摘要:接觸網(wǎng)零部件在服役過(guò)程中由于復(fù)雜載荷和大氣腐蝕作用易發(fā)生微動(dòng)腐蝕損傷,導(dǎo)致緊固件松動(dòng)、脫落。采用自行研發(fā)的微動(dòng)腐蝕試驗(yàn)機(jī),研究了在模擬海洋大氣環(huán)境下,微動(dòng)頻率對(duì)接觸網(wǎng)零部件常用材料6082鋁合金微動(dòng)腐蝕行為的影響。結(jié)果表明:在較大位移幅值時(shí),頻率對(duì)材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)影響不明顯,而在較小的位移幅值時(shí),材料表面在低頻時(shí)更易發(fā)生滑動(dòng)。隨著頻率的不斷升高,摩擦副間的摩擦系數(shù)不斷增大,同時(shí)材料在微動(dòng)過(guò)程中的電化學(xué)腐蝕速率也逐漸加快。磨痕寬度、深度及磨損體積隨著頻率的增加而減小。當(dāng)頻率較低時(shí),材料的損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕作用;當(dāng)頻率較高時(shí),損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、機(jī)械作用導(dǎo)致的疲勞以及較為輕微的電化學(xué)腐蝕作用。
關(guān)鍵詞:6082鋁合金;3.5%NaCl溶液;微動(dòng)腐蝕;微動(dòng)頻率;磨損機(jī)制
中圖分類(lèi)號(hào):TH117.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.010
文章編號(hào):1006-0316 (2024) 11-0071-10
Effect of Frequency on the Fretting Corrosion Behavior of 6082 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solution
YANG Shu1,JI Fang1,PU Jian2,XU Liang1,PAN Ying1
( 1. GBA Center for Medical Device Evaluation and Inspection, NMPA, Shenzhen 518000, China;2. Tribology Research Institute, School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China")
Abstract:During service, contact network components of high speed rail are prone to fretting corrosion damage due to complex loading and atmospheric corrosion, leading to loosening and component failure. This study used a self-developed fretting-corrosion apparatus to investigate the effect of frequency on the fretting corrosion behavior of 6082 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution. The experimental results indicate that when the displacement amplitude is large, the frequency has no obvious influence on the fretting state of the material, but when the displacement amplitude is small, the surface of the material is more likely to slip at low frequency. As frequency increased, the friction coefficient increases. The corrosion rate is accelerated with the increase of frequency as well. The volume loss decreases with the increase of frequency. When the frequency is low, the damage mechanism of materials is mainly abrasive wear, peeling and serious electrochemical corrosion, while when the frequency is high, the damage mechanism is mainly abrasive wear, fatigue caused by mechanical action and slight electrochemical corrosion.
Key words:6082 aluminum alloy;3.5% NaCl solution;fretting corrosion;frequency;wear mechanism
6082鋁合金是生產(chǎn)高速鐵路接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)中核心零部件的重要原材料,諸如定位支座、腕臂、棘輪棘爪等。由于高速運(yùn)行的列車(chē)需通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)接觸以取得電能,因此在日常服役過(guò)程中接觸網(wǎng)會(huì)頻繁承受移動(dòng)和沖擊性載荷。這些運(yùn)動(dòng)和載荷會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)中的鋁制部件長(zhǎng)期處于隨機(jī)、頻繁振動(dòng)的復(fù)雜載荷工況下[1-2]。另一方面,由于我國(guó)幅員遼闊,許多高鐵線路分布于沿海地帶,因此接觸網(wǎng)及其零部件會(huì)在海洋大氣、雨水、酸雨、工業(yè)大氣等腐蝕環(huán)境下服役。盡管鋁合金有良好的機(jī)械和耐腐蝕性能,但在復(fù)雜載荷、微動(dòng)和腐蝕液體等多重因素的影響下,鋁合金配合界面間的微動(dòng)腐蝕損傷是在所難免的[3-6]。
微動(dòng)磨損是指摩擦表面由外界振動(dòng)引起的相對(duì)位移,從而產(chǎn)生的磨損,一般位移幅值為微米級(jí)別[7-13]。其中有氧化腐蝕參與的微動(dòng)磨損也被稱(chēng)為微動(dòng)腐蝕[14]。微動(dòng)腐蝕會(huì)使得兩個(gè)零件的接觸界面產(chǎn)生磨損、腐蝕和疲勞等現(xiàn)象,從而造成材料損失。微動(dòng)腐蝕是引起功率傳導(dǎo)損失、限制零部件使用壽命、導(dǎo)致零部件失效的重要工程問(wèn)題。研究表明影響材料微動(dòng)腐蝕損傷行為的主要參數(shù)有:位移幅值、載荷與力矩大小、環(huán)境溫度、環(huán)境介質(zhì)、微動(dòng)頻率和反應(yīng)時(shí)間等[3,15-28]。
前人已對(duì)位移幅值、環(huán)境介質(zhì)、溫度和載荷大小等影響參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[15-19],但微動(dòng)頻率作為一個(gè)極為重要的影響參數(shù)卻鮮見(jiàn)相關(guān)研究發(fā)表。頻率的變化會(huì)引起接觸界面的溫度、摩擦作用時(shí)長(zhǎng)等的改變,進(jìn)而影響磨屑的產(chǎn)生和排出以及接觸界面的磨損和腐蝕等重要過(guò)程,這些改變及影響會(huì)造成不同微動(dòng)頻率下材料的微動(dòng)腐蝕行為會(huì)存在一定的差異[21-27]。因此,本文選用高速鐵路接觸網(wǎng)零部件中常用的Al-Mg-Si合金(6082鋁合金)材料作為研究對(duì)象,探求在模擬海洋大氣環(huán)境下微動(dòng)頻率對(duì)6082鋁合金微動(dòng)腐蝕行為的影響規(guī)律。
1 試驗(yàn)
本研究采用球/盤(pán)法測(cè)試6082鋁合金在3.5%NaCl溶液中的微動(dòng)腐蝕行為,平盤(pán)試樣固定于試驗(yàn)機(jī)下方,頂部的驅(qū)動(dòng)連桿裝置帶動(dòng)球形試樣進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。為了減少對(duì)電化學(xué)信號(hào)的干擾,對(duì)摩球選用高度絕緣的Si3N4陶瓷球,表面粗糙度約為0.014~0.020"μm,硬度約為1500 HV。平板試樣材料為6082鋁合金,表面粗糙度約為0.5"μm,硬度約為16 HV,其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。采用線切割方式將鋁合金加工為長(zhǎng)10"mm、寬10"mm、高3"mm的板材試樣,并在其表面焊接一根銅導(dǎo)線用于電化學(xué)信號(hào)的采集,最后使用樹(shù)脂進(jìn)行封裝,僅保留1"cm2的表面以供研究。使用水砂紙對(duì)封裝好的試樣進(jìn)行手工打磨,然后使用氧化鋁懸浮液對(duì)經(jīng)打磨的試樣進(jìn)行拋光處理,待試樣表面無(wú)肉眼可見(jiàn)的劃痕時(shí),使用無(wú)水乙醇進(jìn)行兩分鐘超聲清洗,最后使用烘干機(jī)烘干。試驗(yàn)介質(zhì)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液。
本研究在課題組自行研制的高精度微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)(MFC-01,見(jiàn)圖1)上進(jìn)行:將已封裝好的試樣使用V型塊固定;球形試樣(Si3N4陶瓷球)通過(guò)球夾具裝夾固定,且球夾具通過(guò)螺栓與驅(qū)動(dòng)連桿固連;驅(qū)動(dòng)連桿由高精度壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(P-216.9s。Physik Instrumente。Germany)驅(qū)動(dòng);加載模塊通過(guò)連桿施加垂直向下的載荷;電解質(zhì)溶液盛放于亞克力板材制作的容器中;通過(guò)三電極工作站(CHI660E,上海辰華,中國(guó))進(jìn)行電化學(xué)條件控制并測(cè)量材料的微動(dòng)腐蝕行為。在微動(dòng)腐蝕測(cè)試開(kāi)始之前,為保證鋁合金表面電化學(xué)狀態(tài)一致,需先將樣品在電解質(zhì)溶液中浸泡10"min,并使用電化學(xué)工作站記錄其開(kāi)路電位的數(shù)值變化直至穩(wěn)定。
試驗(yàn)過(guò)程中的載荷為40"N(接觸中心最大壓力約為598"MPa),測(cè)試頻率分別為:1"Hz、5"Hz、10"Hz、20"Hz,位移幅值分別為:±5"μm、±20"μm、±40"μm,試驗(yàn)溫度為室溫(即環(huán)境溫度為20~25"℃,相對(duì)濕度為50%~60%),往復(fù)循環(huán)次數(shù)為3×104次。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,所有試驗(yàn)均連續(xù)重復(fù)3次以上。
為了研究微動(dòng)腐蝕過(guò)程中鋁合金表面的腐蝕行為,在試驗(yàn)過(guò)程中使用電化學(xué)工作站測(cè)量了試樣的開(kāi)路電位隨時(shí)間的變化曲線(OCPT)以及塔菲爾曲線。研究中使用的三電極分別為工作電極(試驗(yàn)材料(6082鋁合金)),飽和甘汞(SCE)參比電極和鉑片(Pt)輔助電極。塔菲爾曲線測(cè)試分別在靜態(tài)下(獲得材料的自然腐蝕速率)以及微動(dòng)狀態(tài)下(獲得材料在不同微動(dòng)頻率的腐蝕速率)進(jìn)行,電位掃描范圍為-1.2~-0.4"V,掃描速率為1"mV/s。開(kāi)路電位測(cè)試在微動(dòng)試驗(yàn)的全程進(jìn)行,包括微動(dòng)前、微動(dòng)中以及微動(dòng)后三個(gè)過(guò)程,每間隔0.1 s采集一次電位信號(hào)。試驗(yàn)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。
利用白光干涉儀(GTK-16-0295,Bruker,Germany)對(duì)樣品磨損區(qū)域進(jìn)行三維輪廓測(cè)量,并通過(guò)其配套的處理軟件得到材料損失體積及二維輪廓曲線。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JSM-6610,JEOL,Japan)對(duì)磨痕形貌進(jìn)行觀察,分析材料的磨損機(jī)制。利用掃描電鏡自帶的電子能譜儀(OXFROD X-Max 80,Oxford Instruments,UK)對(duì)磨損表面成分進(jìn)行定量及定性分析。
2"結(jié)果與討論
材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)切向力-位
移-循環(huán)次數(shù)曲線(Ft-D-N曲線)進(jìn)行判定[29]。圖2是載荷為40"N、位移幅值為±40"μm(D=±40"μm)時(shí),不同頻率下的Ft-D-N曲線。從圖中可以看出,各個(gè)頻率下的Ft-D曲線均呈現(xiàn)為平行四邊形,這表明微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)均位于滑移區(qū)。
為進(jìn)一步研究頻率對(duì)微動(dòng)運(yùn)行特性的影響,通過(guò)控制變量法,進(jìn)行了位移幅值為±5"μm和±20"μm下的不同微動(dòng)頻率試驗(yàn),其三維Ft-D-N曲線如圖3、圖4所示??梢钥闯觯灰品禐椤?0"μm時(shí),微動(dòng)頻率對(duì)材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)無(wú)顯著影響,各個(gè)頻率下的Ft-D曲線均呈現(xiàn)為橢圓形,表明材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)均處于混合區(qū)。但位移幅值為±5"μm時(shí),微動(dòng)頻率的變化會(huì)改變材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在較高頻率時(shí)(5"Hz、10"Hz、20"Hz),Ft-D曲線均為直線型,表明微動(dòng)均運(yùn)行于部分滑移區(qū)。低頻時(shí)(1"Hz),Ft-D曲線轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形,表明微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)??偟膩?lái)說(shuō),在較高位移幅值時(shí)(±20"μm、±40"μm),頻率的變化并不影響材料的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。而在較小的位移幅值時(shí)(±5"μm),頻率的增加會(huì)壓縮Ft-D曲線,表現(xiàn)為橢圓形向直線型的轉(zhuǎn)變。該現(xiàn)象也說(shuō)明,隨著頻率的增高,較小位移幅值下材料發(fā)生微滑的難度逐漸增加。
圖5是在不同頻率下所獲得的摩擦系數(shù)(切向力/法向載荷)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。結(jié)果表明不同頻率下的摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律相似,均呈現(xiàn)出三個(gè)明顯的階段。
這三個(gè)階段分別為:①第一階段(初始階段):此時(shí)試樣表面的鈍化膜相對(duì)完整,使得摩擦系數(shù)穩(wěn)定在較低的數(shù)值;②第二階段(上升階段):隨著測(cè)試的進(jìn)行,試樣表面的鈍化膜受到機(jī)械性損傷,導(dǎo)致新鮮對(duì)摩副基體裸露于溶液介質(zhì)中并相互接觸,該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生、排出磨屑,進(jìn)而造成摩擦系數(shù)迅速升高;③第三階段(穩(wěn)定階段):最終摩擦系數(shù)達(dá)到峰值,此時(shí)磨屑的產(chǎn)生與排出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定波動(dòng)在峰值附近。達(dá)到穩(wěn)定階段后,20"Hz工況下的摩擦系數(shù)最大,而10"Hz略高于5"Hz,兩者的摩擦系數(shù)相近,1"Hz工況下的摩擦系數(shù)最小。說(shuō)明摩擦系數(shù)隨頻率的升高而升高。造成該現(xiàn)象的可能原因?yàn)椋侯l率的升高會(huì)加劇摩擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)磨副間更為復(fù)雜的磨屑產(chǎn)生與排出機(jī)制[30]。另一方面,結(jié)合測(cè)試后試樣表面的損傷形貌(見(jiàn)2.3及2.6節(jié))分析得出,低頻時(shí)損傷區(qū)域附近堆積了大量腐蝕磨損產(chǎn)物,表明低頻時(shí)電化學(xué)腐蝕較高頻更嚴(yán)重,低頻時(shí)較低的摩擦系數(shù)可能與腐蝕磨損產(chǎn)物的減摩潤(rùn)滑作用有關(guān)。
圖6是試樣在不同頻率下測(cè)得的極化曲線和靜態(tài)時(shí)測(cè)得的極化曲線對(duì)比圖。從圖中可以看出,相對(duì)于靜態(tài)下的極化曲線,微動(dòng)的施加會(huì)導(dǎo)致極化曲線的負(fù)移。極化曲線的波動(dòng)也隨著頻率的增高而愈加劇烈。表3是通過(guò)塔菲爾外推法計(jì)算出的腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度Icorr??梢钥闯?,微動(dòng)的施加會(huì)導(dǎo)致腐蝕電位負(fù)移并增大腐蝕電流密度。隨著頻率的升高,腐蝕電位逐漸降低,而腐蝕電流密度的數(shù)值逐漸升高。這表明材料在各個(gè)微動(dòng)頻率時(shí)的電化學(xué)腐蝕速率均大于靜態(tài)腐蝕,且電化學(xué)腐蝕速率隨著頻率的增加而增加。綜上所述,微動(dòng)的施加會(huì)破壞對(duì)摩副表面的鈍化膜,導(dǎo)致新鮮基體的裸露與相互接觸,進(jìn)而增大該區(qū)域的電化學(xué)活性,造成電化學(xué)腐蝕速率的升高。結(jié)果表明,電化學(xué)腐蝕速率隨頻率的增加而增加。頻率的升高意味著單次微動(dòng)循環(huán)的時(shí)間更短,因此損傷表面的氧化過(guò)程不能充分進(jìn)行,進(jìn)而減緩鈍化膜的修復(fù)速率,使得磨損表面的電化學(xué)活性更高。另一方面,頻率的升高也意味著單位時(shí)間內(nèi)的微動(dòng)位移量越大,從而導(dǎo)致活性區(qū)域的面積也越大[21,31]。
圖7是在不同頻率下測(cè)得的開(kāi)路電位隨時(shí)間的變化曲線,該曲線由微動(dòng)前、微動(dòng)中和微動(dòng)后三部分組成。從圖中看出,試樣在不同頻率下的靜態(tài)開(kāi)路電位均穩(wěn)定保持在較高的數(shù)值,說(shuō)明試樣的初始表面存在氧化層,且該氧化層對(duì)試樣有鈍化保護(hù)的作用。從靜態(tài)到動(dòng)態(tài),除1"Hz時(shí)的開(kāi)路電位負(fù)移過(guò)程較緩慢外,其余頻率(5"Hz、10"Hz和20"Hz)下的開(kāi)路電位均迅速負(fù)移至某一較低數(shù)值,這說(shuō)明試樣表面的氧化層被破壞,更高的頻率意味著在相同時(shí)間內(nèi)試樣經(jīng)歷了更多的循環(huán)次數(shù),在微動(dòng)前期,高頻使得試樣表面膜在更短的時(shí)間內(nèi)被去除,而低頻使得該時(shí)間更長(zhǎng),因此低頻開(kāi)路電位的負(fù)移較高頻更緩慢。其中,20"Hz下的開(kāi)路電位最低數(shù)值最負(fù)(約為-1.04"V),10"Hz的開(kāi)路電位最低數(shù)值約為-1.0"V,5"Hz時(shí)的數(shù)值約為-0.95"V,1"Hz時(shí)的開(kāi)路電位下降速率較緩慢,最后穩(wěn)定于-0.85"V附近。綜合來(lái)看,開(kāi)路電位的數(shù)值隨頻率的變化與極化曲線的結(jié)果相吻合,即電化學(xué)腐蝕速率隨頻率的增加而增加。
圖8(a)繪制了試樣在不同頻率下的磨痕輪廓??梢钥闯?,各頻率下的磨痕輪廓均呈現(xiàn)出字母“U”型。20"Hz時(shí)磨痕輪廓寬度最窄、深度最淺,1"Hz時(shí)磨痕輪廓寬度最寬、深度最深,說(shuō)明頻率的升高會(huì)導(dǎo)致磨痕輪廓的寬度和深度的減小。圖8(b)是試樣在不同頻率下的材料損失體積,材料的損失體積隨頻率的變化與磨痕輪廓隨頻率的變化趨勢(shì)一致。主要原因?yàn)轭l率的增加會(huì)減少單次循環(huán)的用時(shí),進(jìn)而減少腐蝕與磨損的交互作用時(shí)間,導(dǎo)致較高頻率時(shí),腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)作用較小,而較低頻率時(shí),腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)作用較大,最終表現(xiàn)為頻率的增加會(huì)減小材料磨痕輪廓的深度和寬度以及材料的損失體積。
不同頻率下試樣表面的損傷形貌如圖9所示。從圖中可以看出,1"Hz時(shí)的磨痕中心出現(xiàn)了較大面積的剝落,局部放大圖顯示損傷表面有明顯的磨屑堆積并伴隨著多方向犁溝及少量微裂紋,這些磨屑是腐蝕和磨損共同作用下的結(jié)果。5"Hz時(shí)的局部放大圖顯示磨痕表面出現(xiàn)斷續(xù)的犁溝和少量的微裂紋,同時(shí)表面覆蓋較多腐蝕磨損產(chǎn)物。頻率為10"Hz和20"Hz時(shí)的磨痕形貌較為相似,表面均覆蓋了一層密實(shí)的三體層,且表面較為光滑,未出現(xiàn)明顯的剝落和腐蝕磨損產(chǎn)物堆積,磨痕中心伴有大量的犁溝以及微裂紋。經(jīng)EDX分析發(fā)現(xiàn)(圖10),隨著頻率的增加,損傷表面的氧元素和氯元素含量逐漸降低,而鋁元素含量則逐漸升高。這說(shuō)明電化學(xué)腐蝕作用隨著頻率的增加而減弱。
上述分析表明,微動(dòng)頻率的增加,一方面會(huì)使得機(jī)械去除表面材料的速度增加,從而導(dǎo)致材料表面電化學(xué)活性增高,另一方面會(huì)減少腐蝕作用的時(shí)間,從而減少腐蝕與磨損的交互作用。
在較低頻率時(shí),當(dāng)對(duì)摩副刮去表面材料,露出新鮮表面時(shí),腐蝕有較為充分的反應(yīng)時(shí)間,這使得磨損與腐蝕的交互作用時(shí)間增加,從而導(dǎo)致磨損表面產(chǎn)生了較大面積的剝落以及電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物,損傷由磨損和腐蝕共同主導(dǎo)。而在較高頻率時(shí),盡管材料的腐蝕速率較大,但并沒(méi)有足夠的時(shí)間發(fā)生腐蝕,從而導(dǎo)致腐蝕與磨損交互時(shí)間較短,損傷過(guò)程由磨損主導(dǎo)。因此,在較低頻率時(shí),材料的損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕作用,而在較高頻率時(shí),損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、機(jī)械作用導(dǎo)致的疲勞以及較為輕微的電化學(xué)腐蝕作用。
3 結(jié)論
(1)在較高位移幅值時(shí),微動(dòng)頻率對(duì)材料微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的影響并不顯著,而在較小的位移幅值時(shí),隨著頻率的降低,材料表面發(fā)生微滑的難度逐漸增加,微動(dòng)向部分滑移區(qū)轉(zhuǎn)變。
(2)隨著頻率的不斷增高,摩擦副間的摩擦系數(shù)不斷增大。不同頻率下的摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致,均可以分為三個(gè)階段:即初始階段、上升階段和穩(wěn)定階段。
(3)材料的電化學(xué)腐蝕速率隨著頻率的升高而加快,同時(shí),高頻導(dǎo)致腐蝕作用時(shí)間大幅縮短,總的電化學(xué)腐蝕作用隨著頻率升高而減弱。
(4)磨痕輪廓的寬度、深度及材料損失體積隨著頻率的增加而減小。
(5)在較低頻率時(shí),材料的損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕作用,而在較高頻率時(shí),損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、機(jī)械作用導(dǎo)致的疲勞以及輕微的電化學(xué)腐蝕作用。
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作者簡(jiǎn)介:楊抒(1989-),男,河南鄭州人,博士,工程師,主要研究方向?yàn)獒t(yī)療器械臨床核查、生物材料微動(dòng)腐蝕,E-mail:yangshu@mdei.org.cn。
*通信作者:徐良(1976-),男,浙江金華人,碩士,正高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)獒t(yī)療器械監(jiān)管和檢測(cè)、藥品檢驗(yàn)等,E-mail:louis7th@163.com。