摘 要:某燃油直通管接頭的65Mn鋼彈簧墊圈在安裝不到兩個月后,其側(cè)面發(fā)生大面積銹蝕。 通過宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析、硬度試驗(yàn)和開路電位試驗(yàn)等方法,分析了彈簧墊圈 銹蝕的原因。結(jié)果表明:彈簧墊圈側(cè)面的銹蝕產(chǎn)物主要為 Fe2O3;彈簧墊圈銹蝕的主要原因是其在 裝配過程中與平墊圈和鎖緊螺母之間發(fā)生摩擦,導(dǎo)致其表面氧化膜部分發(fā)生脫落,在氣密性檢查殘 留的皂液環(huán)境中,造成了彈簧墊圈的銹蝕。

關(guān)鍵詞:彈簧墊圈;發(fā)藍(lán)處理;銹蝕

中圖分類號:TS912+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0023-05

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(diǎn)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?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(diǎn),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 HB4-46 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。

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(yàn)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(yàn)

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。

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。

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。

1.2 金相檢驗(yàn)

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1~3μm,符合 GJB594-1988《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(0.5~15μm),銹蝕區(qū)域氧化層厚度為5~6μm。

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。

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。

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。

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 數(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。

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。

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。

1.5 維氏硬度測試

參考彈簧墊圈的常規(guī)硬度檢驗(yàn)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/T1172-1999《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/T94.1-2008 《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(42~50HRC)。

2 開路電位試驗(yàn)

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。

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-493mV(均值)降至-513mV 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]。

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(yàn)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(yàn)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)。

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)。

Fe(OH)2 繼續(xù)氧化生成 Fe(OH)3,Fe(OH)3 干 燥脫水生成Fe2O3,具體反應(yīng)方程式見(3)和式(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(jì)失效模式與影響分析(DesignFailure ModeandEffectsAnalysis,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(jì)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)。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:23-27)>