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)境材料腐蝕國家 野外科學(xué)觀測站，海南 萬寧 571500）

隨著對武器裝備通用化、系列化、組合化（模塊化）要求的日益提高，緊固件在宇航、飛機、坦克、艦船等武器裝備中的使用范圍越來越廣，使用量越來越大[1-2]。合金鋼螺栓、螺母等作為最常用的緊固件，通常用于軍用飛機起落架等關(guān)鍵承力部位，發(fā)揮著重要作用。同時，隨著我國東南沿海軍事戰(zhàn)略地位的提升，軍用飛機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、高太陽輻射的特點，會加速飛機緊固件的腐蝕或破壞，引發(fā)緊固件的腐蝕、松動和脫落，導(dǎo)致飛機承力部位性能下降甚至功能喪失，造成嚴重的后果[2-5]。

螺栓/螺母裝配是一種常見的緊固件裝配形式，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，負電位側(cè)的腐蝕進程被促進，正電位側(cè)的腐蝕進程被抑制，即陰極保護。陰、陽極自腐蝕電位差值越大，電偶腐蝕作用越明顯[6-10]。目前對螺栓/螺母裝配件的電偶腐蝕研究主要通過模擬鹽霧環(huán)境等實驗室加速試驗進行[11-19]，而對其在實際自然環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性研究鮮有報道。因此，文中主要針對飛機用螺栓/螺母裝配件，在海洋大氣環(huán)境中開展為期24個月的自然環(huán)境暴露試驗，通過環(huán)境掃描電鏡（SEM）、電化學(xué)試驗、力矩測試，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設(shè)計、維修維護提供必要的技術(shù)支持和理論支撐。

1 試驗

1.1 試驗裝配件制備

常用于國內(nèi)航空裝備的螺栓、螺母是典型的緊固件產(chǎn)品，由一種螺栓試驗件和三種螺母試驗件分別組成三種裝配件，詳見表1。30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓試驗件制造標準為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準為HB 8232—2002《MJ螺紋六角厚自鎖螺母》，0Cr16Ni6鈍化螺母制造標準為HB 8269—2002《MJ螺紋六角厚自鎖螺母》。

表1 試驗用螺栓、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

依托能代表濕熱海洋大氣環(huán)境的海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，開展裝配件的自然環(huán)境戶外暴露試驗[20-21]。試驗方法參照GB/T14165—2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗現(xiàn)場試驗的一般要求》。試驗時間為24個月，在試驗周期分別為6、12、18、24個月時各取樣5件，分別用于腐蝕產(chǎn)物分析（1件）和力學(xué)性能測試（4件）。

1.3 試樣檢測與分析

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）力矩測試：采用CTT1202電子扭轉(zhuǎn)試驗機測試樣品的最大擰出力矩。

1.4 電化學(xué)測試

采用普林斯頓Model 263A恒電位儀測試系統(tǒng)進行電化學(xué)測試，測試溶液為5%NaCl溶液。采用雙電極體系進行電偶腐蝕電流測試，螺栓、螺母的測試區(qū)域如圖1所示。分別留取一定面積區(qū)域作為測試區(qū)，其余表面用聚四氟乙烯套環(huán)夾具和硅橡膠進行密封。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”，計算得出螺栓、螺母的電偶測試區(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

萬寧戶外暴露試驗24個月的螺栓、螺母裝配組合件宏觀腐蝕形貌如圖2所示?？梢?，在萬寧站戶外暴露24個月后，組合A、組合B螺栓表面出現(xiàn)變色，無腐蝕現(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)嚴重銹蝕，腐蝕面積超過50%；非裝配狀態(tài)下，30CrMnSiA鍍鎘鈍化螺栓基體在萬寧戶外暴露期間無腐蝕。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)分析部分詳細闡述。

圖2 裝配組合件萬寧戶外暴露24個月后宏觀腐蝕形貌 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

對組合C螺栓進行微觀形貌分析，如圖3所示。由圖3可知，萬寧戶外暴露試驗12個月和24個月后，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，高倍圖像形貌顯示，球狀結(jié)構(gòu)的周圍有部分針狀或須狀（α-FeOOH）的腐蝕產(chǎn)物。

圖3 組合C螺栓萬寧戶外暴露12、24個月螺紋腐蝕產(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。分別測試了三種螺栓-螺母組合試驗件的電偶電流，組合A、組合B將螺母與工作電極線相連進行測試；組合C將螺栓與工作電極線相連進行測試。三種螺栓-螺母組合的電偶腐蝕電流測試結(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測值均在零軸下方，說明與工作電極線相連的一端為電偶腐蝕陽極，即組合A、組合B對應(yīng)的螺母為腐蝕陽極，組合C中的螺栓為腐蝕陽極，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。對比三種組合下的電偶腐蝕電流可知，組合C對應(yīng)的電偶腐蝕電流絕對值最大，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)上述測得的電偶電流結(jié)果，分別對不同組合的螺栓螺母進行面積的相除，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定方法》中給出的電偶腐蝕敏感性評定分級方法，根據(jù)計算所得的電偶腐蝕電流密度，即可對三種螺栓-螺母組合中的電偶腐蝕陽極進行電偶腐蝕敏感性評級。

三種組合件中螺栓的電偶腐蝕電流密度變化曲線如圖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值，說明組合B中螺栓為電偶陰極，腐蝕被保護；組合C中螺栓的電偶腐蝕電流密度為正值，說明組合C中螺栓為電偶腐蝕陽極，腐蝕進程被加速。

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)定值以及對應(yīng)的電偶腐蝕敏感性評級見表2。組合C中與鈍化螺母相連的鍍鎘鈍化螺栓為腐蝕陽極，對應(yīng)的電 偶腐蝕電流密度約為18.9 μA/cm2，電偶腐蝕敏感性評級為E級。

表2 三種組合件中螺栓的電偶腐蝕敏感性評級結(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，進一步說明組合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，說明組合B 中螺母為電偶腐蝕陽極，腐蝕被加速；組合C中的螺母電偶腐蝕電流密度為負值，說明組合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)定值以及對應(yīng)的電偶腐蝕敏感性評級見表3。由表3可知， 組合A和組合B的螺母均為電偶腐蝕陽極，其中組合A中螺母電偶腐蝕電流密度約為0.12 μA/cm2，對應(yīng)電偶腐蝕敏感性評級為A級；組合B中螺母電偶腐蝕電流密度約為7.6 μA/cm2，對應(yīng)電偶腐蝕敏感性評級為D級。

表3 三種組合件中螺母的電偶腐蝕敏感性評級結(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寧暴露期間的最大擰出力矩變化如圖7所示?？梢?，萬寧站戶外暴露期間，組合A、組合B最大擰出力矩呈波動變化趨勢；組合C最大擰出力矩呈單調(diào)增加趨勢，戶外暴露24個月后，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寧戶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)大小順序為：組合C>組合B>組合A。

2）合金鋼螺栓和螺母的裝配會導(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鍍鎘鈍化螺栓在萬寧戶外暴露期間沒有出現(xiàn)基體腐蝕現(xiàn)象，而裝配狀態(tài)下組合C在萬寧戶外暴露期間基體銹蝕較為嚴重。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，抑制了腐蝕進程；鍍鎘鈍化螺栓作為電偶陽極，加速了腐蝕進程，且腐蝕電流密度較高。

3）萬寧站戶外暴露期間，組合A、組合B最大擰出力矩呈波動變化趨勢；組合C最大擰出力矩呈單調(diào)增加趨勢，戶外暴露24個月后，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。