典型螺栓/螺母装配件湿热海洋大气 环境适应性研究

张世艳，张伦武，杨小奎，吴帅，周堃，符朝旭,2

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.海南大气环境材料腐蚀国家 野外科学观测站，海南 万宁 571500）

随着对武器装备通用化、系列化、组合化（模块化）要求的日益提高，紧固件在宇航、飞机、坦克、舰船等武器装备中的使用范围越来越广，使用量越来越大[1-2]。合金钢螺栓、螺母等作为最常用的紧固件，通常用于军用飞机起落架等关键承力部位，发挥着重要作用。同时，随着我国东南沿海军事战略地位的提升，军用飞机在恶劣湿热海洋大气环境中的使用频次更高，面临的服役环境更恶劣，对紧固件等关键部件的环境适应性要求更高。湿热海洋大气环境具有高温、高湿、高盐雾、高太阳辐射的特点，会加速飞机紧固件的腐蚀或破坏，引发紧固件的腐蚀、松动和脱落，导致飞机承力部位性能下降甚至功能丧失，造成严重的后果[2-5]。

螺栓/螺母装配是一种常见的紧固件装配形式，由于螺栓、螺母的材料和表面处理工艺的不同，其自腐蚀电位存在差异，在大气环境中电解质的作用下容易形成电偶腐蚀。其中，负电位侧的腐蚀进程被促进，正电位侧的腐蚀进程被抑制，即阴极保护。阴、阳极自腐蚀电位差值越大，电偶腐蚀作用越明显[6-10]。目前对螺栓/螺母装配件的电偶腐蚀研究主要通过模拟盐雾环境等实验室加速试验进行[11-19]，而对其在实际自然环境中的环境适应性研究鲜有报道。因此，文中主要针对飞机用螺栓/螺母装配件，在海洋大气环境中开展为期24个月的自然环境暴露试验，通过环境扫描电镜（SEM）、电化学试验、力矩测试，研究螺栓/螺母装配件在湿热海洋大气环境下的腐蚀行为和力矩变化规律，为湿热海洋大气环境中装备的腐蚀防护设计、维修维护提供必要的技术支持和理论支撑。

1 试验

1.1 试验装配件制备

常用于国内航空装备的螺栓、螺母是典型的紧固件产品，由一种螺栓试验件和三种螺母试验件分别组成三种装配件，详见表1。30CrMnSiA镀镉钝化螺栓试验件制造标准为HB 7410—96《MJ螺纹六角头螺栓》，30CrMnSiA镀镉钝化螺母和30CrMnSiA镀锌钝化螺母制造标准为HB 8232—2002《MJ螺纹六角厚自锁螺母》，0Cr16Ni6钝化螺母制造标准为HB 8269—2002《MJ螺纹六角厚自锁螺母》。

表1 试验用螺栓、螺母装配件 Tab.1 Experimental assembly parts used in this study

1.2 湿热海洋大气环境试验

依托能代表湿热海洋大气环境的海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，开展装配件的自然环境户外暴露试验[20-21]。试验方法参照GB/T14165—2008《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》。试验时间为24个月，在试验周期分别为6、12、18、24个月时各取样5件，分别用于腐蚀产物分析（1件）和力学性能测试（4件）。

1.3 试样检测与分析

1）腐蚀形貌：首先观察样品宏观腐蚀形貌，然后采用Quanta 200环境扫描电子显微镜观察微观形貌。

2）力矩测试：采用CTT1202电子扭转试验机测试样品的最大拧出力矩。

1.4 电化学测试

采用普林斯顿Model 263A恒电位仪测试系统进行电化学测试，测试溶液为5%NaCl溶液。采用双电极体系进行电偶腐蚀电流测试，螺栓、螺母的测试区域如图1所示。分别留取一定面积区域作为测试区，其余表面用聚四氟乙烯套环夹具和硅橡胶进行密封。根据GB 5267《紧固件电镀层》附录G“螺栓、螺钉和螺母的表面积”，计算得出螺栓、螺母的电偶测试区面积分别为561.1 mm2和491.5 mm2。

图1 螺栓-螺母电偶腐蚀测试区域 Fig.1 Test regions of the bolt and nut for galvanic corrosion

2 结果与讨论

2.1 宏观腐蚀形貌

万宁户外暴露试验24个月的螺栓、螺母装配组合件宏观腐蚀形貌如图2所示。可见，在万宁站户外暴露24个月后，组合A、组合B螺栓表面出现变色，无腐蚀现象发生；组合B螺母表面镀锌层出现大面积白色腐蚀产物；组合C螺栓的外露螺纹区出现严重锈蚀，腐蚀面积超过50%；非装配状态下，30CrMnSiA镀镉钝化螺栓基体在万宁户外暴露期间无腐蚀。装配状态的组合C与非装配状态相比，螺栓出现较为严重的基体锈蚀，其原因将在后续的电化学分析部分详细阐述。

图2 装配组合件万宁户外暴露24个月后宏观腐蚀形貌 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 微观腐蚀形貌

对组合C螺栓进行微观形貌分析，如图3所示。由图3可知，万宁户外暴露试验12个月和24个月后，装配状态下30CrMnSiA镀镉钝化螺栓的基体外露螺纹部位出现的腐蚀产物主要呈现出沙粒状（γ-FeOOH）、球状（γ-FeOOH）、颗粒状（γ-FeOOH）形貌。同时，高倍图像形貌显示，球状结构的周围有部分针状或须状（α-FeOOH）的腐蚀产物。

图3 组合C螺栓万宁户外暴露12、24个月螺纹腐蚀产物微观形貌 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-螺母电偶腐蚀电化学分析

电偶腐蚀电流是最能直接表征电偶效应的参量。分别测试了三种螺栓-螺母组合试验件的电偶电流，组合A、组合B将螺母与工作电极线相连进行测试；组合C将螺栓与工作电极线相连进行测试。三种螺栓-螺母组合的电偶腐蚀电流测试结果如图4所示。

从图4可以看出，3种组合的电偶腐蚀电流实测值均在零轴下方，说明与工作电极线相连的一端为电偶腐蚀阳极，即组合A、组合B对应的螺母为腐蚀阳极，组合C中的螺栓为腐蚀阳极，这导致组合A和组合B的螺母、组合C的螺栓腐蚀被加速，而相应的装配件腐蚀被减缓或抑制，即被保护。对比三种组合下的电偶腐蚀电流可知，组合C对应的电偶腐蚀电流绝对值最大，约为100 µA，组合B次之，约为37 µA，组合A最低，约为0.6 µA，这说明组合C的电偶效应最显著，而组合A的电偶效应最弱。

图4 三种组合件电偶腐蚀电流测试结果 Fig.4 Galvanic corrosion currents test results of the three assembly parts: a) assembly A; b) assembly B; c) assembly C

根据上述测得的电偶电流结果，分别对不同组合的螺栓螺母进行面积的相除，即得到螺栓螺母在不同组合下的电偶腐蚀电流密度。参照HB 5374—1987《不同金属电偶电流测定方法》中给出的电偶腐蚀敏感性评定分级方法，根据计算所得的电偶腐蚀电流密度，即可对三种螺栓-螺母组合中的电偶腐蚀阳极进行电偶腐蚀敏感性评级。

三种组合件中螺栓的电偶腐蚀电流密度变化曲线如图5所示。由图5可知，组合A中螺栓的电偶腐蚀电流密度接近于0，说明组合A的电偶效应不明显；组合B中螺栓的电偶腐蚀电流密度值为负值，说明组合B中螺栓为电偶阴极，腐蚀被保护；组合C中螺栓的电偶腐蚀电流密度为正值，说明组合C中螺栓为电偶腐蚀阳极，腐蚀进程被加速。

图5 三种组合件中螺栓的电偶腐蚀电流密度 Fig.5 Galvanic corrosion currents for bolts of the three assembly parts

三种组合件中螺栓的电偶腐蚀电流密度稳定值以及对应的电偶腐蚀敏感性评级见表2。组合C中与钝化螺母相连的镀镉钝化螺栓为腐蚀阳极，对应的电 偶腐蚀电流密度约为18.9 µA/cm2，电偶腐蚀敏感性评级为E级。

表2 三种组合件中螺栓的电偶腐蚀敏感性评级结果 Tab.2 Galvanic corrosion sensitivity ratings for bolts in the three assembly parts

不同组合下螺母的电偶腐蚀电流密度如图6所示。由图6可知，组合A中螺母电偶腐蚀电流密度接近为0，进一步说明组合A的电偶效应不明显；组合B中螺母电偶腐蚀电流密度值为正值，说明组合B 中螺母为电偶腐蚀阳极，腐蚀被加速；组合C中的螺母电偶腐蚀电流密度为负值，说明组合C中的螺母为电偶腐蚀阴极，腐蚀被抑制。

图6 三种组合件中螺母的电偶腐蚀电流密度 Fig.6 Galvanic corrosion current density for nuts in the three assembly parts

不同组合下螺母的电偶腐蚀电流密度稳定值以及对应的电偶腐蚀敏感性评级见表3。由表3可知， 组合A和组合B的螺母均为电偶腐蚀阳极，其中组合A中螺母电偶腐蚀电流密度约为0.12 µA/cm2，对应电偶腐蚀敏感性评级为A级；组合B中螺母电偶腐蚀电流密度约为7.6 µA/cm2，对应电偶腐蚀敏感性评级为D级。

表3 三种组合件中螺母的电偶腐蚀敏感性评级结果 Tab.3 Galvanic corrosion sensitivity ratings for nuts in the three assembly parts

2.4 最大拧出力矩

装配状态下合金钢螺栓与螺母组合件在万宁暴露期间的最大拧出力矩变化如图7所示。可见，万宁站户外暴露期间，组合A、组合B最大拧出力矩呈波动变化趋势；组合C最大拧出力矩呈单调增加趋势，户外暴露24个月后，最大拧出力矩增加53%。螺栓与螺母装配件的最大拧出力矩（180°～210°）同螺母-螺栓螺纹间的摩擦力大小直接相关，螺栓螺母连接区域的基体锈蚀会造成螺母-螺栓螺纹间的摩擦力增加。

图7 螺栓和螺母装配件万宁户外暴露最大拧出力矩 Fig.7 The maximum torque of the three assembly parts during Wanning outdoor exposure test

3 结论

1）组合C电偶腐蚀电流绝对值最大，约为100 µA/cm2，组合B次之，组合A最低，这表明组合C电偶效应最显著，而组合A电偶效应最弱。装配件组合电偶腐蚀效应大小顺序为：组合C>组合B>组合A。

2）合金钢螺栓和螺母的装配会导致电偶腐蚀效应，在湿热海洋大气环境中有明显的腐蚀现象。非装配状态下30CrMnSiA镀镉钝化螺栓在万宁户外暴露期间没有出现基体腐蚀现象，而装配状态下组合C在万宁户外暴露期间基体锈蚀较为严重。主要原因是在镀镉钝化螺栓+钝化螺母组合中，钝化螺母作为电偶阴极，抑制了腐蚀进程；镀镉钝化螺栓作为电偶阳极，加速了腐蚀进程，且腐蚀电流密度较高。

3）万宁站户外暴露期间，组合A、组合B最大拧出力矩呈波动变化趋势；组合C最大拧出力矩呈单调增加趋势，户外暴露24个月后，最大拧出力矩增加了53%。其主要原因是螺栓螺母连接区域的基体锈蚀造成螺母-螺栓螺纹间的摩擦力增加。