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  作者:邹士文1, 许文1, 卢松涛2, 邵与君1, 王宇宁1 (1 航天材料及工艺研究所 北京 100076,2 北京宇航系统工程研究所 北京 100076)

  紧固件是做紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件,通常包括螺栓、螺母、垫圈、挡圈和组合件等。高强紧固件是指高比强度的一类紧固件,通常同时具备优良的耐腐蚀性、良好的耐高低温特性等[1,2,3],广泛应用于航天、航空、船舶和地面武器装备等国防工业[4,5,6]。高强紧固件的可靠性直接关系整个结构系统的可靠性,进而影响总体安全性,一直受到工程设计人员的高度重视。长期以来,设计人员比较重视高强紧固件的疲劳寿命、断裂韧性、耐冲击性能、氢脆机制和应力应变性能等[7,8,9,10],对腐蚀失效、尤其是沿海/临?;肪诚碌母咔拷艄碳肪呈视π匝芯拷仙?。随着我国工程建设需要以及科学技术的发展需求,设计人员对高强紧固件的环境适应性问题的认识逐步深入,对高强紧固件的防护要求越来越高。通常用作高强结构紧固件的材料包括合金结构钢、高温合金和钛合金等。一般情况下不锈钢、高温合金和钛合金等材料表面会生成一层致密的氧化膜起防腐蚀的作用,但是在高温、高湿、高盐和雨淋等恶劣环境中或者由于摩擦导致氧化膜破裂或发生缝隙腐蚀的情况下,材料的耐腐蚀性将大幅降低。在实际工程应用中,有时为了满足特殊需要,要求高强结构紧固件能够满足短时间暴露于海洋淋雨潮湿环境中的需求,紧固件材料存在不可预见的腐蚀倾向,并由此带来技术风险。因此,必须开展高强紧固件的腐蚀性评价并采取有效的防护措施,以保证其环境适应性满足系统安全性要求。本文旨在探讨典型高强紧固件在海南雨水环境下的短期腐蚀行为及防护方法。

  1 实验方法

  

  采用30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料制成的高强紧固件作为试验件,并对紧固件表面进行不同表面处理和涂覆醇酸清漆等涂层。不同材料紧固件的表面处理方式详见表1。

  将螺栓 (M10)、螺母 (M10)、夹持件和垫圈等按照图1的形式进行安装,形成组合体后,对紧固件施加35 N?m定力矩;对于刷涂层处理紧固件,螺栓、螺母的表面安装前刷涂醇酸清漆涂层,刷涂后静置24 h后进行装配,形成组合体后,紧固件施加35 N?m定力矩,整体再次刷涂醇酸清漆涂层。每种试验件分为三个类型:无表面处理、有表面处理、有表面处理且有涂层,并根据类型进行编号。将同种材料同种状态紧固件试样5个一组,悬挂于500 mL烧杯中,利用海南距海1 km地域采集的雨水溶液对试样进行恒温悬浮浸泡,保持雨水溶液温度 (35±3) ℃,取样周期为4,24,48,96和168 h。实验前后分析雨水溶液成分,主要检测Cl-、SO42-的浓度以及pH值。

  

  将紧固件试样直接放置在海南距海1 km地域的平台位置处,直接暴露在热带海洋大气环境中,取样周期为7,10 和20 d,按周期取样后送回实验室检测力学性能。

  对海南雨水环境浸泡定力矩实验和海南真实大气环境暴露实验前后的紧固件进行拉断力测试,记录力-位移曲线。对比同类试验件实验后的拉断载荷与实验前的拉断载荷,拉断后对断口进行宏观形貌分析。拉断力测试参照《GJB 715.23A-2008 紧固件实验方法拉伸强度》执行。

  2 结果与讨论

  2.1 海南雨水成分分析

  分别对海南雨水浸泡实验前后的雨水成分进行Cl-、SO42-的浓度以及pH值测试,实验结果如表2所示,结果表明,浸泡30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高强连接结构件的海南雨水在实验前后成分变化很小,说明紧固件材料对雨水成分影响很小,同时证明浸泡实验过程中腐蚀性离子与紧固件没有发生明显反应。

  

  2.2 形貌分析

  分别对不同表面状态下30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的高强连接结构件在海南雨水浸泡和海南雨淋大气环境下暴露不同时间后的宏观形貌进行对比分析。

  2.2.1 30CrMnSiA紧固件 从图2中可以看到不同表面状态下30CrMnSiA材料的紧固件在雨水浸泡不同时间后的宏观形貌:实验4 h,未进行表面处理的紧固件螺杆和头部出现局部红锈 (见图3a);实验24 h,未进行表面处理的紧固件螺杆和头部红锈面积增大;实验48 h,未进行表面处理的紧固件螺栓头部红锈加重,未进行表面处理、进行Fe/Ep.Zn7.c2C (电镀彩锌) 处理 (见图2b) 和flZnAl12 (锌铝达克罗) 处理 (见图2d) 的螺栓紧固件的配套螺母 (Fe/Ep.Zn7.c2C处理) 表面出现点蚀现象。通过跟踪实验过程中紧固件表观形貌变化可以得出,30CrMnSiA在雨水环境下极易发生腐蚀,实验开始1 h即出现明显红锈,在表面进行Fe/Ep.Zn7.c2C和flZnAl12处理后,30CrMnSiA的耐蚀性得到提升,但在实验48 h后Fe/Ep.Zn7.c2C处理后的螺栓表面依然出现点蚀现象,实验168 h后flZnAl12处理后的螺栓表面同样出现点蚀现象,所以30CrMnSiA表面必须进行涂覆清漆处理。对拉断实验后的螺栓断口进行观察,未发现应力腐蚀裂纹源和特征形貌,说明紧固件在雨水浸泡168 h实验过程中未发生应力腐蚀。

  

  图2 30CrMnSiA紧固件雨水浸泡实验后的表观形貌

  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

 

  图3 30CrMnSiN2A紧固件雨水浸泡实验后的表观形貌

  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

  通过对比海南真实大气环境暴露实验的试样宏观形貌发现,暴露实验和浸泡实验后材料表面的腐蚀形貌具有相似性,暴露10 d后的试样腐蚀情况与雨水浸泡168 h的试样表面腐蚀程度相当,证实了室内雨水浸泡环境与真实海洋环境有相关性。

  2.2.2 30CrMnSiNi2A紧固件 从图3中可以看到不同表面状态下30CrMnSiNi2A材料的高强紧固件在雨水浸泡不同时间后的宏观形貌:实验48 h,无表面处理的30CrMnSiN2A紧固件的螺栓头部出现红锈 (见图3a),随着时间延长,锈蚀加重。通过跟踪实验过程中紧固件表观形貌变化可以得出,对于30CrMnSiN2A材料的紧固件,不进行表面处理的螺栓表面在实验48 h后出现红锈 (见图3a);进行flZnAl12处理后的螺栓耐蚀性得到提升 (见图3b),实验168 h后螺栓头部没有出现明显点蚀现象,但是试样表面光泽度下降,螺纹处则出现微小点蚀坑,但没有红锈出现;进行flZnAl12处理并涂漆的紧固件在实验过程中没有出现腐蚀现象。

  2.2.3 GH4169紧固件 从图4中可以看到不同表面状态下GH4169材料的高强紧固件在海南雨水浸泡不同时间和海南大气暴露20 d后的宏观形貌。清洗态、Ct.P (钝化处理) 和Ct.P处理并涂醇酸清漆涂层的GH4169螺栓,脉冲阳极化并涂MoS2的GH4169螺母在雨水浸泡实验和海南大气暴露实验整个实验周期内均没有出现明显腐蚀现象,说明GH4169紧固件耐海南雨水环境腐蚀性能良好。

 

  图4 GH4169紧固件雨水浸泡实验和大气暴露实验后的表观形貌

  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紧固件 通过跟踪实验过程中Ti-6Al-4V紧固件表观形貌变化可以得出,无表面处理、涂MoS2+十六醇、喷涂铝+十六醇、离子镀铝+十六醇的Ti-6Al-4V紧固件经168 h雨水浸泡实验和海南暴露20 d表观形貌无明显变化,紧固件表面未见明显腐蚀迹象,说明Ti-6Al-4V紧固件耐海南雨水环境腐蚀性能良好。

  2.3 紧固件拉断力测试

  不同表面处理状态的30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料的紧固件在海南雨水浸泡168 h和海南大气环境暴露20 d后的拉断力数据如图5所示,设定拉断力分析区间上限为原始试样拉断力均值×1.08,分析区间下限为均值×0.92,如果浸泡实验和暴露实验后拉断力超出该区间,则判定为异常值,判定紧固件功能失效,需对螺栓断口进行分析。从图5的拉断力数据可以看出,30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、GH4169和Ti-6Al-4V材料制成的所有紧固件拉断力均未超出实验前拉断力均值偏差8%的区间,证明拉断力实验结果均为高于标准许用值,均能满足海南淋雨环境下20 d使用需求。

  

  图5 4种紧固件拉断力测试结果

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

  综合分析表观形貌和拉断力实验结果可知,没有进行表面处理的30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A材料紧固件在实验过程中出现螺栓头部局部腐蚀现象,但是力学实验结果仍能满足许用要求,其原因可能是组合体结构件的密封效果较好,外面的腐蚀性液体没能充分进入到内部承力螺栓部分,进而对紧固件力学性能影响较小。结合表观形貌分析结果可知,进行了表面处理和涂覆表面涂层处理后的紧固件耐蚀性得到了明显提升,基底材料受到了很好的?;?。为充分满足海南淋雨环境下的使用要求,30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A高强紧固件应该进行适当的表面处理和表面涂覆涂层处理,GH4169和Ti-6Al-4V材料的紧固件对雨水环境腐蚀敏感性较弱,可以不做表面处理和涂覆涂层的强制要求。

  3 结论

  (1) 不同表面处理状态的30CrMnSiA、GH4169、30CrMnSiNi2A和Ti-6Al-4V材料的定力矩高强紧固件在海南雨水中浸泡168 h和在海南暴露20 d后拉断力结果均符合许用标准。

  (2) 30CrMnSiA材料本体在海南雨水环境和海南大气环境下的腐蚀倾向性明显,Fe/Ep.Zn7.c2C和flZnAl12表面处理可在一定程度上提高紧固件耐蚀性,但仍不能避免点蚀发生,表面涂清漆处理可以很好地?;そ艄碳咎?。

  (3) 30CrMnSiN2A材料本体在海南雨水环境和海南大气环境下的腐蚀倾向性明显,flZnAl12表面处理对紧固件起到了很好的?;ぷ饔?。

  (4) GH4169和Ti-6Al-4V材料本体在海南雨水环境和海南大气环境下有较强的耐蚀性。

  (5) 紧固件外部用醇酸清漆对产品有很好的?;ばЧ?。