文：鸡博士

编辑：鸡博士

在一架军用飞机中螺栓、螺母等紧固件的使用数量高达几十万件，其重要性不言而喻。螺栓、螺母等紧固件的耐蚀性能直接影响飞机结构的安全性水平。

近年来，海军航空装备的快速发展，导致飞机面临更为严酷的海洋大气腐蚀问题。

当飞机长期服役于高湿、高盐的海洋大气环境中，结构表面通常会形成一层厚度小于1 μm 的微液膜，使不同结构之间形成电导通，从而引发电偶腐蚀，造成安全隐患。

目前大部分研究，主要集中于对螺栓自身应力腐蚀开裂，或螺栓与铝合金搭接件之间的电偶腐蚀行为研究，而对于装配态下螺栓/螺母的电偶腐蚀行为研究较少。

我们基于航空装备常用典型螺栓、螺母紧固件类型，采用盐雾腐蚀模拟、扫描电镜分析、电化学测试等研究手段。

将30CrMnSiA 镀镉钝化螺栓与三种不同螺母( 30CrMnSiA 镀镉钝化螺母、30CrMnSiA 镀锌钝化螺母和 0Cr16Ni6 钝化螺母) 偶接装配。

并以此来研究由于装配导致的电偶腐蚀效应对螺栓和螺母腐蚀行为的影响，揭示装配对典型螺栓和螺母紧固件腐蚀行为的影响规律。

盐雾腐蚀试验

盐雾腐蚀模拟试验包括两组试验，分别采用非装配态和装配态螺栓/螺母试验件。

试验前试验件需用去离子水清洗，酒精、丙酮除油，冷风吹干，然后按实验条件要求将试验件相互绝缘安装在盐雾箱内，试验周期16 d。

试验结束后，取出试样首先进行宏观腐蚀形貌观察，随后进行酸洗去除试样表面腐蚀产物，在 LEO--1450 扫描电镜下观察试样表面微观腐蚀形貌。

电化学测试包括自腐蚀电位( OCP) 、动电位极化和电偶腐蚀电流测试。

其中，自腐蚀电位和动电位极化测试采用传统三电极体系，辅助电极为铂电极，饱和甘汞电极( SCE) 为参比电极，螺栓、螺母试验件为工作电极。

对于螺栓，选取底部螺纹区( 含底部圆面) 、杆纹连接区以及杆部区作为电化学测试区，高度均为 10 mm，非测试区域采用加工制定的聚四氟乙烯套环夹具和硅橡胶进行密封。

电偶腐蚀电流测试采用双电极体系，螺栓、螺母分别作为工作电极和辅助电极，测试区域的选取如图2所示。

其中螺栓的测试暴露区为装配态下的螺纹外露区( 含底部圆面) ，螺母测试区为螺母外表面，其余表面用聚四氟乙烯套环夹具和硅橡胶进行密封。

螺栓、螺母电偶腐蚀电流测试区域的面积分别为 561. 1 mm2 和 491. 5 mm2 。 电化学测试工作站采用普林斯Model 263A 恒电位仪系统． 电解质溶液为质量分数 5% 的 NaCl 溶液。

宏观腐蚀形貌

经过16d的盐雾腐蚀环境暴露，非装配态镀镉钝化螺栓和三种不同螺母试样表面均出现一定程度的腐蚀，腐蚀情况如图 3 所示。

其中，镀镉钝化螺栓和镀镉钝化螺母腐蚀最为轻微，试样大部分区域仍保持光亮，局部区域镀层腐蚀，呈现灰白色腐蚀产物。

相比之下，镀锌钝化螺母和钝化螺母则腐蚀较为严重，尤其钝化螺母试样表面呈现明显红色锈蚀。

说明试样表面钝化膜已经破裂且基体发生腐蚀，这与盐雾中氯离子的破钝效应有关。

氯离子具有很强的穿透能力，容易穿透金属氧化层进入内部，从而破坏金属的钝态，加速基体腐蚀。

装配态螺栓 /螺母试验件宏观腐蚀情况如图4所示。总体来看，装配态螺栓的腐蚀主要发生在外露螺纹区，拧入区域则无宏观可见的腐蚀，杆部区彩虹纹清晰可见。

另外，如图 4 ( b) 所示，当镀镉钝化螺栓与镀锌钝化螺母装配，螺母的腐蚀相比单独暴露明显加重，主要表现为灰白色腐蚀产物增多。

而当镀镉钝化螺栓与钝化螺母装配，螺母的腐蚀则得到显著抑制，表面无红色锈蚀覆盖 。

图5给出了非装配态与装配态镀镉钝化螺栓酸洗后试样表面微观腐蚀形貌对比。

对于组合1，螺栓的腐蚀与非装配态螺栓的腐蚀形貌十分相似，均呈现为密集细小的蚀坑分布。

组合2螺栓表面整体则较为平整，无明显蚀坑，相比之下，组合3螺栓腐蚀最为严重，相比非装配态螺栓蚀坑面积明显增大，腐蚀更为严重。

图6给出了三种不同螺母装配前后的微观腐蚀形貌对比． 对于镀锌钝化螺母，装配态试验件表面腐蚀更为严重。

而对于钝化螺母，装配后试样表面的腐蚀明显变轻，整体更为平整，相比单独暴露下的情况，局部蚀坑没有出现。镀镉钝化螺母装配前后试样整体腐蚀均较轻，微观形貌差异不大。

两种金属之间电位差的大小是影响电偶腐蚀效应高低的重要因素。

图7给出了非装配态镀镉钝化螺栓--螺纹区、镀镉钝化螺母、镀锌钝化螺母以及钝化螺母四种试样的自腐蚀电位对比。

钝化螺母自腐蚀电位最正，约为－120 mV，镀锌钝化螺母最负，约为－1040 mV，镀镉钝化螺栓和镀镉钝化螺母自腐蚀电位相近，处于前两者之间，约为 － 770 m。

对于三种不同螺栓 /螺母组合，组合3螺栓螺母电位差最高，达到 660 mV，理论上该组合电偶效应也应最强，作为电偶腐蚀阴极，腐蚀被抑制，对应螺栓腐蚀被加速;

组合2次之，电位差约为 270 mV，螺栓螺母装配存在一定电偶效应，其中镀锌钝化螺母电位更负，作为电偶腐蚀阳极，腐蚀被加速，对应螺栓腐蚀被抑制;

组合1螺栓螺母基体和表面处理均相同，电位差接近为零，电偶效应不明显。

螺栓不同区域由于结构差异导致镀层不均匀，从而导致区域间耐蚀性能也可能存在一定差异。

因此，为了进一步分析螺栓不同区域间的腐蚀行为差异，我们对螺栓试样不同局部区域分别进行动电位极化曲线测试，结果如图8所示。

通过对曲线的强极化区进行线性拟合分析可知，螺栓杆部区自腐蚀电流密度最低，约为0.5 μA·cm－2。

杆纹连接区自腐蚀电流密度最高，达到 10 μA·cm－2，为杆部区的20倍，螺纹区居中，自腐蚀电流密度为4. 8 μA·cm-2 。

也就是说，镀镉钝化螺栓的腐蚀最薄弱区在杆纹连接区，这与前文图 3( a) 中螺栓的杆纹连接区腐蚀最为严重是相符的。

通过图9对曲线的强极化区进行线性拟合分析可知，镀镉钝化螺母自腐蚀电流密度最低，约为 3. 2 μA·cm － 2。

钝化螺母自腐蚀电流密度最高，其钝化区自腐蚀电流密度达到约 15 μA·cm－2，约为镀铬钝化螺母的 5 倍。

镀锌钝化螺母居中，自腐蚀电流密度约为 5. 6 μA·cm－2 。 这与图 3 中不同螺母单独暴露下腐蚀情况的对比是相符的。

电偶腐蚀效应测试

异种金属电位差大小在某种程度上，可以定性分析电偶腐蚀效应的相对高低，但并不能对电偶腐蚀效应的大小给予定量表征。

电偶腐蚀速率的高低，主要取决于金属间电偶腐蚀电流密度的大小。

因此，为了进一步对不同螺栓/螺母装配之间的电偶腐蚀效应大小，给予量化比较和分析，本节针对不同装配态试验件，分别进行了电偶腐蚀电流测试。

由此可以看出，组合1镀镉钝化螺栓电偶腐蚀电流密度接近为零，电偶效应不明显。

组合2镀镉钝化螺栓电偶腐蚀电流密度值为负值，说明在该种组合下电流从螺栓流出，螺栓为电偶腐蚀阴极，被保护。

组合3镀镉钝化螺栓电偶腐蚀电流密度则为正值，电流流向螺栓，为电偶腐蚀阳极，腐蚀进程被加速。

表2给出了不同组合下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。

其中组合3镀镉钝化螺栓为腐蚀阳极，对应电偶腐蚀电流密度约为16. 1 μA·cm－2，电偶腐蚀敏感性评级为 E 级。

与螺栓类似，组合1镀镉钝化螺母电偶腐蚀电流密度也接近为零，进一步说明该组合下螺栓螺母间电偶效应较弱。

组合2镀锌钝化螺母电偶腐蚀电流密度为正值，电流流向螺母，螺母为电偶腐蚀阳极，腐蚀被加速。

组合3钝化螺母电偶腐蚀电流密度为负值，电流从螺母流出，螺母为电偶腐蚀阴极，腐蚀被抑制。

表3给出了三种组合下，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。

电偶腐蚀电流密度最小，约为 0. 14 μA·cm－2，对应电偶腐蚀敏感性评级为 A 级。

组合2镀锌钝化螺母电偶腐蚀电流密度较高，约为 6. 96 μA·cm-2，对应电偶腐蚀敏感性评级为D级。

结论

为了进一步对不同组合下螺栓、螺母间的电偶腐蚀效应强弱给予量化描述，我们采用加速效应系数作为其量化指标，具体计算方法如下:

n 代表不同螺栓、螺母组合； in为装配态试验件整体暴露下( 有电偶效应) 螺栓、螺母的腐蚀电流密度( 电偶腐蚀电流密度 + 自腐蚀电流密度)；

i 0n为非装配态单独暴露下( 无电偶效应) 螺栓、螺母的自腐蚀电流密度。

分析表明，在三种组合中腐蚀被加速的分别为组合3中的螺栓、组合1中的螺母和组合2中的螺母。

对此，图12给出了上述组合中被加速试验件的加速效应系数对比。

组合3镀镉钝化螺栓电偶腐蚀加速效应最明显，AF达到3.4左右，而组合1镀镉钝化螺母电偶加速效应最弱，AF接近为零，组合2镀锌钝化螺母介于二者之间，AF约为1.2左右。

该现象的本质原因是由于组合1中螺栓、螺母所用材料和表面处理工艺均相同，导致二者之间自腐蚀电位较为接近；

对于组合2，AF约为1.2，对应装配后螺栓腐蚀明显变轻 ，螺母腐蚀则表现出一定程度加重。

这说明镀镉钝化与镀锌钝化之间，存在一定的电偶腐蚀效应，在应用中需谨慎使用或采取一定防护措施；

相较于前两种组合，组合3表现出最强的电偶腐蚀效应，AF达到3.4左右，对应装配前后螺栓腐蚀明显加重。

主要表现为蚀坑变大变深，而螺母的腐蚀则明显减弱，装配态螺母酸洗后表面光滑平整，而非装配态螺母呈现出明显的局部腐蚀特征。

因此采用电偶腐蚀电流测试结合极化曲线测试拟合的手段，对装配态紧固件电偶腐蚀效应的评价，与采用加速腐蚀模拟试验结合宏微观形貌分析得到的结论，是较为相符的。