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  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 北京宇航系統工程研究所 北京 100076)

  緊固件是做緊固連接用且應用極為廣泛的一類機械零件,通常包括螺栓、螺母、墊圈、擋圈和組合件等。高強緊固件是指高比強度的一類緊固件,通常同時具備優良的耐腐蝕性、良好的耐高低溫特性等[1,2,3],廣泛應用于航天、航空、船舶和地面武器裝備等國防工業[4,5,6]。高強緊固件的可靠性直接關系整個結構系統的可靠性,進而影響總體安全性,一直受到工程設計人員的高度重視。長期以來,設計人員比較重視高強緊固件的疲勞壽命、斷裂韌性、耐沖擊性能、氫脆機制和應力應變性能等[7,8,9,10],對腐蝕失效、尤其是沿海/臨海環境下的高強緊固件環境適應性研究較少。隨著我國工程建設需要以及科學技術的發展需求,設計人員對高強緊固件的環境適應性問題的認識逐步深入,對高強緊固件的防護要求越來越高。通常用作高強結構緊固件的材料包括合金結構鋼、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境中或者由于摩擦導致氧化膜破裂或發生縫隙腐蝕的情況下,材料的耐腐蝕性將大幅降低。在實際工程應用中,有時為了滿足特殊需要,要求高強結構緊固件能夠滿足短時間暴露于海洋淋雨潮濕環境中的需求,緊固件材料存在不可預見的腐蝕傾向,并由此帶來技術風險。因此,必須開展高強緊固件的腐蝕性評價并采取有效的防護措施,以保證其環境適應性滿足系統安全性要求。本文旨在探討典型高強緊固件在海南雨水環境下的短期腐蝕行為及防護方法。

  1 實驗方法

  

  采用30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料制成的高強緊固件作為試驗件,并對緊固件表面進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,并根據類型進行編號。將同種材料同種狀態緊固件試樣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。實驗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境中,取樣周期為7,10 和20 d,按周期取樣后送回實驗室檢測力學性能。

  對海南雨水環境浸泡定力矩實驗和海南真實大氣環境暴露實驗前后的緊固件進行拉斷力測試,記錄力-位移曲線。對比同類試驗件實驗后的拉斷載荷與實驗前的拉斷載荷,拉斷后對斷口進行宏觀形貌分析。拉斷力測試參照《GJB 715.23A-2008 緊固件實驗方法拉伸強度》執行。

  2 結果與討論

  2.1 海南雨水成分分析

  分別對海南雨水浸泡實驗前后的雨水成分進行Cl-、SO42-的濃度以及pH值測試,實驗結果如表2所示,結果表明,浸泡30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高強連接結構件的海南雨水在實驗前后成分變化很小,說明緊固件材料對雨水成分影響很小,同時證明浸泡實驗過程中腐蝕性離子與緊固件沒有發生明顯反應。

  

  2.2 形貌分析

  分別對不同表面狀態下30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高強連接結構件在海南雨水浸泡和海南雨淋大氣環境下暴露不同時間后的宏觀形貌進行對比分析。

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

  

  圖2 30CrMnSiA緊固件雨水浸泡實驗后的表觀形貌

  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緊固件雨水浸泡實驗后的表觀形貌

  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

  通過對比海南真實大氣環境暴露實驗的試樣宏觀形貌發現,暴露實驗和浸泡實驗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,證實了室內雨水浸泡環境與真實海洋環境有相關性。

  2.2.2 30CrMnSiNi2A緊固件 從圖3中可以看到不同表面狀態下30CrMnSiNi2A材料的高強緊固件在雨水浸泡不同時間后的宏觀形貌:實驗48 h,無表面處理的30CrMnSiN2A緊固件的螺栓頭部出現紅銹 (見圖3a),隨著時間延長,銹蝕加重。通過跟蹤實驗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,不進行表面處理的螺栓表面在實驗48 h后出現紅銹 (見圖3a);進行flZnAl12處理后的螺栓耐蝕性得到提升 (見圖3b),實驗168 h后螺栓頭部沒有出現明顯點蝕現象,但是試樣表面光澤度下降,螺紋處則出現微小點蝕坑,但沒有紅銹出現;進行flZnAl12處理并涂漆的緊固件在實驗過程中沒有出現腐蝕現象。

  2.2.3 GH4169緊固件 從圖4中可以看到不同表面狀態下GH4169材料的高強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、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螺母在雨水浸泡實驗和海南大氣暴露實驗整個實驗周期內均沒有出現明顯腐蝕現象,說明GH4169緊固件耐海南雨水環境腐蝕性能良好。

 

  圖4 GH4169緊固件雨水浸泡實驗和大氣暴露實驗后的表觀形貌

  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 通過跟蹤實驗過程中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168 h雨水浸泡實驗和海南暴露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和海南大氣環境暴露20 d后的拉斷力數據如圖5所示,設定拉斷力分析區間上限為原始試樣拉斷力均值×1.08,分析區間下限為均值×0.92,如果浸泡實驗和暴露實驗后拉斷力超出該區間,則判定為異常值,判定緊固件功能失效,需對螺栓斷口進行分析。從圖5的拉斷力數據可以看出,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驗前拉斷力均值偏差8%的區間,證明拉斷力實驗結果均為高于標準許用值,均能滿足海南淋雨環境下20 d使用需求。

  

  圖5 4種緊固件拉斷力測試結果

  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驗結果可知,沒有進行表面處理的30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A材料緊固件在實驗過程中出現螺栓頭部局部腐蝕現象,但是力學實驗結果仍能滿足許用要求,其原因可能是組合體結構件的密封效果較好,外面的腐蝕性液體沒能充分進入到內部承力螺栓部分,進而對緊固件力學性能影響較小。結合表觀形貌分析結果可知,進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。為充分滿足海南淋雨環境下的使用要求,30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A高強緊固件應該進行適當的表面處理和表面涂覆涂層處理,GH4169和Ti-6Al-4V材料的緊固件對雨水環境腐蝕敏感性較弱,可以不做表面處理和涂覆涂層的強制要求。

  3 結論

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

  (2) 30CrMnSiA材料本體在海南雨水環境和海南大氣環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,但仍不能避免點蝕發生,表面涂清漆處理可以很好地保護緊固件本體。

  (3) 30CrMnSiN2A材料本體在海南雨水環境和海南大氣環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作用。

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

  (5) 緊固件外部用醇酸清漆對產品有很好的保護效果。