氣墊船減速齒輪箱腐蝕與防護(hù)工藝研究進(jìn)展

豐雷，馮健，葉輝，賈龍凱，丁星星

（1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室，重慶 402260；2.重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

氣墊船采用空氣螺旋槳作為整船推進(jìn)動(dòng)力，墊升風(fēng)機(jī)將整船提升水面。氣墊船減速器分為推進(jìn)減速器及墊升減速器2類，均安裝在船舶甲板上。作為動(dòng)力系統(tǒng)的重要設(shè)備，減速齒輪箱長時(shí)間處于高鹽霧、海水濺射環(huán)境中，不同于安裝于船艙內(nèi)部的主動(dòng)力減速器，其對抗腐蝕能力要求更強(qiáng)。許多專家學(xué)者對類似環(huán)境下齒輪箱、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及其零部件的腐蝕、生銹保養(yǎng)進(jìn)行了分析，但系統(tǒng)性不強(qiáng)，沒有涉及齒輪箱生產(chǎn)過程中的防腐蝕工藝問題。因此，本文從減速齒輪箱不同零部件防腐工藝制造技術(shù)入手，對減速齒輪箱腐蝕防護(hù)工藝進(jìn)行研究。

1 氣墊船減速齒輪箱腐蝕環(huán)境及特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)

減速齒輪箱的箱體材料為鑄鋁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種支撐筯多，軸承孔要求高，其結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。齒輪件為滲碳淬火硬齒面齒輪，材料為低碳合金鋼，軸承采用滾動(dòng)軸承鋼。減速齒輪箱由外嚙合與行星結(jié)構(gòu)復(fù)合傳動(dòng)，其三維模型如圖2所示。主傳動(dòng)零 件還包括小齒輪軸、太陽輪和內(nèi)齒等，在裝配過程或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有相對運(yùn)轉(zhuǎn)或蠕動(dòng)，涉及零件包括鎖緊螺母、傳扭銷、螺栓、浮動(dòng)齒圈等，其余零件為傳動(dòng)件上的小件或油管等。箱體內(nèi)部與外表面均要進(jìn)行防腐處理，才能保證箱體的防腐功能。同時(shí)，在箱體防腐處理過程中，不能影響箱體的精度。

圖1 某船減速齒輪箱三維模型 Fig.1 3D model of a hovercraft's reduction gearbox

圖2 某船減速齒輪箱箱體三維模型 Fig.2 3D model of a hovercraft's reduction gearbox case body

1.2 腐蝕環(huán)境及腐蝕類型

減速齒輪箱長時(shí)間處于高溫、高濕、高鹽霧以及海水濺射等干濕交替環(huán)境中，面臨嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕問題。其中，局部腐蝕（點(diǎn)蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕等）和應(yīng)力下的腐蝕對減速齒輪箱的腐蝕破壞更為嚴(yán)重。用于制造變速箱體、齒輪、軸類零件、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件等的材料包括鋁合金、不銹鋼、合金鋼等金屬材料，在海洋大氣環(huán)境或海水濺射環(huán)境中，鹵素陰離子（特別是Cl）容易吸附在鋁合金鈍化膜不完整或者破損部位，導(dǎo)致金屬材料點(diǎn)蝕破壞。對于箱體等結(jié)構(gòu)件表面，因極易遭受砂石、海水、雨滴的沖刷，促進(jìn)鈍化膜的破壞，造成大陰極（鈍化膜完整區(qū)）-小陽極（鈍化膜局部破壞區(qū)）的加速局部腐蝕，因此產(chǎn)生點(diǎn)蝕的傾向更大。齒輪箱中異類金屬造成的電偶腐蝕現(xiàn)象也時(shí)有暴露，如鋁合金與低碳合金鋼之間的直接接觸，齒輪箱工況環(huán)境使材料狀態(tài)和成分發(fā)生變化等都是導(dǎo)致電偶腐蝕的根本原因。同時(shí)，在齒輪箱密封端蓋和密封環(huán)等部件上，由于密封不嚴(yán)，造成狹縫或者間隙（0.025~0.1 mm）的存在，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入并滯留其中，其擴(kuò)散受到很大的限制，導(dǎo)致狹縫中金屬腐蝕加速。

2 氣墊船減速齒輪箱腐蝕的表面防護(hù)對策

目前，海洋環(huán)境下金屬腐蝕防護(hù)已從被動(dòng)防護(hù)向主動(dòng)控制方向發(fā)展。腐蝕是材料或結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生作用所造成的，控制腐蝕的技術(shù)途徑主要從材料、環(huán)境、界面3方面考慮。因此，需從選材與結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、腐蝕環(huán)境處理與合理使用緩蝕劑、有效表面防護(hù)等方面著手。綜合考慮各種防護(hù)技術(shù)的適用條件及實(shí)施的可行性和經(jīng)濟(jì)性，采用系統(tǒng)方法來解決海洋大氣環(huán)境中減速齒輪箱的腐蝕問題。

2.1 選材與結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

選用耐腐蝕優(yōu)異的材料并進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高氣墊船減速齒輪箱耐腐蝕性能的有效措施。對初選材料，首先要分析其使用環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)查明所選材料所處介質(zhì)中存在哪種腐蝕敏感性以及腐蝕速率大小，暴露于腐蝕環(huán)境部位可能發(fā)生哪種腐蝕類型及防護(hù)可能性；接觸部位是否存在接觸腐蝕；承受應(yīng)力的類型、大小和方向等。其次，結(jié)構(gòu)外形上力求簡單，便于實(shí)施防護(hù)措施、檢查、維修和故障排除，要考慮防積水和積塵設(shè)計(jì)，盡量使用密閉結(jié)構(gòu)，以防雨水、霧氣、灰塵甚至海水的侵蝕。最后，選材設(shè)計(jì)時(shí)要注意不同材料的相容性，可以通過拓寬縫隙、塞填縫隙、改變縫隙位置或防止介質(zhì)進(jìn)入等防縫隙腐蝕；盡量避免電位相差較大的金屬直接連接，在連接部位及鉚釘、螺釘或點(diǎn)焊連接頭處添加絕緣層，注意異類金屬接觸時(shí)的面積比等措施來防止電偶腐蝕；同時(shí)應(yīng)合理控制材料的最大允許應(yīng)力，避免使用應(yīng)力、裝配應(yīng)力和殘余應(yīng)力在同一個(gè)方向疊加，防止應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆和腐蝕疲勞。

2.2 腐蝕環(huán)境控制與合理使用緩蝕劑

腐蝕環(huán)境控制是減緩或消除材料腐蝕的重要技術(shù)途徑。處理環(huán)境包括2個(gè)方面，一方面去除或控制環(huán)境中促進(jìn)腐蝕的有害因素；另一方面，強(qiáng)化有利于減緩腐蝕的因素或加入對防腐有利的物質(zhì)。采用緩蝕劑防腐蝕，由于設(shè)備簡單、使用方便、投資小、收效大而得到廣泛應(yīng)用。水溶性緩蝕劑通常用作齒輪箱機(jī)械加工過程中工序間的防銹，主要包括亞硝酸鈉、硼酸鈉、硅酸鈉、鉬酸鹽、鎢酸鹽、鉻酸鹽及重鉻酸鹽等。鉬酸鹽、鎢酸鹽、鉻酸鹽能在金屬表面形成5~10 nm的致密保護(hù)膜；磷酸鹽、硼酸鹽、硅酸鹽這類緩蝕劑本身并沒有氧化性，但可在含有溶解氧的水中水解，產(chǎn)生氫氧根離子，并在金腐表面形成鈍化膜，利用它們可有效阻止金屬及其合金的腐蝕。在儲存-運(yùn)輸過程中一般使用氣相緩蝕劑，這種緩蝕劑具有足夠高的蒸氣壓，即在常溫下能很快充滿周圍大氣，并附在金屬表面上，阻滯環(huán)境大氣對金屬的腐蝕進(jìn)程。

近年來，綠色環(huán)保的稀土化合物（尤其是鈰的化合物）作為緩蝕劑表現(xiàn)出了顯著的腐蝕防護(hù)效果，具備替代鉻酸鹽的潛力。張德平等、趙葦杭等、阮紅梅等采用極化曲線、電化學(xué)阻抗、電化學(xué)噪聲等多種電化學(xué)測試方法研究了6系鋁合金在含鹽薄液膜下的局部腐蝕與緩蝕機(jī)理。研究表明，Ce在蝕點(diǎn)中心區(qū)的陰極相表面優(yōu)先沉積，從而抑制局部腐蝕的陰極去極化過程。Hill等研究認(rèn)為，二苯基磷酸鈰Ce(ddp)能夠?qū)︿X合金在NaCl溶液中的腐蝕提供有效的緩蝕作用，其原因是Ce(ddp)在鋁合金表面或含銅相陰極生成了一層復(fù)雜的Ce/Al有機(jī)磷鹽薄膜，降低了鋁合金基體的腐蝕速度。Shi等研究了肉桂酸鈰對2024鋁合金在0.05 mol/L NaCl溶液中的緩蝕行為，結(jié)果表明，肉桂酸鈰能夠通過羧基基團(tuán)與鋁合金基體作用，同時(shí)Ce(III)能夠形成氧化物或氫氧化物，沉積于基體表面，有效抑制了腐蝕。

2.3 表面防護(hù)

為了保證齒輪表面防腐處理，采取表面氧化浸油處理，但考慮到齒輪、軸頸、花鍵的精度和表面粗糙度要求高，表面氧化處理將降低上述零件的精度。按常規(guī)工藝把高精度的齒輪和花鍵加工完成，在加工過程中，將齒和花鍵的精度提高半級，這樣可以彌補(bǔ)齒輪后期表面氧化浸油帶來的精度下降影響。在表面氧化浸油過程中，首先采用NaOH或其他清洗劑除去齒輪上的油污，用水清洗掉NaOH或清洗劑，用酸清洗掉銹蝕部分，用水清洗酸，然后用不同溫度的溶液進(jìn)行二次氧化，再通過清洗、皂化后，進(jìn)行浸油。零件氧化浸油完成后，經(jīng)檢測，齒輪精度和表面粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求，精度下降幾乎忽略不計(jì)，各部位的尺寸精度與形位精度均沒有變化。表面氧化浸油的大齒輪和齒輪軸的實(shí)物如圖3所示。

圖3 大齒輪組件表面氧化浸油前后對比 Fig.3 Comparison of before and after oxidation and oil immersion on the surface of bull gear assembly

目前對于鋁合金表面防腐處理技術(shù)通常有陽極氧化和微弧表面氧化處理2種工藝方法，主要目的是克服鋁合金表面硬度、耐磨損性差和腐蝕性弱等方面的缺陷，延長使用壽命。陽極氧化工藝主要是在電解液中、在外界電流作用下，利用電解作用，使陽極表面形成氧化物薄膜的過程，厚度一般為5~20 μm，具有較高的硬度和較好的耐蝕性，可進(jìn)一步提高基體金屬的防腐、絕緣、耐磨和裝飾作用。微弧表面氧化是一種將鋁、鎂、鈦等輕金屬合金表面原位生長陶瓷層的一種工藝，其原理是當(dāng)外加電壓超過臨界電壓時(shí)，基體金屬與氧離子、電解質(zhì)離子在熱化學(xué)、電化學(xué)、 等離子體化學(xué)的共同作用下經(jīng)歷熔融、噴發(fā)、結(jié)晶、高溫相變過程，最終在晶體表面熔覆，燒結(jié)形成陶瓷層。該陶瓷層硬度高、耐磨性好、基體結(jié)合力強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣性好。陽極氧化與微弧表面氧化性能對比見表1?？紤]到該減速器長期處于高鹽霧環(huán)境和海水沖擊環(huán)境中，經(jīng)微弧氧化處理后材料的耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于陽極氧化，其表面形成的氧化膜的耐高溫及抗熱沖擊性能更優(yōu)。隨著減速齒輪箱防腐要求的不斷提高，微弧氧化處理以其優(yōu)異的耐高溫及耐腐蝕性能逐漸取代陽極氧化，因此研究者們在溶液優(yōu)化、降低能耗和涂層后處理方面進(jìn)行了大量的研究。

表1 鋁合金微弧氧化膜與鉻酸陽極氧化膜性能對比 Tab.1 Performance comparison between micro arc oxidation film and chromic acid anodic oxidation film on aluminum alloy

近年來，大量學(xué)者通過研究在微弧氧化槽液中添加顆粒來提高微弧氧化涂層的潛力。微米級或納米級顆粒的摻入，導(dǎo)致涂層缺陷封閉，孔隙率降低，這對涂層的耐腐蝕性、熱力學(xué)、磁性、催化和生物活性等性能產(chǎn)生了有利的影響。不溶性顆粒（如ZrO、AlO、CeO）可以通過攪拌混合到電解質(zhì)溶液中，2種可溶性化合物也可以通過沉淀反應(yīng)原位形成不溶性產(chǎn)物（如磷酸鈣沉淀）。在微弧氧化放電期間，這些顆粒能否在涂層內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)變（熔化、相變、參與形成新化合物的等離子化學(xué)反應(yīng)）并深入涂層內(nèi)部，取決于顆粒的性質(zhì)、濃度和分散程度。添加顆粒的槽液很少呈現(xiàn)真正的膠體，維持槽液中顆粒的均勻分散是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過攪拌電解液（機(jī)械、超聲波等）易于實(shí)現(xiàn)顆粒的均勻分散，但難以適應(yīng)工業(yè)大規(guī)模使用的要求，因此探索表面活性劑以充分穩(wěn)定分散顆粒，并適應(yīng)電解質(zhì)工業(yè)生產(chǎn)成為研究熱點(diǎn)。

鋁合金微弧氧化涂層的制備通常旨在生產(chǎn)50~ 100 μm厚、富含AlO的涂層，提高其耐磨、耐蝕和耐熱等性能?？紤]到1~2 μm/min的平均涂層生長速率和500~600 V的電壓幅度，導(dǎo)致能耗高，大批量生產(chǎn)難度大，為了降低微弧氧化過程耗能高、效率低和成本高的問題，提出開發(fā)鋁合金節(jié)能微弧氧化工藝的策略：波形設(shè)計(jì)和使用高頻雙極工藝，提高涂層生長速度；優(yōu)化電解池和陰極幾何設(shè)計(jì)，如減少陽極到陰極的距離，從而節(jié)省高達(dá)25%的能源；在微弧氧化處理之前通過常規(guī)陽極氧化形成前驅(qū)體薄膜，使“軟火花”快速產(chǎn)生，前體薄膜材料快速轉(zhuǎn)化為微弧氧化涂層，與直接微弧氧化相比，能耗降低可高達(dá)60%。

鋁合金微弧氧化涂層后處理的最新進(jìn)展主要集中在缺陷的“自我修復(fù)”功能性。Oleinik等將鋁合金微弧氧化膜在含有抑制劑（IFKhAN-25和IFKhAN-39）的溶液中浸泡處理后，其耐腐蝕性顯著提高。然而，上述研究并未考慮抑制物質(zhì)的按需釋放。有效摻入抑制劑的另一個(gè)方法是使用微米容器或納米容器，它們可以通過觸發(fā)釋放（pH值和光照等）提供主動(dòng)保護(hù)，在鋁合金微弧氧化涂層表面原位生成層狀雙氫氧化物（LDH）的納米容器已成為研究熱點(diǎn)。LDHs由陰離子層和水層隔開的混合金屬氫氧化物層組成，其保護(hù)機(jī)制主要為離子交換機(jī)制，涂層從腐蝕性環(huán)境中吸收氯陰離子，該過程觸發(fā)并釋放結(jié)合的離子抑制劑，其中陰極部位pH值的局部升高也可作為與腐蝕相關(guān)的觸發(fā)因素。Serdechnova等、Alibakhshi等用Zn-Al LDH 密封AA2024鋁合金微弧氧化，并負(fù)載釩酸鹽抑制劑，基于LDH后處理的微弧氧化涂層在腐蝕加速測試和局部電化學(xué)測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

1）電鍍。電鍍（Electrochemical deposition）是指金屬離子在直流電場的作用下，被吸引并沉積在待鍍工件導(dǎo)電基底上的過程，也稱為電沉積工藝。電鍍除了賦予金屬零件表面較好的腐蝕防護(hù)性能外，同時(shí)還使金屬具有漂亮的外觀，有的鍍層還具有耐磨、減摩、電性能、磁性能、耐熱性、可焊性及其他一些特殊的性能。采用電鍍的方法通常只適合小型零部件，在齒輪箱加工制造過程中，相對運(yùn)動(dòng)或蠕動(dòng)類零件（如鎖緊螺母、傳扭銷、螺栓、浮動(dòng)齒圈等），鑒于在裝配過程或運(yùn)轉(zhuǎn)過程時(shí)有相對運(yùn)轉(zhuǎn)或蠕動(dòng)，通常采用表面鍍銅處理；密封端蓋和密封環(huán)等密封部件的表面一般進(jìn)行鍍鎘處理，提高其耐磨性和防止縫隙腐蝕。為適應(yīng)環(huán)保要求的不斷提高，開發(fā)無氰電鍍、合金電鍍、無鉻/鎘化合物鈍化處理工藝，成為替代鍍鎘、鉻等有毒單金屬電鍍的重要方式。

2）表面涂裝。涂料涂層俗稱油漆涂層，這類涂層除對金屬具有腐蝕保護(hù)作用外，還具有耐磨、潤滑、絕緣、抗微生物、耐輻射等特殊作用，使涂料發(fā)展成為功能性工程材料的一種。為適應(yīng)環(huán)保要求，國內(nèi)外都在積極開發(fā)和利用“節(jié)能源、省資源、低污染、高效率”的涂料品種，主要包括水性涂料、粉末涂料、非水分散性涂料、光固化涂料和高固體分涂料等，同時(shí)開發(fā)多種性能和用途的專用型涂料。

針對氣墊船減速齒輪箱使用環(huán)境，箱體表面油漆涂層必須滿足耐長時(shí)鹽霧、耐老化等性能。傳統(tǒng)海洋重防腐涂料（富鋅涂料）面臨屏蔽性能差、重污染或嚴(yán)酷海洋環(huán)境防腐壽命嚴(yán)重不足等問題，因此亟需發(fā)展新一代環(huán)保長效的防腐材料。石墨烯等二維納米材料穩(wěn)定的SP雜化結(jié)構(gòu)使其在金屬與腐蝕介質(zhì)間形成物理阻隔層，阻止介質(zhì)擴(kuò)散和滲透，為開發(fā)新型重防腐體系奠定了基礎(chǔ)。石墨烯納米片增強(qiáng)的重防腐涂料（有機(jī)無機(jī)雜化材料）展示出優(yōu)異的防腐特性和綜合性能。但目前石墨烯剝離濃度低，在有機(jī)涂層中的分散與多尺度復(fù)合界面問題仍然是當(dāng)前研究的一大難題。重防腐涂料的研制與應(yīng)用，投入大，周期長，難度高，迫切需要完善涂料體系、海洋環(huán)境長效服役評價(jià)和示范工程、體系認(rèn)證及推廣應(yīng)用等后續(xù)工作。

3 結(jié)語

針對氣墊船減速齒輪箱所面臨的高溫、高濕、高鹽霧和海水濺射等環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面考慮腐蝕控制問題：從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、加工制造、運(yùn)輸貯存、維護(hù)保養(yǎng)等方面系統(tǒng)提高齒輪箱的環(huán)境適應(yīng)性；充分利用現(xiàn)有的表面處理技術(shù)，加強(qiáng)陽極氧化、微弧氧化、電鍍、涂料涂層等技術(shù)的組合；強(qiáng)化腐蝕監(jiān)測技術(shù)，有效預(yù)警防護(hù)層失效，同時(shí)大力研發(fā)海洋環(huán)境下長期有效、綠色環(huán)保的表面處理技術(shù)和涂層技術(shù)。