史特牢轉(zhuǎn)載

　　作者：鄒士文1, 許文1, 盧松濤2, 邵與君1, 王宇寧1 （1 航天材料及工藝研究所 北京 100076，2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

　　緊固件是做緊固連接用且應(yīng)用極為廣泛的一類機(jī)械零件,通常包括螺栓、螺母、墊圈、擋圈和組合件等。高強(qiáng)緊固件是指高比強(qiáng)度的一類緊固件,通常同時具備優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的耐高低溫特性等[1,2,3],廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶和地面武器裝備等國防工業(yè)[4,5,6]。高強(qiáng)緊固件的可靠性直接關(guān)系整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)而影響總體安全性,一直受到工程設(shè)計(jì)人員的高度重視。長期以來,設(shè)計(jì)人員比較重視高強(qiáng)緊固件的疲勞壽命、斷裂韌性、耐沖擊性能、氫脆機(jī)制和應(yīng)力應(yīng)變性能等[7,8,9,10],對腐蝕失效、尤其是沿海/臨海環(huán)境下的高強(qiáng)緊固件環(huán)境適應(yīng)性研究較少。隨著我國工程建設(shè)需要以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)人員對高強(qiáng)緊固件的環(huán)境適應(yīng)性問題的認(rèn)識逐步深入,對高強(qiáng)緊固件的防護(hù)要求越來越高。通常用作高強(qiáng)結(jié)構(gòu)緊固件的材料包括合金結(jié)構(gòu)鋼、高溫合金和鈦合金等。一般情況下不銹鋼、高溫合金和鈦合金等材料表面會生成一層致密的氧化膜起防腐蝕的作用,但是在高溫、高濕、高鹽和雨淋等惡劣環(huán)境中或者由于摩擦導(dǎo)致氧化膜破裂或發(fā)生縫隙腐蝕的情況下,材料的耐腐蝕性將大幅降低。在實(shí)際工程應(yīng)用中,有時為了滿足特殊需要,要求高強(qiáng)結(jié)構(gòu)緊固件能夠滿足短時間暴露于海洋淋雨潮濕環(huán)境中的需求,緊固件材料存在不可預(yù)見的腐蝕傾向,并由此帶來技術(shù)風(fēng)險。因此,必須開展高強(qiáng)緊固件的腐蝕性評價并采取有效的防護(hù)措施,以保證其環(huán)境適應(yīng)性滿足系統(tǒng)安全性要求。本文旨在探討典型高強(qiáng)緊固件在海南雨水環(huán)境下的短期腐蝕行為及防護(hù)方法。

　　1 實(shí)驗(yàn)方法

　　

　　采用30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料制成的高強(qiáng)緊固件作為試驗(yàn)件,并對緊固件表面進(jìn)行不同表面處理和涂覆醇酸清漆等涂層。不同材料緊固件的表面處理方式詳見表1。

　　將螺栓 (M10)、螺母 (M10)、夾持件和墊圈等按照圖1的形式進(jìn)行安裝,形成組合體后,對緊固件施加35 N?m定力矩;對于刷涂層處理緊固件,螺栓、螺母的表面安裝前刷涂醇酸清漆涂層,刷涂后靜置24 h后進(jìn)行裝配,形成組合體后,緊固件施加35 N?m定力矩,整體再次刷涂醇酸清漆涂層。每種試驗(yàn)件分為三個類型：無表面處理、有表面處理、有表面處理且有涂層,并根據(jù)類型進(jìn)行編號。將同種材料同種狀態(tài)緊固件試樣5個一組,懸掛于500 mL燒杯中,利用海南距海1 km地域采集的雨水溶液對試樣進(jìn)行恒溫懸浮浸泡,保持雨水溶液溫度 (35±3) ℃,取樣周期為4,24,48,96和168 h。實(shí)驗(yàn)前后分析雨水溶液成分,主要檢測Cl-、SO42-的濃度以及pH值。

　　

　　將緊固件試樣直接放置在海南距海1 km地域的平臺位置處,直接暴露在熱帶海洋大氣環(huán)境中,取樣周期為7,10 和20 d,按周期取樣后送回實(shí)驗(yàn)室檢測力學(xué)性能。

　　對海南雨水環(huán)境浸泡定力矩實(shí)驗(yàn)和海南真實(shí)大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)前后的緊固件進(jìn)行拉斷力測試,記錄力-位移曲線。對比同類試驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)后的拉斷載荷與實(shí)驗(yàn)前的拉斷載荷,拉斷后對斷口進(jìn)行宏觀形貌分析。拉斷力測試參照《GJB 715.23A-2008 緊固件實(shí)驗(yàn)方法拉伸強(qiáng)度》執(zhí)行。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 海南雨水成分分析

　　分別對海南雨水浸泡實(shí)驗(yàn)前后的雨水成分進(jìn)行Cl-、SO42-的濃度以及pH值測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,結(jié)果表明,浸泡30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)件的海南雨水在實(shí)驗(yàn)前后成分變化很小,說明緊固件材料對雨水成分影響很小,同時證明浸泡實(shí)驗(yàn)過程中腐蝕性離子與緊固件沒有發(fā)生明顯反應(yīng)。

　　

　　2.2 形貌分析

　　分別對不同表面狀態(tài)下30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)件在海南雨水浸泡和海南雨淋大氣環(huán)境下暴露不同時間后的宏觀形貌進(jìn)行對比分析。

　　2.2.1 30CrMnSiA緊固件 從圖2中可以看到不同表面狀態(tài)下30CrMnSiA材料的緊固件在雨水浸泡不同時間后的宏觀形貌：實(shí)驗(yàn)4 h,未進(jìn)行表面處理的緊固件螺桿和頭部出現(xiàn)局部紅銹 (見圖3a);實(shí)驗(yàn)24 h,未進(jìn)行表面處理的緊固件螺桿和頭部紅銹面積增大;實(shí)驗(yàn)48 h,未進(jìn)行表面處理的緊固件螺栓頭部紅銹加重,未進(jìn)行表面處理、進(jìn)行Fe/Ep.Zn7.c2C (電鍍彩鋅) 處理 (見圖2b) 和flZnAl12 (鋅鋁達(dá)克羅) 處理 (見圖2d) 的螺栓緊固件的配套螺母 (Fe/Ep.Zn7.c2C處理) 表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。通過跟蹤實(shí)驗(yàn)過程中緊固件表觀形貌變化可以得出,30CrMnSiA在雨水環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕,實(shí)驗(yàn)開始1 h即出現(xiàn)明顯紅銹,在表面進(jìn)行Fe/Ep.Zn7.c2C和flZnAl12處理后,30CrMnSiA的耐蝕性得到提升,但在實(shí)驗(yàn)48 h后Fe/Ep.Zn7.c2C處理后的螺栓表面依然出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)168 h后flZnAl12處理后的螺栓表面同樣出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象,所以30CrMnSiA表面必須進(jìn)行涂覆清漆處理。對拉斷實(shí)驗(yàn)后的螺栓斷口進(jìn)行觀察,未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋源和特征形貌,說明緊固件在雨水浸泡168 h實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

　　

　　圖2 30CrMnSiA緊固件雨水浸泡實(shí)驗(yàn)后的表觀形貌

　　Fig.2Morphologies of 30CrMnSiA fasteners after rain-water immersion test: (a) without surface treatment; (b) Fe/Ep.Zn7.c2C; (c) Fe/Ep.Zn7.c2C+alkyd resin varnish; (d) flZnAl12; (e) flZnAl12+alkyd resin varnish; (f) fracture morphology

　

　　圖3 30CrMnSiN2A緊固件雨水浸泡實(shí)驗(yàn)后的表觀形貌

　　Fig.3 Morphologies of 30CrMnSiN2A fasteners after rain-water immersion test: (a) without surface treatment; (b) flZnAl12; (c) flZnAl12+alkyd resin varnish; (d) 168 h immersion

　　通過對比海南真實(shí)大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)的試樣宏觀形貌發(fā)現(xiàn),暴露實(shí)驗(yàn)和浸泡實(shí)驗(yàn)后材料表面的腐蝕形貌具有相似性,暴露10 d后的試樣腐蝕情況與雨水浸泡168 h的試樣表面腐蝕程度相當(dāng),證實(shí)了室內(nèi)雨水浸泡環(huán)境與真實(shí)海洋環(huán)境有相關(guān)性。

　　2.2.2 30CrMnSiNi2A緊固件 從圖3中可以看到不同表面狀態(tài)下30CrMnSiNi2A材料的高強(qiáng)緊固件在雨水浸泡不同時間后的宏觀形貌：實(shí)驗(yàn)48 h,無表面處理的30CrMnSiN2A緊固件的螺栓頭部出現(xiàn)紅銹 (見圖3a),隨著時間延長,銹蝕加重。通過跟蹤實(shí)驗(yàn)過程中緊固件表觀形貌變化可以得出,對于30CrMnSiN2A材料的緊固件,不進(jìn)行表面處理的螺栓表面在實(shí)驗(yàn)48 h后出現(xiàn)紅銹 (見圖3a);進(jìn)行flZnAl12處理后的螺栓耐蝕性得到提升 (見圖3b),實(shí)驗(yàn)168 h后螺栓頭部沒有出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象,但是試樣表面光澤度下降,螺紋處則出現(xiàn)微小點(diǎn)蝕坑,但沒有紅銹出現(xiàn);進(jìn)行flZnAl12處理并涂漆的緊固件在實(shí)驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

　　2.2.3 GH4169緊固件 從圖4中可以看到不同表面狀態(tài)下GH4169材料的高強(qiáng)緊固件在海南雨水浸泡不同時間和海南大氣暴露20 d后的宏觀形貌。清洗態(tài)、Ct.P (鈍化處理) 和Ct.P處理并涂醇酸清漆涂層的GH4169螺栓,脈沖陽極化并涂MoS2的GH4169螺母在雨水浸泡實(shí)驗(yàn)和海南大氣暴露實(shí)驗(yàn)整個實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均沒有出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象,說明GH4169緊固件耐海南雨水環(huán)境腐蝕性能良好。

　

　　圖4 GH4169緊固件雨水浸泡實(shí)驗(yàn)和大氣暴露實(shí)驗(yàn)后的表觀形貌

　　Fig.4 Morphologies of GH4169 fasteners after rain-water immersion test and atmospheric exposure test:(a) without surface treatment; (b) Ct.P; (c) Ct.P+alkyd resin varnish; (d) 20 d exposure

　　2.2.4 Ti-6Al-4V緊固件 通過跟蹤實(shí)驗(yàn)過程中Ti-6Al-4V緊固件表觀形貌變化可以得出,無表面處理、涂MoS2+十六醇、噴涂鋁+十六醇、離子鍍鋁+十六醇的Ti-6Al-4V緊固件經(jīng)168 h雨水浸泡實(shí)驗(yàn)和海南暴露20 d表觀形貌無明顯變化,緊固件表面未見明顯腐蝕跡象,說明Ti-6Al-4V緊固件耐海南雨水環(huán)境腐蝕性能良好。

　　2.3 緊固件拉斷力測試

　　不同表面處理狀態(tài)的30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的緊固件在海南雨水浸泡168 h和海南大氣環(huán)境暴露20 d后的拉斷力數(shù)據(jù)如圖5所示,設(shè)定拉斷力分析區(qū)間上限為原始試樣拉斷力均值×1.08,分析區(qū)間下限為均值×0.92,如果浸泡實(shí)驗(yàn)和暴露實(shí)驗(yàn)后拉斷力超出該區(qū)間,則判定為異常值,判定緊固件功能失效,需對螺栓斷口進(jìn)行分析。從圖5的拉斷力數(shù)據(jù)可以看出,30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料制成的所有緊固件拉斷力均未超出實(shí)驗(yàn)前拉斷力均值偏差8%的區(qū)間,證明拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為高于標(biāo)準(zhǔn)許用值,均能滿足海南淋雨環(huán)境下20 d使用需求。

　　

　　圖5 4種緊固件拉斷力測試結(jié)果

　　Fig.5 Pulling strength test results of 30CrMnSiA (a), 30CrMnSiN2A (b), GH4169 (c) and Ti-6Al-4V (d) fasteners

　　綜合分析表觀形貌和拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,沒有進(jìn)行表面處理的30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A材料緊固件在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)螺栓頭部局部腐蝕現(xiàn)象,但是力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍能滿足許用要求,其原因可能是組合體結(jié)構(gòu)件的密封效果較好,外面的腐蝕性液體沒能充分進(jìn)入到內(nèi)部承力螺栓部分,進(jìn)而對緊固件力學(xué)性能影響較小。結(jié)合表觀形貌分析結(jié)果可知,進(jìn)行了表面處理和涂覆表面涂層處理后的緊固件耐蝕性得到了明顯提升,基底材料受到了很好的保護(hù)。為充分滿足海南淋雨環(huán)境下的使用要求,30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A高強(qiáng)緊固件應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗捅砻嫱扛餐繉犹幚?GH4169和Ti-6Al-4V材料的緊固件對雨水環(huán)境腐蝕敏感性較弱,可以不做表面處理和涂覆涂層的強(qiáng)制要求。

　　3 結(jié)論

　　(1) 不同表面處理狀態(tài)的30CrMnSiA、GH4169、30CrMnSiNi2A和Ti-6Al-4V材料的定力矩高強(qiáng)緊固件在海南雨水中浸泡168 h和在海南暴露20 d后拉斷力結(jié)果均符合許用標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2) 30CrMnSiA材料本體在海南雨水環(huán)境和海南大氣環(huán)境下的腐蝕傾向性明顯,Fe/Ep.Zn7.c2C和flZnAl12表面處理可在一定程度上提高緊固件耐蝕性,但仍不能避免點(diǎn)蝕發(fā)生,表面涂清漆處理可以很好地保護(hù)緊固件本體。

　　(3) 30CrMnSiN2A材料本體在海南雨水環(huán)境和海南大氣環(huán)境下的腐蝕傾向性明顯,flZnAl12表面處理對緊固件起到了很好的保護(hù)作用。

　　(4) GH4169和Ti-6Al-4V材料本體在海南雨水環(huán)境和海南大氣環(huán)境下有較強(qiáng)的耐蝕性。

　　(5) 緊固件外部用醇酸清漆對產(chǎn)品有很好的保護(hù)效果。