘。0.5.3、加工过程中的锈蚀因素原材料已锈蚀,加工后未能完成去除;加工中接触了切削液,润滑剂等工艺材料;酸洗后中和清洗不当;热处理氧化脱碳或残盐清洗不净;检查、搬运和装配时操作者留下的手汗;去应力或去氢退火不当;工序间和封存防锈不适宜等。 0.6、
7、防止金属生锈的主要方法0.6.1、选择耐蚀材料主要是采用有色金属合金和不锈钢。0.6.2、金属表面预制金属(合金)或非金属覆盖层1转化膜:发黑(发蓝)、磷化、阳极氧化;2表面合金化:渗氮、渗锌、渗硅、渗铝、渗铬等;3金属覆盖层:电镀金属、喷涂金属、热浸镀、化学镀等;4非金属覆盖层:搪瓷、陶瓷、油漆、塑料、橡胶等;5涂覆防锈材料:防锈水、切削液、气相缓蚀剂、可剥塑料、防锈油、防锈脂等。0.6.3、阴极保护法以牺牲阳极而保护阴极的电化学法。如在海水中,以镁块作阳极与钢板联在一起,通以电流使钢板变成阴极得以保护。地下管道和化工设备,也是外另一个阳极并通电使钢件(阴极)得到保护。0.6.4、控制环境防
8、蚀采用除湿机和加湿降低温度,相对湿度控制在低于6070%,金属锈蚀减慢;相对湿度低于60%时,非金属不会发霉变质;充氮或真空包装封存可延缓锈蚀;包装内置缓蚀剂;钢铁制品在电炉加热(高温)时,炉内形成保护气氛或真家加热。综上所述,防止金属锈蚀的方法很多,应考虑诸多因素后判断选择,如:零件的工作环境、零件的服役条件、生产的安全性、对环境的污染程度、制造成本等。 1、应具备三防意识 “三防”意识很重要,三防设计的失误不会马上表现出来,所以很难采取补救措施,一旦产品在使用过程中出现三防问题将很严重。必须意识到:产品三防性能是产品功能的重要组成部分,结构件三防设计质量是结构件设计质量的重要组成部分,三防
9、性能指标是产品的一项不可忽视的非常重要的指标。2、术语和定义2.1 三防:即防湿热、防霉菌、防盐雾。(其最终目的是防止腐蚀)2.2 型结构件:指当设备处于工作状态时,零件表面直接暴露在自然环境中,并且会受到雨、冰雹、雪、日光照射和风沙的直接作用的结构件。2.3 型结构件:指当设备处于工作状态时,零件表面不直接暴露在自然环境中,或不会受到雨、冰雹、雪、日光照射和风沙的直接作用的结构件。2.4 拉丝:是一种用砂带进行磨削的加工方式。通过砂带对金属表面进行磨削加工,去除金属表面缺陷,并形成具有一定粗糙度、纹路均匀的装饰表面。二、结构设计中的“三防”设计1. 设计准则产品设计前,根据设备预期的环境条件
10、及其“三防”等级,提出需解决的关键性课题,使“三防”贯彻到产品设计之中,其中包括: (1)正确选用材料,包括金属材料、非金属材料; (2)合理的结构设计和可行的加工工艺; (3)合理选择金属镀层和化学覆盖层; (4)选用有效合理的防护体系。2. 设计内容安装的电子设备,针对其使用环境,具体的“三防”设计有以下几方面:2.1 材料选择材料选用的合理性不但影响设备的耐候性,还影响设备的使用和制造成本。不锈钢材料较铁合金材料有较高的耐候性,虽其价格较高,但其表面处理难度和费用较铁合金材料低得多(约低100元/m2)。因此,从性价比来考虑,比表面较大的薄板件(3mm以下)和接头、铰链等摩擦部位一般推荐
11、使用耐候材料。在结构设计中,优选经认证或经多年实践证明是可靠的金属材料和非金属材料。对选用的新材料,特别注意考虑其可靠性、工艺稳定性、供应的可能性。在电子设备中的材料选择中,主要从以下方面进行论述:1)铝合金屏蔽盒的材料选择在结构件设计中,屏蔽盒的材料常选用硬铝LY12-CZ,该材料属于铝-铜-镁系合金,该合金的耐蚀性能比防锈铝低。防锈铝LF6,该材料属于铝-镁系合金,该合金耐蚀性好,与纯铝耐蚀性相近。在工业城市和海洋大气中均有较高的耐腐蚀性,在淡水、海水、有机酸、乙醇、汽油及浓硫酸中的耐腐蚀性也很好。将材料硬铝LY12-CZ和防锈铝LF6-R在导电氧化后作盐雾试验,LY12-CZ在48h后即
12、开始长出白色腐蚀斑点,防锈铝LF6-R在168h后才开始腐蚀。因此,在屏蔽盒设计中,尽可能选用防锈铝LF6,当必需用硬铝LY12-CZ时,在导电氧化后应将不需导电的部分进行保护。2)印制板基材的选择印制板基材选用性能较好的FR-4型覆铜板,其电性能和工艺性能以及吸湿性明显优于普通板材。3)密封橡胶材料橡胶密封材料除对耐油性有要求的密封件选用丁晴橡胶外,一般的密封圈尽量选用高抗撕硅橡胶FG-50。4)导电橡胶条(圈)为兼顾系统对设备的电磁兼容性要求,在面板、后门、转接板和机柜搭接处或盒体及其盖板搭接处的密封橡胶条,选用导电橡胶条(圈)。通常选用硅橡胶基材的,其中填充的导电微粒有纯银、碳黑、铜镀银
13、、铝镀银、定向金属丝、石墨等。定向金属丝(蒙乃尔合金)导电橡胶条(圈)的电磁屏蔽原理是橡胶条的定向金属丝刺破金属表面的氧化层,从而实现2个零件间的电接触,它具有很好的电磁屏蔽性。但在与铝、钢件接触时会产生电化偶腐蚀,不宜选用。在纯银、铜镀银、铝镀银等填充微粒的硅橡胶导电橡胶条(圈)中,铝镀银导电橡胶条(圈)能达到很好的导电性,提供较高的屏蔽效果,并且电化偶腐蚀最小,同时能提供较好的水汽密封。2.2 合理的结构形式和表面镀涂层设计结构形式对设备耐候性的影响非常大,不良的结构形式是一种先天性缺陷,很难在以后弥补。结构设计的同时就要考虑所设计的材料和结构形式有没有表面处理等工艺技术的支持。对于良好的
14、结构设计,不会积水藏灰,没有缝隙尖角,结构简洁流畅,防护处理有方。在电子设备的结构设计中,设计是否合理,对环境适应能力的影响最大,也最主要。1)对于电子设备,机柜设计是提高电子设备可靠性的重要环节。现有的机柜设计有2种: 敞开式机柜空气中的盐雾、尘埃、霉菌和潮气等有害物质均可能侵入机柜内部,对电子元器件构成危害,尤其是在高湿、高盐雾、高温的恶劣环境下,这种危害将更加突出。密闭机柜能较好地改善外界有害物质的侵入,但无法真正达到密闭,所以密闭机柜不可避免地存在凝露问题。只要机柜内存在潮气,当机内温度低于凝露温度时,凝露的产生将不可避免。凝露现象将产生腐蚀,影响电气性能或烧坏元器件,更严重的是降低绝
15、缘电阻,甚至出现短路。要解决密闭机柜这一问题,需要复杂的背附式气液热交换器的冷却系统。半密封机柜1)为避免密闭机柜和敞开式机柜的缺点,在电子设备中采用半密封防滴式设计,它适用于无空调舱室,有冷凝水、滴水舱室或类似场所。具体措施是:在机柜顶部开口处采用密封处理,以防止滴水进入机柜内部;面板、后门、转接板和机柜搭接处采用橡胶条(圈)密封;底部设置有通风孔,后门板上开设百页窗。2)结构上尽量避免积水结构,在可能积水和留存湿气的空间,应开设排水孔和排气孔,并避免凹凸不平的平面。3)铸铝零件重点在于涂覆防护。其外表面的涂层体系设计为:喷砂-导电氧化-喷涂麦道底漆12道-喷涂丙烯酸聚氨酯面漆12道,涂层厚
16、度室内设备大于60m,室外设备大于120m。零件内壁除螺纹和有接地要求的部位外,喷涂聚氨酯漆。4)除螺纹外钢件的镀锌层厚度大于等于30m,并进行钝化处理。5)结构上避免2个零件进行焊接后再作电镀处理。6)尽量采用相同的金属接触,以防止电化偶腐蚀,如必需2种金属接触时,选用电偶值接近的金属。在设计电子设备时,要求电化偶差值应控制小于0.25V。7)由于在金属电化偶中,阳极指数较高的金属对阳极指数较低的金属来说是阳极,当存在电介质时,阳极金属易于遭到腐蚀。如阴极零件的面积明显地大于阳极零件,则阳极零件接触表面的腐蚀会加剧,因此选择金属间接触零件材料(镀层)时,将小零件确定为电化偶中的阴极零件。2.
17、3 选择有效的防护体系1)印制电路板的“三防”处理印制电路板要求印制阻焊膜, 电装调试完后,一般印制板组装调试结束后其两面喷涂“三防”漆12次,印制板两面作“三防”处理,低频喷涂聚氨酯漆S01-3。针对工作在L波段的高频电路及电路板,SD1-3漆无法满足要求,为解决该类电路板在高温、高湿下的防护特殊要求,在经过大量的论证、各种比较试验后,选用新型的高频弹塑性涂覆料GA-C系有机硅树脂,它具有优良的高频电性能,与F4B(聚四氟乙烯玻璃纤维板)基板的附着力较好,涂覆于F4B基板经-65+125 50次循环温度冲击不开裂,不脱层,它的抗腐蚀性能等同于美国的DC-12577涂料。2)模块的防护钳装后,
18、除插头座、接地面等外,单元模块外表面喷涂氨酯漆S01-3。3)电缆附件防护密封和半密封插头的电缆在插头和电缆的连接处套热缩套管。装有密封插头的电缆应灌硅橡胶,再套热缩套管密封处理。4)整机的“三防”处理整机机柜在调试完毕后,除需导电的部分及已作了防护处理的零部件外,其余部分,包括裸露的金属连接点的周围喷涂氨酯漆S01-3等。2.4、完整、可靠的表面处理及改善环境条件表面处理层是阻止腐蚀、老化的屏障,尖角、缝隙处是表面处理最忌讳的地方。恰当地运用表面处理工艺是提高材料耐候性的重要手段。当环境的湿度低于65时,绝大多数金属的腐蚀速度都会迅速下降,甚至可以不考虑施加防护措施,因此如果控制了环境的湿度
19、,防护变得很简单。如高频电路的防护目前还没有更好的办法,采取密封的方式,将电路与大气隔绝,腐蚀介质就得不到更新,腐蚀就得到了控制。环境控制必须考虑产品生命周期的全过程,如工作方舱的空调系统可以降低方舱内的湿度,但如果在非工作期间(运输、储存、停机)方舱内的湿度和环境就区别不大,因此机箱、机柜、插件等的三防处理很必要。最后将三防技术总结成四句话:优化结构,优选材料;表面处理,密封干燥。3、三防设计要求3.1三防设计总则在产品设计的全过程中应始终注意腐蚀控制问题,即在方案论证、技术设计、材料与工艺选择、研制和生产过程中都要考虑腐蚀及其控制。产品设计时,主要从以下方面综合考虑腐蚀控制问题:环境条件、
20、结构设计、材料选择、金属腐蚀与预防、表面防护、有效的防护包装。在开始结构设计时,首先要了解或定位产品的工作环境(包括自然环境和诱发环境)、产品的使用期限(普通通信产品的三防有效寿命为十年),确定产品中各部位结构件的类型,再根据零件的功能目的进行详细的选择、设计。在详细设计过程中,每一个零件都需从结构形状、受力状态、材料、表面防护层、生产加工、装配、储存运输、工作寿命等以及与其相关的环境条件加以考虑,以使零件既能满足功能需求、又能达到最佳的防腐蚀状态、并使整个产品能通过三防试验评价。对于以前产品上未应用过的新材料或新工艺,必须先经过相应的技术认证和工艺试验、并得到生产验证可行后才可在产品上使用。
21、3.2 结构件分类按照产品工作时所处的自然环境,将结构件分为型结构件和型结构件两类。处安装在室外的设备外表零件外,大多数零件大都属于型结构件。(自然环境因素包括温度、湿度、雨、雪、冰雹、含盐大气、工业大气、日光直接照射、尘埃、风沙等。)3.3 结构形状与尺寸合理的结构设计可以使产品的腐蚀减至最小。设计时,不仅要考虑零件本身的结构,同时还应考虑其与本系统中其它零件相互之间的关系,即考虑产品的整体结构。避免不均匀和多项性,不同的金属、气相空间、热和应力分布不均匀、以及体系中各部位间其它差别,都会引起腐蚀破坏。因此,设计时应努力使整个体系的所有条件尽可能均匀一致。以下对需注意的事项作详细说明:3.3
22、.1 避免尖角(特别是凸出的棱角)也要避免尖锐的凹角,可能的话,拐角处尽量做成流线型、且内角半径尽可能大(一般折弯半径不能低于0.5,厚度低于1.0的薄板折弯半径不能低于0.3);可能时,应规定加工精度、切口尖角度(或毛刺高度)、倒内圆角尺寸等。3.3.2 避免凹凸不平的平面由于“拉丝”或“喷砂”都是使表面粗化而形成一定的装饰纹路,因此除非确实有装饰需要,否则不建议采用“拉丝”或“喷砂”处理;而且只允许在铝材、不锈钢材料表面应用。(目前装饰用的拉丝或喷砂表面粗糙度分别为:拉丝Ra为2.23.4m;喷砂Ra为1.51.8m。)应规定预防划痕的措施:规定表面的不平度;规定在制造过程中避免产生深的加
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