典型螺栓/螺母裝配件濕熱海洋大氣 環(huán)境適應(yīng)性研究

張世艷，張倫武，楊小奎，吳帥，周堃，符朝旭,2

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海南大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家 野外科學(xué)觀測(cè)站，海南 萬(wàn)寧 571500）

隨著對(duì)武器裝備通用化、系列化、組合化（模塊化）要求的日益提高，緊固件在宇航、飛機(jī)、坦克、艦船等武器裝備中的使用范圍越來(lái)越廣，使用量越來(lái)越大[1-2]。合金鋼螺栓、螺母等作為最常用的緊固件，通常用于軍用飛機(jī)起落架等關(guān)鍵承力部位，發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，隨著我國(guó)東南沿海軍事戰(zhàn)略地位的提升，軍用飛機(jī)在惡劣濕熱海洋大氣環(huán)境中的使用頻次更高，面臨的服役環(huán)境更惡劣，對(duì)緊固件等關(guān)鍵部件的環(huán)境適應(yīng)性要求更高。濕熱海洋大氣環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧、高太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)，會(huì)加速飛機(jī)緊固件的腐蝕或破壞，引發(fā)緊固件的腐蝕、松動(dòng)和脫落，導(dǎo)致飛機(jī)承力部位性能下降甚至功能喪失，造成嚴(yán)重的后果[2-5]。

螺栓/螺母裝配是一種常見(jiàn)的緊固件裝配形式，由于螺栓、螺母的材料和表面處理工藝的不同，其自腐蝕電位存在差異，在大氣環(huán)境中電解質(zhì)的作用下容易形成電偶腐蝕。其中，負(fù)電位側(cè)的腐蝕進(jìn)程被促進(jìn)，正電位側(cè)的腐蝕進(jìn)程被抑制，即陰極保護(hù)。陰、陽(yáng)極自腐蝕電位差值越大，電偶腐蝕作用越明顯[6-10]。目前對(duì)螺栓/螺母裝配件的電偶腐蝕研究主要通過(guò)模擬鹽霧環(huán)境等實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)進(jìn)行[11-19]，而對(duì)其在實(shí)際自然環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性研究鮮有報(bào)道。因此，文中主要針對(duì)飛機(jī)用螺栓/螺母裝配件，在海洋大氣環(huán)境中開(kāi)展為期24個(gè)月的自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，通過(guò)環(huán)境掃描電鏡（SEM）、電化學(xué)試驗(yàn)、力矩測(cè)試，研究螺栓/螺母裝配件在濕熱海洋大氣環(huán)境下的腐蝕行為和力矩變化規(guī)律，為濕熱海洋大氣環(huán)境中裝備的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)、維修維護(hù)提供必要的技術(shù)支持和理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝配件制備

常用于國(guó)內(nèi)航空裝備的螺栓、螺母是典型的緊固件產(chǎn)品，由一種螺栓試驗(yàn)件和三種螺母試驗(yàn)件分別組成三種裝配件，詳見(jiàn)表1。30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓試驗(yàn)件制造標(biāo)準(zhǔn)為HB 7410—96《MJ螺紋六角頭螺栓》，30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺母和30CrMnSiA鍍鋅鈍化螺母制造標(biāo)準(zhǔn)為HB 8232—2002《MJ螺紋六角厚自鎖螺母》，0Cr16Ni6鈍化螺母制造標(biāo)準(zhǔn)為HB 8269—2002《MJ螺紋六角厚自鎖螺母》。

表1 試驗(yàn)用螺栓、螺母裝配件 Tab.1 Experimental assembly parts used in this study

1.2 濕熱海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)

依托能代表濕熱海洋大氣環(huán)境的海南萬(wàn)寧大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，開(kāi)展裝配件的自然環(huán)境戶(hù)外暴露試驗(yàn)[20-21]。試驗(yàn)方法參照GB/T14165—2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》。試驗(yàn)時(shí)間為24個(gè)月，在試驗(yàn)周期分別為6、12、18、24個(gè)月時(shí)各取樣5件，分別用于腐蝕產(chǎn)物分析（1件）和力學(xué)性能測(cè)試（4件）。

1.3 試樣檢測(cè)與分析

1）腐蝕形貌：首先觀察樣品宏觀腐蝕形貌，然后采用Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

2）力矩測(cè)試：采用CTT1202電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的最大擰出力矩。

1.4 電化學(xué)測(cè)試

采用普林斯頓Model 263A恒電位儀測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，測(cè)試溶液為5%NaCl溶液。采用雙電極體系進(jìn)行電偶腐蝕電流測(cè)試，螺栓、螺母的測(cè)試區(qū)域如圖1所示。分別留取一定面積區(qū)域作為測(cè)試區(qū)，其余表面用聚四氟乙烯套環(huán)夾具和硅橡膠進(jìn)行密封。根據(jù)GB 5267《緊固件電鍍層》附錄G“螺栓、螺釘和螺母的表面積”，計(jì)算得出螺栓、螺母的電偶測(cè)試區(qū)面積分別為561.1 mm2和491.5 mm2。

圖1 螺栓-螺母電偶腐蝕測(cè)試區(qū)域 Fig.1 Test regions of the bolt and nut for galvanic corrosion

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀腐蝕形貌

萬(wàn)寧戶(hù)外暴露試驗(yàn)24個(gè)月的螺栓、螺母裝配組合件宏觀腐蝕形貌如圖2所示。可見(jiàn)，在萬(wàn)寧站戶(hù)外暴露24個(gè)月后，組合A、組合B螺栓表面出現(xiàn)變色，無(wú)腐蝕現(xiàn)象發(fā)生；組合B螺母表面鍍鋅層出現(xiàn)大面積白色腐蝕產(chǎn)物；組合C螺栓的外露螺紋區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，腐蝕面積超過(guò)50%；非裝配狀態(tài)下，30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓基體在萬(wàn)寧戶(hù)外暴露期間無(wú)腐蝕。裝配狀態(tài)的組合C與非裝配狀態(tài)相比，螺栓出現(xiàn)較為嚴(yán)重的基體銹蝕，其原因?qū)⒃诤罄m(xù)的電化學(xué)分析部分詳細(xì)闡述。

圖2 裝配組合件萬(wàn)寧戶(hù)外暴露24個(gè)月后宏觀腐蝕形貌 Fig.2 Macroscopic corrosion morphology of assembly parts after 24 months Wanning outdoor exposure: a) assembly A; b) assembly B; c) assembly C; d) non-assembly bolt

2.2 微觀腐蝕形貌

對(duì)組合C螺栓進(jìn)行微觀形貌分析，如圖3所示。由圖3可知，萬(wàn)寧戶(hù)外暴露試驗(yàn)12個(gè)月和24個(gè)月后，裝配狀態(tài)下30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓的基體外露螺紋部位出現(xiàn)的腐蝕產(chǎn)物主要呈現(xiàn)出沙粒狀（γ-FeOOH）、球狀（γ-FeOOH）、顆粒狀（γ-FeOOH）形貌。同時(shí)，高倍圖像形貌顯示，球狀結(jié)構(gòu)的周?chē)胁糠轴槧罨蝽殸睿é?FeOOH）的腐蝕產(chǎn)物。

圖3 組合C螺栓萬(wàn)寧戶(hù)外暴露12、24個(gè)月螺紋腐蝕產(chǎn)物微觀形貌 Fig.3 Microstructure of thread corrosion products of assembly C after 24 months Wanning outdoor exposure: a)12 months,1000×; b) 12 months,4000×; c)24 months,1000×; d)24 months,4000×

2.3 螺栓-螺母電偶腐蝕電化學(xué)分析

電偶腐蝕電流是最能直接表征電偶效應(yīng)的參量。分別測(cè)試了三種螺栓-螺母組合試驗(yàn)件的電偶電流，組合A、組合B將螺母與工作電極線(xiàn)相連進(jìn)行測(cè)試；組合C將螺栓與工作電極線(xiàn)相連進(jìn)行測(cè)試。三種螺栓-螺母組合的電偶腐蝕電流測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，3種組合的電偶腐蝕電流實(shí)測(cè)值均在零軸下方，說(shuō)明與工作電極線(xiàn)相連的一端為電偶腐蝕陽(yáng)極，即組合A、組合B對(duì)應(yīng)的螺母為腐蝕陽(yáng)極，組合C中的螺栓為腐蝕陽(yáng)極，這導(dǎo)致組合A和組合B的螺母、組合C的螺栓腐蝕被加速，而相應(yīng)的裝配件腐蝕被減緩或抑制，即被保護(hù)。對(duì)比三種組合下的電偶腐蝕電流可知，組合C對(duì)應(yīng)的電偶腐蝕電流絕對(duì)值最大，約為100 μA，組合B次之，約為37 μA，組合A最低，約為0.6 μA，這說(shuō)明組合C的電偶效應(yīng)最顯著，而組合A的電偶效應(yīng)最弱。

圖4 三種組合件電偶腐蝕電流測(cè)試結(jié)果 Fig.4 Galvanic corrosion currents test results of the three assembly parts: a) assembly A; b) assembly B; c) assembly C

根據(jù)上述測(cè)得的電偶電流結(jié)果，分別對(duì)不同組合的螺栓螺母進(jìn)行面積的相除，即得到螺栓螺母在不同組合下的電偶腐蝕電流密度。參照HB 5374—1987《不同金屬電偶電流測(cè)定方法》中給出的電偶腐蝕敏感性評(píng)定分級(jí)方法，根據(jù)計(jì)算所得的電偶腐蝕電流密度，即可對(duì)三種螺栓-螺母組合中的電偶腐蝕陽(yáng)極進(jìn)行電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)。

三種組合件中螺栓的電偶腐蝕電流密度變化曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知，組合A中螺栓的電偶腐蝕電流密度接近于0，說(shuō)明組合A的電偶效應(yīng)不明顯；組合B中螺栓的電偶腐蝕電流密度值為負(fù)值，說(shuō)明組合B中螺栓為電偶陰極，腐蝕被保護(hù)；組合C中螺栓的電偶腐蝕電流密度為正值，說(shuō)明組合C中螺栓為電偶腐蝕陽(yáng)極，腐蝕進(jìn)程被加速。

圖5 三種組合件中螺栓的電偶腐蝕電流密度 Fig.5 Galvanic corrosion currents for bolts of the three assembly parts

三種組合件中螺栓的電偶腐蝕電流密度穩(wěn)定值以及對(duì)應(yīng)的電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)見(jiàn)表2。組合C中與鈍化螺母相連的鍍鎘鈍化螺栓為腐蝕陽(yáng)極，對(duì)應(yīng)的電 偶腐蝕電流密度約為18.9 μA/cm2，電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)為E級(jí)。

表2 三種組合件中螺栓的電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)結(jié)果 Tab.2 Galvanic corrosion sensitivity ratings for bolts in the three assembly parts

不同組合下螺母的電偶腐蝕電流密度如圖6所示。由圖6可知，組合A中螺母電偶腐蝕電流密度接近為0，進(jìn)一步說(shuō)明組合A的電偶效應(yīng)不明顯；組合B中螺母電偶腐蝕電流密度值為正值，說(shuō)明組合B 中螺母為電偶腐蝕陽(yáng)極，腐蝕被加速；組合C中的螺母電偶腐蝕電流密度為負(fù)值，說(shuō)明組合C中的螺母為電偶腐蝕陰極，腐蝕被抑制。

圖6 三種組合件中螺母的電偶腐蝕電流密度 Fig.6 Galvanic corrosion current density for nuts in the three assembly parts

不同組合下螺母的電偶腐蝕電流密度穩(wěn)定值以及對(duì)應(yīng)的電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)見(jiàn)表3。由表3可知， 組合A和組合B的螺母均為電偶腐蝕陽(yáng)極，其中組合A中螺母電偶腐蝕電流密度約為0.12 μA/cm2，對(duì)應(yīng)電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)為A級(jí)；組合B中螺母電偶腐蝕電流密度約為7.6 μA/cm2，對(duì)應(yīng)電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)為D級(jí)。

表3 三種組合件中螺母的電偶腐蝕敏感性評(píng)級(jí)結(jié)果 Tab.3 Galvanic corrosion sensitivity ratings for nuts in the three assembly parts

2.4 最大擰出力矩

裝配狀態(tài)下合金鋼螺栓與螺母組合件在萬(wàn)寧暴露期間的最大擰出力矩變化如圖7所示。可見(jiàn)，萬(wàn)寧站戶(hù)外暴露期間，組合A、組合B最大擰出力矩呈波動(dòng)變化趨勢(shì)；組合C最大擰出力矩呈單調(diào)增加趨勢(shì)，戶(hù)外暴露24個(gè)月后，最大擰出力矩增加53%。螺栓與螺母裝配件的最大擰出力矩（180°～210°）同螺母-螺栓螺紋間的摩擦力大小直接相關(guān)，螺栓螺母連接區(qū)域的基體銹蝕會(huì)造成螺母-螺栓螺紋間的摩擦力增加。

圖7 螺栓和螺母裝配件萬(wàn)寧戶(hù)外暴露最大擰出力矩 Fig.7 The maximum torque of the three assembly parts during Wanning outdoor exposure test

3 結(jié)論

1）組合C電偶腐蝕電流絕對(duì)值最大，約為100 μA/cm2，組合B次之，組合A最低，這表明組合C電偶效應(yīng)最顯著，而組合A電偶效應(yīng)最弱。裝配件組合電偶腐蝕效應(yīng)大小順序?yàn)椋航M合C>組合B>組合A。

2）合金鋼螺栓和螺母的裝配會(huì)導(dǎo)致電偶腐蝕效應(yīng)，在濕熱海洋大氣環(huán)境中有明顯的腐蝕現(xiàn)象。非裝配狀態(tài)下30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓在萬(wàn)寧戶(hù)外暴露期間沒(méi)有出現(xiàn)基體腐蝕現(xiàn)象，而裝配狀態(tài)下組合C在萬(wàn)寧戶(hù)外暴露期間基體銹蝕較為嚴(yán)重。主要原因是在鍍鎘鈍化螺栓+鈍化螺母組合中，鈍化螺母作為電偶陰極，抑制了腐蝕進(jìn)程；鍍鎘鈍化螺栓作為電偶陽(yáng)極，加速了腐蝕進(jìn)程，且腐蝕電流密度較高。

3）萬(wàn)寧站戶(hù)外暴露期間，組合A、組合B最大擰出力矩呈波動(dòng)變化趨勢(shì)；組合C最大擰出力矩呈單調(diào)增加趨勢(shì)，戶(hù)外暴露24個(gè)月后，最大擰出力矩增加了53%。其主要原因是螺栓螺母連接區(qū)域的基體銹蝕造成螺母-螺栓螺紋間的摩擦力增加。