李鈞甫,何 軍,朱 苓

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610091)

彈簧墊圈是一種被廣泛用于機(jī)械產(chǎn)品承力和非承力結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)件，其特點是利用開口所形成的左旋彈簧結(jié)構(gòu)，有效防止右旋螺紋緊固系統(tǒng)的松動。因此，在有震動的部件連接中，彈簧墊圈具有較好的防松和預(yù)緊力補(bǔ)償?shù)茸饔?。另外，其成本低廉且安裝方便，適用于拆裝頻繁的部位。

GB859輕型彈簧墊圈采用65Mn鋼制成，表面處理為氧化發(fā)藍(lán)。65Mn鋼是一種典型的彈簧鋼材料，具有強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向小、價格低廉、切削加工性好等優(yōu)點，但是這種材料具有過熱敏感性和回火脆性，易產(chǎn)生淬火裂紋。65Mn鋼主要用于生產(chǎn)鋼絲、鋼帶，制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、板簧和彈簧片等。近年來，報道的多起事故均因65Mn鋼彈簧墊圈額外增加了鍍層工藝而產(chǎn)生氫脆斷裂[1-4]，關(guān)于其在服役狀態(tài)下發(fā)生的腐蝕失效卻鮮有報道。

腐蝕失效是在機(jī)械、化工、冶金等工程領(lǐng)域除疲勞失效以外最為常見的失效形式之一，其影響和造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。據(jù)估算，我國2009年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)超過1萬億元[5]。彈簧墊圈一旦出現(xiàn)問題就會使緊固件防松失效，導(dǎo)致整個產(chǎn)品不能正常工作，這會給產(chǎn)品使用造成嚴(yán)重影響[6]。

某結(jié)構(gòu)組件上安裝的擴(kuò)口式A型燃油直通管接頭(HB4-5-10)順航向后端的彈簧墊圈GB859-18-65Mn(以下簡稱彈墊，材料牌號為65Mn，熱處理工藝為淬火+回火，表面處理工藝為發(fā)藍(lán)處理),在氣密性檢查后,發(fā)現(xiàn)其側(cè)面有大面積銹蝕，并已擴(kuò)展到左右兩邊的HB 4-46 M18×1.5鎖緊螺母(材料牌號為2A12，熱處理工藝為T4，表面處理工藝為陽極化)和HB1-521平墊圈(以下簡稱平墊圈，材料牌號為LY12)。銹蝕彈墊的三維裝配結(jié)構(gòu)及銹蝕位置見圖1。

圖1 銹蝕彈墊的三維裝配結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場了解，該彈墊夾在鎖緊螺母和平墊圈之間，通過鎖緊螺母結(jié)構(gòu)組件連接另一側(cè)的燃油管螺紋接頭。該彈墊已安裝一個多月，且此處燃油管螺紋接頭有氣密性檢查要求，現(xiàn)場氣密性檢查時使用皂液是為了方便氣密性目視檢查。將銹蝕位置處的組件拆卸后發(fā)現(xiàn)，彈墊兩側(cè)的鎖緊螺母和平墊圈表面的陽極化膜層均已被彈墊開口銳角端劃破，基體暴露并與彈墊直接接觸。

筆者通過宏觀觀察、微觀形貌觀察、金相檢驗和化學(xué)成分分析、掃描電鏡及能譜分析等方法，確定了彈墊銹蝕模式。在此基礎(chǔ)上，對氧化膜層完好和破損的彈墊的開路電位進(jìn)行測量，進(jìn)一步確定了該彈墊銹蝕的根本原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

由圖2可見：拆卸后的彈墊除側(cè)面有不均勻、不連續(xù)的紅棕色銹蝕外，兩個承力面也存在大面積銹蝕；兩個承力面遠(yuǎn)離彈墊開口端處的銹蝕比其他區(qū)域嚴(yán)重；彈墊開口端受力位置和兩個承力面表面的黑色氧化層發(fā)生部分脫落，隱約可見銀白色金屬基體。對庫房中同批次的其他彈墊進(jìn)行檢查，未見其表面黑色氧化層發(fā)生破損和產(chǎn)生銹蝕產(chǎn)物。彈墊外周及各承力面表面有均勻完整的黑色氧化發(fā)藍(lán)層，在庫房環(huán)境中，零件表面均涂抹了防銹油并用牛皮紙包裝進(jìn)行存放。

圖2 彈墊不同位置處的宏觀形貌

由圖3可見：平墊圈與彈墊接觸側(cè)靠內(nèi)圈區(qū)域的陽極氧化膜層已被刮掉，露出內(nèi)部銀白色鋁合金基體，其周圍可見黑色印記，靠外圈區(qū)域可見部分紅棕色銹蝕痕跡；未與彈墊接觸側(cè)的陽極氧化膜層完好，未見明顯缺陷。

圖3 平墊圈不同位置處的宏觀形貌

由圖4可見：鎖緊螺母與彈墊接觸一側(cè)表面陽極氧化膜層部分被刮掉，內(nèi)、外圈銀白色鋁合金基體暴露，內(nèi)圈還附著有不連續(xù)的紅棕色銹跡，根據(jù)銹跡顏色可以判斷銹蝕起源于內(nèi)圈劃傷部位。

圖4 鎖緊螺母與彈墊接觸側(cè)的宏觀形貌

1.2 金相檢驗

由圖5可見：彈墊銹蝕區(qū)域呈明顯的鐵銹紅色，且已經(jīng)形成深入金屬基體的腐蝕坑，腐蝕坑底部未見腐蝕裂紋；相對于正常區(qū)域，銹蝕區(qū)域附近氧化膜層厚度明顯增厚，正常區(qū)域氧化膜層厚度為1～3 μm，符合GJB 594-1988《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》標(biāo)準(zhǔn)中對鋼制零件化學(xué)氧化膜層厚度的要求(0.5～15 μm)，銹蝕區(qū)域氧化層厚度為5～6 μm。

圖5 彈墊銹蝕區(qū)域和正常區(qū)域的微觀形貌

1.3 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對彈墊表面銹蝕區(qū)域、鎖緊螺母表面缺陷處及平墊圈表面缺陷處進(jìn)行形貌觀察。由圖6可見，彈墊表面銹蝕區(qū)域已形成疏松多孔的氧化物層，且與基體剝離。由圖7可見，彈墊兩個承力面銹蝕區(qū)域有一層厚度不均的附著物，附著物較厚區(qū)域呈團(tuán)絮狀或冰花狀多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性較差，可能為氧化物；正常區(qū)域表面覆蓋著一層均勻的氧化物。

圖6 彈墊銹蝕區(qū)域的微觀形貌

圖7 彈墊銹蝕區(qū)域、正常區(qū)域及銹蝕區(qū)域附著物的SEM形貌

由圖8可見：鎖緊螺母表面銹漬呈塊狀附著在陽極氧化膜層表面，且靠近劃傷部位；進(jìn)一步放大銹漬位置處觀察發(fā)現(xiàn)，銹漬與彈墊表面銹蝕的微觀形貌不同，沒有明顯的疏松多孔結(jié)構(gòu)，這可能是彈墊與鎖緊螺母承力面緊密接觸后，銹蝕產(chǎn)物黏附到螺母承力面所致。

圖8 鎖緊螺母表面缺陷的SEM形貌

由圖9可見：平墊圈表面形貌與鎖緊螺母的類似，可見其表面陽極氧化膜層有明顯劃傷，劃傷附近可見銹漬。

圖9 平墊圈表面缺陷的SEM形貌

1.4 能譜分析

采用能譜儀(EDS)對彈墊正常區(qū)域、磨損區(qū)域和銹蝕區(qū)域進(jìn)行能譜分析。由表1可見：與正常區(qū)域表面氧化膜相比，磨損區(qū)域表面氧化膜發(fā)生脫落，檢測到該區(qū)域含鋁元素，65Mn鋼基體部分暴露；彈墊磨損區(qū)域表面氧化膜脫落位置的氧/鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值比正常區(qū)域的低，未檢測出其他典型的腐蝕性元素；彈墊銹蝕區(qū)域的氧含量相對于正常區(qū)域明顯增高，且氧/鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.40～0.45，接近Fe2O3的氧/鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(約為0.43),該區(qū)域也含有鋁元素。

表1 彈墊正常區(qū)域、磨損區(qū)域和銹蝕區(qū)域表面氧化膜的EDS分析結(jié)果

由表2可見，鎖緊螺母銹漬區(qū)域鐵、氧元素含量相對較高，氧/鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為0.46，接近Fe2O3的氧/鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，可以確定該區(qū)域銹蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3；鎖緊螺母劃傷區(qū)域的鋁合金基體已完全暴露，銅、鎂元素為2A12鋁合金的主要合金元素，未檢出其他異常元素。

表2 鎖緊螺母銹漬區(qū)域和劃傷區(qū)域的EDS分析結(jié)果

由表3可見：平墊圈銹漬區(qū)域的主要元素與鎖緊螺母的類似，除鐵以外，未檢出其他異常元素；鉻元素為鉻酸陽極化殘余物；正常區(qū)域除少量鐵元素外，無其他異常元素；少量的硫和鉻元素為鉻酸陽極化殘余物。

表3 平墊圈銹漬區(qū)域、正常區(qū)域和劃傷區(qū)域的EDS分析結(jié)果

1.5 維氏硬度測試

參考彈簧墊圈的常規(guī)硬度檢驗方法[7]，在銹蝕彈墊和同規(guī)格庫存彈墊截取截面試樣，經(jīng)打磨、拋光后，進(jìn)行維氏硬度測試，根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及硬度換算值》標(biāo)準(zhǔn)，將維氏硬度換算成洛氏硬度，換算結(jié)果見表4。由表4可見，銹蝕彈墊和庫存彈墊的洛氏硬度均滿足GB/T 94.1-2008 《彈性墊圈技術(shù)條件 彈簧墊圈》標(biāo)準(zhǔn)對65Mn鋼彈墊的要求(42～50 HRC)。

表4 銹蝕彈墊和庫存彈墊的維氏硬度及洛氏硬度

2 開路電位試驗

采用電位分析法分別測試了與銹蝕彈墊同規(guī)格的氧化膜破損與完好庫存彈墊的開路電位，開路電位均在飽和KCl溶液中測量，相對于232型甘汞電極SCE，開路電位測試裝置示意見圖10。

圖10 開路電位試驗示意

開路電位可用于評價零件自腐蝕電位的高低。氧化膜破損庫存彈墊的開路電位因氧化膜破損面積不同而不同，故開路電位測試結(jié)果為范圍值。由表5可見：與氧化膜完好的庫存彈墊相比，氧化膜破損的庫存彈墊的開路電位均向負(fù)值移動，庫存彈墊的開路電位由-493 mV(均值)降至-513 mV以下。開路電位越小，表明材料失去電子轉(zhuǎn)化為陽離子的傾向越大，說明材料腐蝕傾向增大[8-9]。

表5 氧化膜破損與完好的庫存彈墊的開路電位測試結(jié)果

3 分析與討論

通過宏觀觀察結(jié)果可知，銹蝕彈墊在安裝過程中與兩側(cè)鎖緊螺母和平墊圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，兩個承力面表面的黑色氧化膜部分發(fā)生脫落，導(dǎo)致65Mn鋼基體暴露，表面氧化膜基本失去對彈墊的保護(hù)作用。彈墊開口銳角端在安裝過程中受到扭轉(zhuǎn)力和壓力，嚴(yán)重劃傷鎖緊螺母和平墊圈表面的陽極氧化膜層，使鋁合金基體暴露，直接和彈墊基體接觸，這與能譜分析結(jié)果中彈墊承力面和銹蝕區(qū)域檢測到的鋁元素相一致。

金相檢驗結(jié)果表明：彈墊銹蝕區(qū)域原氧化膜層出現(xiàn)增厚現(xiàn)象，表面有腐蝕坑，腐蝕坑深度超過原氧化膜層厚度，尚未出現(xiàn)腐蝕裂紋，說明基體金屬已被腐蝕形成氧化物，發(fā)藍(lán)的原氧化膜Fe3O4有被繼續(xù)氧化的可能。能譜分析結(jié)果表明：銹蝕發(fā)生于彈墊表面與鎖緊螺母和平墊圈基體直接接觸的區(qū)域，且在多個區(qū)域均有發(fā)生，其腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Fe2O3，這與銹蝕彈墊表面的疏松多孔結(jié)構(gòu)以及紅棕色外觀相一致。

銹蝕彈墊兩個承力面黑色氧化層脫落區(qū)域,可見已明顯銹蝕，有些區(qū)域沒有發(fā)生腐蝕，其原因是彈墊在裝配時該區(qū)域處于壓緊狀態(tài)，氣密性檢查殘留的皂液較難滲入并完全覆蓋承力面，尤其是承力面與鋁墊圈和鎖緊螺母緊密貼合的區(qū)域。因此，銹蝕彈墊承力面黑色氧化層脫落區(qū)域僅發(fā)生在彈墊與電解質(zhì)環(huán)境直接接觸的區(qū)域。

通過開路電位試驗結(jié)果可知，當(dāng)彈墊表面氧化膜被破壞后，其開路電位會負(fù)移，導(dǎo)致材料的腐蝕傾向增大。另外，在進(jìn)行氣密性檢查時使用的皂液為腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了電解質(zhì)環(huán)境，使金屬離子的溶出和氧化更加容易。

綜合以上分析，銹蝕彈墊銹蝕的原因是氣密性檢查中所使用的皂液殘留在彈墊表面，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了的電解質(zhì)環(huán)境。彈墊外表面發(fā)藍(lán)的氧化膜層主要成分為Fe3O4，氧化膜在殘留皂液的潮濕環(huán)境中進(jìn)一步生成的Fe2O3，反應(yīng)方程式見式(1)。

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

(1)

彈墊承力面黑色氧化層脫落區(qū)域的銹蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3，是基體中鐵元素與皂液反應(yīng)生成的，反應(yīng)方程式見式(2)。

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

(2)

Fe(OH)2繼續(xù)氧化生成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3干燥脫水生成Fe2O3，具體反應(yīng)方程式見(3)和式(4)。

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

(3)

2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O

(4)

表面氧化層未破損的彈墊側(cè)面同樣出現(xiàn)了銹蝕，在使用皂液檢查氣密性時，若不及時清除殘留的皂液，將會加速彈墊腐蝕。另外，發(fā)藍(lán)處理后彈墊的耐蝕性比較差，彈墊夾在兩個鋁合金緊固件之間，也可能會發(fā)生電偶腐蝕。

在干燥和無應(yīng)力環(huán)境中，鋼制零件表面的腐蝕速率較為緩慢，無法在短時間內(nèi)觀察到明顯的銹蝕現(xiàn)象，即使在設(shè)計失效模式與影響分析(Design Failure Mode and Effects Analysis，DFMEA)階段也很難分析出該類潛在故障。該銹蝕彈墊已裝配超過一個月，由于某些原因，彈墊銹蝕程度尚處于肉眼可見范圍，若未能及時發(fā)現(xiàn)，該連接燃油直通管接頭的彈墊可能會發(fā)生斷裂，造成燃油管變形或拉斷等事故。

4 結(jié)論及建議

(1)彈簧墊圈在裝配過程中與平墊圈和鎖緊螺母之間發(fā)生摩擦，導(dǎo)致彈墊表面氧化層部分發(fā)生脫落，在氣密性檢查殘留的皂液環(huán)境中，彈簧墊圈發(fā)生銹蝕。

(2)在結(jié)構(gòu)組件設(shè)計過程中，應(yīng)選用不銹鋼或者表面有防護(hù)鍍層的彈簧墊圈，在安裝過程中應(yīng)盡量避免表面防腐蝕層發(fā)生破損，在結(jié)構(gòu)檢查過程中應(yīng)謹(jǐn)慎使用和仔細(xì)清理皂液等腐蝕性介質(zhì)。