某燃油直通管接头65Mn钢弹簧垫圈锈蚀原因

李钧甫,何 军,朱 苓

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610091)

弹簧垫圈是一种被广泛用于机械产品承力和非承力结构中的标准件，其特点是利用开口所形成的左旋弹簧结构，有效防止右旋螺纹紧固系统的松动。因此，在有震动的部件连接中，弹簧垫圈具有较好的防松和预紧力补偿等作用。另外，其成本低廉且安装方便，适用于拆装频繁的部位。

GB859轻型弹簧垫圈采用65Mn钢制成，表面处理为氧化发蓝。65Mn钢是一种典型的弹簧钢材料，具有强度高、淬透性好、脱碳倾向小、价格低廉、切削加工性好等优点，但是这种材料具有过热敏感性和回火脆性，易产生淬火裂纹。65Mn钢主要用于生产钢丝、钢带，制造各种截面较小的扁弹簧、圆弹簧、板簧和弹簧片等。近年来，报道的多起事故均因65Mn钢弹簧垫圈额外增加了镀层工艺而产生氢脆断裂[1-4]，关于其在服役状态下发生的腐蚀失效却鲜有报道。

腐蚀失效是在机械、化工、冶金等工程领域除疲劳失效以外最为常见的失效形式之一，其影响和造成的经济损失巨大。据估算，我国2009年因腐蚀造成的经济损失已经超过1万亿元[5]。弹簧垫圈一旦出现问题就会使紧固件防松失效，导致整个产品不能正常工作，这会给产品使用造成严重影响[6]。

某结构组件上安装的扩口式A型燃油直通管接头(HB4-5-10)顺航向后端的弹簧垫圈GB859-18-65Mn(以下简称弹垫，材料牌号为65Mn，热处理工艺为淬火+回火，表面处理工艺为发蓝处理),在气密性检查后,发现其侧面有大面积锈蚀，并已扩展到左右两边的HB 4-46 M18×1.5锁紧螺母(材料牌号为2A12，热处理工艺为T4，表面处理工艺为阳极化)和HB1-521平垫圈(以下简称平垫圈，材料牌号为LY12)。锈蚀弹垫的三维装配结构及锈蚀位置见图1。

图1 锈蚀弹垫的三维装配结构示意

根据现场了解，该弹垫夹在锁紧螺母和平垫圈之间，通过锁紧螺母结构组件连接另一侧的燃油管螺纹接头。该弹垫已安装一个多月，且此处燃油管螺纹接头有气密性检查要求，现场气密性检查时使用皂液是为了方便气密性目视检查。将锈蚀位置处的组件拆卸后发现，弹垫两侧的锁紧螺母和平垫圈表面的阳极化膜层均已被弹垫开口锐角端划破，基体暴露并与弹垫直接接触。

笔者通过宏观观察、微观形貌观察、金相检验和化学成分分析、扫描电镜及能谱分析等方法，确定了弹垫锈蚀模式。在此基础上，对氧化膜层完好和破损的弹垫的开路电位进行测量，进一步确定了该弹垫锈蚀的根本原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

由图2可见：拆卸后的弹垫除侧面有不均匀、不连续的红棕色锈蚀外，两个承力面也存在大面积锈蚀；两个承力面远离弹垫开口端处的锈蚀比其他区域严重；弹垫开口端受力位置和两个承力面表面的黑色氧化层发生部分脱落，隐约可见银白色金属基体。对库房中同批次的其他弹垫进行检查，未见其表面黑色氧化层发生破损和产生锈蚀产物。弹垫外周及各承力面表面有均匀完整的黑色氧化发蓝层，在库房环境中，零件表面均涂抹了防锈油并用牛皮纸包装进行存放。

图2 弹垫不同位置处的宏观形貌

由图3可见：平垫圈与弹垫接触侧靠内圈区域的阳极氧化膜层已被刮掉，露出内部银白色铝合金基体，其周围可见黑色印记，靠外圈区域可见部分红棕色锈蚀痕迹；未与弹垫接触侧的阳极氧化膜层完好，未见明显缺陷。

图3 平垫圈不同位置处的宏观形貌

由图4可见：锁紧螺母与弹垫接触一侧表面阳极氧化膜层部分被刮掉，内、外圈银白色铝合金基体暴露，内圈还附着有不连续的红棕色锈迹，根据锈迹颜色可以判断锈蚀起源于内圈划伤部位。

图4 锁紧螺母与弹垫接触侧的宏观形貌

1.2 金相检验

由图5可见：弹垫锈蚀区域呈明显的铁锈红色，且已经形成深入金属基体的腐蚀坑，腐蚀坑底部未见腐蚀裂纹；相对于正常区域，锈蚀区域附近氧化膜层厚度明显增厚，正常区域氧化膜层厚度为1～3 μm，符合GJB 594-1988《金属镀覆层和化学覆盖层选择原则与厚度系列》标准中对钢制零件化学氧化膜层厚度的要求(0.5～15 μm)，锈蚀区域氧化层厚度为5～6 μm。

图5 弹垫锈蚀区域和正常区域的微观形貌

1.3 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)对弹垫表面锈蚀区域、锁紧螺母表面缺陷处及平垫圈表面缺陷处进行形貌观察。由图6可见，弹垫表面锈蚀区域已形成疏松多孔的氧化物层，且与基体剥离。由图7可见，弹垫两个承力面锈蚀区域有一层厚度不均的附着物，附着物较厚区域呈团絮状或冰花状多孔结构，导电性较差，可能为氧化物；正常区域表面覆盖着一层均匀的氧化物。

图6 弹垫锈蚀区域的微观形貌

图7 弹垫锈蚀区域、正常区域及锈蚀区域附着物的SEM形貌

由图8可见：锁紧螺母表面锈渍呈块状附着在阳极氧化膜层表面，且靠近划伤部位；进一步放大锈渍位置处观察发现，锈渍与弹垫表面锈蚀的微观形貌不同，没有明显的疏松多孔结构，这可能是弹垫与锁紧螺母承力面紧密接触后，锈蚀产物黏附到螺母承力面所致。

图8 锁紧螺母表面缺陷的SEM形貌

由图9可见：平垫圈表面形貌与锁紧螺母的类似，可见其表面阳极氧化膜层有明显划伤，划伤附近可见锈渍。

图9 平垫圈表面缺陷的SEM形貌

1.4 能谱分析

采用能谱仪(EDS)对弹垫正常区域、磨损区域和锈蚀区域进行能谱分析。由表1可见：与正常区域表面氧化膜相比，磨损区域表面氧化膜发生脱落，检测到该区域含铝元素，65Mn钢基体部分暴露；弹垫磨损区域表面氧化膜脱落位置的氧/铁质量分数比值比正常区域的低，未检测出其他典型的腐蚀性元素；弹垫锈蚀区域的氧含量相对于正常区域明显增高，且氧/铁质量分数比值为0.40～0.45，接近Fe2O3的氧/铁质量分数比值(约为0.43),该区域也含有铝元素。

表1 弹垫正常区域、磨损区域和锈蚀区域表面氧化膜的EDS分析结果

由表2可见，锁紧螺母锈渍区域铁、氧元素含量相对较高，氧/铁质量分数比值为0.46，接近Fe2O3的氧/铁质量分数比值，可以确定该区域锈蚀产物主要为Fe2O3；锁紧螺母划伤区域的铝合金基体已完全暴露，铜、镁元素为2A12铝合金的主要合金元素，未检出其他异常元素。

表2 锁紧螺母锈渍区域和划伤区域的EDS分析结果

由表3可见：平垫圈锈渍区域的主要元素与锁紧螺母的类似，除铁以外，未检出其他异常元素；铬元素为铬酸阳极化残余物；正常区域除少量铁元素外，无其他异常元素；少量的硫和铬元素为铬酸阳极化残余物。

表3 平垫圈锈渍区域、正常区域和划伤区域的EDS分析结果

1.5 维氏硬度测试

参考弹簧垫圈的常规硬度检验方法[7]，在锈蚀弹垫和同规格库存弹垫截取截面试样，经打磨、抛光后，进行维氏硬度测试，根据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及硬度换算值》标准，将维氏硬度换算成洛氏硬度，换算结果见表4。由表4可见，锈蚀弹垫和库存弹垫的洛氏硬度均满足GB/T 94.1-2008 《弹性垫圈技术条件 弹簧垫圈》标准对65Mn钢弹垫的要求(42～50 HRC)。

表4 锈蚀弹垫和库存弹垫的维氏硬度及洛氏硬度

2 开路电位试验

采用电位分析法分别测试了与锈蚀弹垫同规格的氧化膜破损与完好库存弹垫的开路电位，开路电位均在饱和KCl溶液中测量，相对于232型甘汞电极SCE，开路电位测试装置示意见图10。

图10 开路电位试验示意

开路电位可用于评价零件自腐蚀电位的高低。氧化膜破损库存弹垫的开路电位因氧化膜破损面积不同而不同，故开路电位测试结果为范围值。由表5可见：与氧化膜完好的库存弹垫相比，氧化膜破损的库存弹垫的开路电位均向负值移动，库存弹垫的开路电位由-493 mV(均值)降至-513 mV以下。开路电位越小，表明材料失去电子转化为阳离子的倾向越大，说明材料腐蚀倾向增大[8-9]。

表5 氧化膜破损与完好的库存弹垫的开路电位测试结果

3 分析与讨论

通过宏观观察结果可知，锈蚀弹垫在安装过程中与两侧锁紧螺母和平垫圈发生旋转摩擦，两个承力面表面的黑色氧化膜部分发生脱落，导致65Mn钢基体暴露，表面氧化膜基本失去对弹垫的保护作用。弹垫开口锐角端在安装过程中受到扭转力和压力，严重划伤锁紧螺母和平垫圈表面的阳极氧化膜层，使铝合金基体暴露，直接和弹垫基体接触，这与能谱分析结果中弹垫承力面和锈蚀区域检测到的铝元素相一致。

金相检验结果表明：弹垫锈蚀区域原氧化膜层出现增厚现象，表面有腐蚀坑，腐蚀坑深度超过原氧化膜层厚度，尚未出现腐蚀裂纹，说明基体金属已被腐蚀形成氧化物，发蓝的原氧化膜Fe3O4有被继续氧化的可能。能谱分析结果表明：锈蚀发生于弹垫表面与锁紧螺母和平垫圈基体直接接触的区域，且在多个区域均有发生，其腐蚀产物的主要成分为Fe2O3，这与锈蚀弹垫表面的疏松多孔结构以及红棕色外观相一致。

锈蚀弹垫两个承力面黑色氧化层脱落区域,可见已明显锈蚀，有些区域没有发生腐蚀，其原因是弹垫在装配时该区域处于压紧状态，气密性检查残留的皂液较难渗入并完全覆盖承力面，尤其是承力面与铝垫圈和锁紧螺母紧密贴合的区域。因此，锈蚀弹垫承力面黑色氧化层脱落区域仅发生在弹垫与电解质环境直接接触的区域。

通过开路电位试验结果可知，当弹垫表面氧化膜被破坏后，其开路电位会负移，导致材料的腐蚀倾向增大。另外，在进行气密性检查时使用的皂液为腐蚀的发生创造了电解质环境，使金属离子的溶出和氧化更加容易。

综合以上分析，锈蚀弹垫锈蚀的原因是气密性检查中所使用的皂液残留在弹垫表面，为电化学腐蚀创造了的电解质环境。弹垫外表面发蓝的氧化膜层主要成分为Fe3O4，氧化膜在残留皂液的潮湿环境中进一步生成的Fe2O3，反应方程式见式(1)。

2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+2H++2e-

(1)

弹垫承力面黑色氧化层脱落区域的锈蚀产物主要成分为Fe2O3，是基体中铁元素与皂液反应生成的，反应方程式见式(2)。

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

(2)

Fe(OH)2继续氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3干燥脱水生成Fe2O3，具体反应方程式见(3)和式(4)。

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

(3)

2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O

(4)

表面氧化层未破损的弹垫侧面同样出现了锈蚀，在使用皂液检查气密性时，若不及时清除残留的皂液，将会加速弹垫腐蚀。另外，发蓝处理后弹垫的耐蚀性比较差，弹垫夹在两个铝合金紧固件之间，也可能会发生电偶腐蚀。

在干燥和无应力环境中，钢制零件表面的腐蚀速率较为缓慢，无法在短时间内观察到明显的锈蚀现象，即使在设计失效模式与影响分析(Design Failure Mode and Effects Analysis，DFMEA)阶段也很难分析出该类潜在故障。该锈蚀弹垫已装配超过一个月，由于某些原因，弹垫锈蚀程度尚处于肉眼可见范围，若未能及时发现，该连接燃油直通管接头的弹垫可能会发生断裂，造成燃油管变形或拉断等事故。

4 结论及建议

(1)弹簧垫圈在装配过程中与平垫圈和锁紧螺母之间发生摩擦，导致弹垫表面氧化层部分发生脱落，在气密性检查残留的皂液环境中，弹簧垫圈发生锈蚀。

(2)在结构组件设计过程中，应选用不锈钢或者表面有防护镀层的弹簧垫圈，在安装过程中应尽量避免表面防腐蚀层发生破损，在结构检查过程中应谨慎使用和仔细清理皂液等腐蚀性介质。