紧固件防腐蚀技术分析

下载贤集网APP入驻自媒体

紧固件防腐蚀技术分析
彭艳华
（南车株洲电力机车有限公司质量保证部，湖南株洲412001）
摘要：文章介绍了武汉、上海、长沙城轨项目的车外设备安装中多次出现的A4不锈钢材质的螺栓与达克罗表面处理的弹簧钢材质的垫圈配套使用时，导致垫圈生锈的现象，并利用双金属腐蚀原理进行理论分析和试验验证，最终提出预防措施和建议。
关键词：车外设备安装；不锈钢；达克罗表面处理；双金属腐蚀；预防措施
中图分类号：U260.7      文献标识码：A 文章编号：1672-1187（2014）06-0014-03
 
1提出问题
近年来城轨车辆多次出现机械电气设备安装螺栓垫圈不同程度生锈的问题，例如上海11号线项目车顶空调减振器安装垫圈，武汉2号线、4号线及上海6号线项目的车体底架设备悬挂座安装垫圈，长沙2号线项目车顶受电弓电缆连接安装垫圈等，如图1所示。经査阅相关图纸分析发现，上述出现垫圈生锈的螺栓连接均安装在车外，且螺栓材质为A4不锈钢，而匹配的均为FSTDAC320（俗称表面达克罗处理）的弹簧钢垫圈。对比同期生产的郑州、宁波、无锡、马来西亚等项目中螺栓和垫圈材质均为A4不锈钢的车外设备安装的螺栓连接，未出现垫圈生锈的情况。对该种表面达克罗处理的弹簧钢材质的垫圈进行化学成分检验，化验结果分别为:C（0.63%），Si（0.30%），Mn（0.77%），S（0.004%），P（0.015%），Cr（0.03%），Mo（0.005% ），均符合相关标准和技术规范要求，因此分析认为这种情况下的垫圈生锈可能是因为螺栓和匹配垫圈的材质不同，在车外水介质的长期作用下产生双金属腐蚀而导致的。

2分析问题
    所谓双金属腐蚀，是指两种或两种以上不同电极电位的金属处于腐蚀介质内相互接触而引起的电化学腐蚀，又称接触腐蚀或电偶腐蚀。发生双金属腐蚀时，电极电位较低（阴极）的活泼金属通常会被腐蚀，而电极电位较高（阳极）的金属则会被保护。
双金属腐蚀的形成包括三个基本条件：一是两种金属之间必须存在电位差，且两者的电位差越大腐蚀倾向越大（各种常用金属的标准电极电位如表1所示）；二是两种金属之间要有经导线连接或直接接触后形成的电子通道；三是两种金属的接触区要有电解质覆盖，这样阳极金属中失去的电子形成离子进入电解质溶液，在阴极金属表面被吸收，在电解质中由阳极向阴极运动的过程中形成电流，从上述分析可见在双金属腐蚀过程中，总是伴随着阳极金属的损耗。如果改变上述三个基本条件中的任何一个，双金属腐蚀即被终止，同时研究试验表明双金属腐蚀与两种金属的接触面积有关，阴阳极金属的接触面积比越小，腐蚀程度越小，具体如表2所示。

    在介绍达克罗处理的垫圈与不锈钢材质的螺栓配套使用时生锈的问题之前，先了解一下不锈钢的主要成分和达克罗处理工艺：不锈钢具有良好的耐氧化和耐酸碱腐蚀的性能，其主要成分除铁外，一般都还含有13%以上的铬和10%左右的镍；达克罗处理工艺中的达克罗俗称锌铬涂层，是一种以锌粉、铝粉、铬酸和去离子水为主要成分的新型的防腐涂料，达克罗工艺比传统的电镀锌、热镀锌工艺的表层耐腐蚀性能提高7~10倍以上，且研究试验表面经过达克罗工艺处理的标准件经过1200小时的盐雾试验后未出现锈迹现象。
    在前述垫圈生锈问题中，形成双金属腐蚀的三个基本条件已满足：第一，以铝、锌为主的垫圈达克罗工艺镀层和以铁、铬、镍为主的不锈钢螺栓之间存在在一定的电位差；第二，垫圈和螺栓之间直接接触形成了电子通道；第三，该螺栓暴露在车外，经常接触雨水，形成电解质覆盖的状况。虽然形成双金属腐蚀的必要条件都满足了，但是因为该种垫圈和螺栓之间的电位差较小，且水为弱电解质，所以该双金属腐蚀的过程缓慢，出现腐蚀情况的时间较长。
另外，对于城轨车辆上应用很多的不锈钢螺栓和垫圈直接跟铝合金材质部件安装紧固，同样安装在车外但未出现生锈的现象，可以从两个方面来理解：第一，铝非常活泼，通常极易跟空气中的氧气反应生成致密的氧化铝薄膜覆盖在其表面，能在很大程度上避免内部铝合金跟不锈钢之间双金属腐蚀的发生；第二，作为阳极的铝板面积要远远大于作为阴极的不锈钢螺栓和垫圈，相对于达克罗垫圈和不锈钢螺栓之间近乎相同的接触面积来说，其导致的腐蚀程度较小，同时相比于红褐色的铁锈来说，白色的钼锈跟铝合金的银白本色接近，通常情况下容易被忽略。同等盐雾试验条件下不锈钢螺栓跟Q235碳钢和铝合金板材之间的双金属腐蚀效果如图2所示。

3试验验证
3.1达克罗工艺防腐试验
    根据以上问题的理论分析结论，针对达克罗表面处理的垫圈与不锈钢螺栓连接时是否发生了双金属腐蚀的问题，以及达克罗表面处理的垫圈本身的耐腐蚀性能进行了相关的试验验证，即选取与前述生锈垫圈同批次的6件产品进行中性盐雾（浓度为5%的NaCl）试验。试件分两组（见图3），1组为与螺栓连接配合（2件），2组为单独的垫圈（4件），试验参照GB6458—1986执行。
试验过程中发现，24小时后观察1组的垫圈有锈迹出现，2组的垫圈无锈迹、无蚀点（见图4）；48小时后观察1组的垫圈锈迹扩大，2组的垫圈无锈迹、无蚀点（见图5）；72小时后观察1组的垫圈锈蚀严重，去除锈蚀后可见明显蚀点，2组的垫圈仍然无锈迹、无蚀点（见图6、图7）。

    从上述试验结果来看，经过达克罗工艺处理后的垫圈经过72小时盐雾试验后外观正常，无锈迹、蚀点现象，说明达克罗工艺处理的表层耐腐蚀性能是满足要求的。但当其与不锈钢螺栓连接后在同等条件下进行盐雾试验时，因为垫圈达克罗镀层的电位较不锈钢螺栓的电位低，在盐雾环境下发生了双金属腐蚀，最终导致垫圈腐蚀生锈。
3.2双金属腐蚀与接触面积大小关系的试验
为验证双金属腐蚀过程中不同接触面积的阴阳极比例对腐蚀程度的影响，选择跟不锈钢螺栓的接触面积分别为1:2，1:4和1:12的3块Q235碳钢材质的原板，紧固连接后在浓度为5%的NaCl环境中进行24小时的中性盐雾试验。试验过程中3组试件同批次进行，试验前后的状况分别如图8、图9所示。

从试验结果明显可以看出，接触面积比为1:2的碳钢板表面基本全部出现了红褐色的锈迹，接触面积为1:4的碳钢表面部分出现了锈迹，而接触面积为1:12的碳钢板表面只有局部的锈迹斑点。这充分说明了双金属腐蚀的程度跟接触面积的大小是直接相关的，当该比值趋于无穷大时，双金属腐蚀就基本可以忽略不计了。
4预防措施及建议
根据前面的理论分析和试验验证结果可以看出，达克罗表面处理的弹簧钢垫圈跟不锈钢材质的螺栓在车外配套连接使用时出现生锈现象是必然的，为了消除隐患，保证行车安全，必须杜绝此种不合理的搭配使用情况。
同时建议在以后新型电力机车和城轨车辆的紧固件或其它相连接部件的设计选型时，为避免车外安装的连接部件再次发生双金属腐蚀现象，可采取如下预防措施：
1）选择在自然环境下工作的紧固件，其本身应具备良好的防腐功能，且螺栓、螺母、垫圈之间的电极电位尽量接近（最好不超过50mV），最好是完全相同的材质。
2）当两种相连接部件的金属材质实在无法改变时，应尽量减小较高电极电位金属（阳极）的面积，同时使电极电位较低的（阴极）金属表面积增大。
3）如果有可能，还可以在相接触的两种金属之间增加绝缘材料，并使介质电阻尽可能大一些。