沿海工程車輛主要采用的是鋁合金材料,由于鋁合金具有比重輕、硬度大的特點,被廣泛應用于航空航天工業和造船工業中。船舶的建造和工作環境要求材料應有良好的耐蝕性、可焊性、可塑性和一定的抗拉強度、屈服強度、伸長率、抗沖擊等性能。但是,海水含鹽量一般在3.5%左右,是天然的強電解質。鋁合金材料受海水或海洋大氣的腐蝕嚴重,工程車輛材料在海水中易產生各種腐蝕,例如:點蝕是鋁合金在海水中最常見的一種破壞現象,它常常是晶間腐蝕和剝蝕等其他形式腐蝕的起源,如疲勞腐蝕的裂紋源正是從點蝕開始的。這些腐蝕的產生極大的降低了鋁合金構件的使用壽命和整體的可靠性,直接制約了工程車輛在海洋環境中的應用,因此,開發和使用高效的海洋環境下工程車輛腐蝕防護技術,對減小海水對工程車輛的腐蝕破壞,保證鋁合金構件的正常使用有著極其重要的意義。
工程車輛主要腐蝕問題
工程車輛構件在海洋環境中的腐蝕主要包括:點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕、剝蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕、腐蝕疲勞等腐蝕形態,這些腐蝕類型往往與結構設計或冶金因素有關。為了研究掌握工程車輛的腐蝕問題,對工程車輛腐蝕故障進行了全面、認真的分析,歸納總結了工程車輛存在的腐蝕狀況和特征。
車體外部腐蝕問題
工程車輛采用的材料一般為Al-Zn-Mg超硬鋁合金,具有高的比強度、優良的可焊性、較好的斷裂韌性,但是其應力腐蝕敏感性和剝蝕傾向較大。在工程車輛下海使用后,由于鋁合金表面光滑,表面預處理工藝不合適,使得涂裝的涂層脫落嚴重; 同時鋁合金與其他金屬發生電偶腐蝕嚴重;并且鋁合金與砂石磨損嚴重,導致底部腐蝕磨損嚴重。
工程車輛下海后,行動部分均處于水線下的全浸區,與海水充分接觸,上岸以后難以對該部分徹底清洗干凈,造成腐蝕介質長時間滯留,形成干濕交替環境,導致誘導輪、主動輪以及螺栓等嚴重銹蝕。
車體內部腐蝕問題
在車體內部,由于密封不嚴導致海水滲漏到車內,形成高鹽霧的腐蝕環境,部分零件浸泡在海水中,表面涂層不能抵御侵蝕,導致銹蝕嚴重,同時在保養過程中也難用淡水沖洗,加劇了零部件的腐蝕,如離合器、螺栓螺桿銹蝕嚴重;拉桿接頭及銷子等部分零件銹蝕致使操縱阻力變大;制動彈簧件的失效和斷裂直接導致操作失靈;電子儀器設備和線路在實際使用中,產生絕緣擊穿、接觸不良、電阻值改變等,導致裝備電氣故障頻發;同時海水滲漏到發動機部分機件,由于發動機工作部件產生高溫,形成高溫鹽霧腐蝕環境,致使發動機冷排氣管道、發動機支架及附件等腐蝕嚴重。
工程車輛腐蝕綜合控制技術
工程車輛腐蝕問題存在著多誘因,大范圍和多方位的問題,同時腐蝕問題使工程車輛的性能降低,維護保養困難、維修費用增加,形勢十分嚴重。
工程車輛腐蝕控制思想
工程車輛在使用過程中,其零、部件所發生的銹蝕、退化、變質等現象均稱為腐蝕。為了控制工程車輛的銹蝕、退化、變質,延緩腐蝕、控制腐蝕,以確保工程車輛使用運行的可靠性、安全性和使用壽命,必須采用一系列的有效措施,這些措施包括防腐蝕設計、防腐蝕技術工藝方法以及工程車輛維修和日常維護保養全過程中腐蝕預防體制的建立:
① 合理的防腐蝕結構設計;
② 良好的耐腐蝕材料;
③ 正確地選用表面工程技術;
④ 合理采用陰極保護技術;
⑤ 采用密封劑或緩蝕密封劑進行工程車輛內部的環境隔離;
首先必須認識工程車輛的性能要求及運行環境狀況、可能發生的失效類型,從而確定設計和選擇的各項技術;其次是了解各種技術的工藝特點及其適用范圍的基礎上,選擇合適的工藝并制定相應的配套工藝。在工程車輛防腐工程設計中遵循下述通用原則:
(1)采用耐腐蝕材料,提高零件自身性能;
(2)零部件表面采用先進適用的涂覆層保護(對于不耐蝕材料,可采用各類涂覆層);
(3)使工程車輛零部件、系統處于相對干燥環境(有效密封或及時除濕)。
(4) 經濟上的合理性;防腐技術使用后要有一定的經濟效益,如工程車輛的使用性能提高、使用壽命的延長、故障與維修的減少,工程車輛在使用的全過程中成本降低等。
通過上述措施的實施,其目的是使工程車輛適應環境和運行條件的需要,提高工程車輛防腐蝕的能力,獲得經濟、高效、高質量的防腐工程設計,提高可靠性和延長工程車輛的使用壽命。
工程車輛腐蝕綜合控制技術
工程車輛異種金屬電位匹配技術的研究
針對工程車輛中異種材料帶來的電偶腐蝕嚴重的問題,在全面統計新工程車輛上使用的各類材料基礎上,系統整理了車體上金屬連接件的數量、位置、名稱及所使用材料的表面處理,確定了某種工程車輛上共使用了26種材料,共產生30多種異金屬固定連接,150多種異金屬零部件連接,建立了工程車輛電偶腐蝕數據庫。通過電偶基礎實驗,得到主要材料在海水中的電偶序:7A52、5A06、2A12、Q235、45鋼、38CrSi、1Cr18Ni9Ti。
研究了陰/陽面積比對電偶腐蝕速度產生的影響,得出電偶腐蝕速度與陰/陽面積比呈線性關系,電偶腐蝕速度隨著陰/陽面積比的增大而增大。研究了介質濃度、溫度和含氧量對電偶腐蝕的影響,同時模擬工程車輛在干濕交替狀態下電偶腐蝕現象、特點。提出工程車輛電偶腐蝕防護原則:
(1)盡量避免腐蝕電位相差懸殊的異種金屬做導電接觸;
(2)避免加速電偶腐蝕的因素;
(3)采用陰極保護技術。
根據工程車輛電偶腐蝕防護原則,研究了電偶腐蝕防護技術,結果表明:工程車輛電偶腐蝕數據庫為工程車輛腐蝕綜合控制打下基礎,提出的電偶腐蝕控制原則和防護措施使工程車輛電偶腐蝕降低2倍以上。
新型六元犧牲陽極材料的研制
針對工程車輛用犧牲陽極在干濕交替使用中出現啟動時間慢、陽極表面結殼等問題,采用車體電位平衡時間作為評價標準,通過研制新型高活化和高極化速度的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn六元犧牲陽極材料,采用BESAY軟件模擬設計與布置,安裝優化實現快速極化和精確設計,進行車體電位實際測試分析,優化陽極塊分布,安裝匹配車體陽極塊,力爭使保護效果顯著提高。
試驗表明:在干濕交替條件下,該六元陽極啟動時間3-5分鐘,提高了5倍以上,工作電位達到-1.10V,電流效率高達90%,溶解形貌均勻,腐蝕產物自動脫落,無結殼現象,對車體起到很好的保護作用。
陶瓷型耐磨蝕涂層的研制
針對工程車輛鋁合金底板磨損、腐蝕嚴重等問題,運用堆積級配理論,通過正交試驗,對Al2O3涂層填料的顆粒度、顆粒級配組合進行優化,結合實車涂覆規范工藝,優化工藝參數。擬選取雙組分耐磨修補劑系列,該類修補劑是以金屬碳化物及超硬陶瓷為骨干的耐磨復合材料,與基體結合強度高,考慮到耐磨蝕要求進行成份的優化設計,為高性能膠粘劑,分A、B兩組份。A組份為主膠呈黑色膠泥狀,B組份為固化劑。其特點:粘接強度高,耐磨損,耐油、耐介質性好。
結果表明:車體底板陶瓷耐磨蝕涂層化學穩定性好,與車體結合強度高,達到30MPa,邵氏硬度80-90,相對耐磨性4-5(鋼為1);涂層無脫落,無銹蝕;無明顯劃痕。
履帶復合防腐涂覆層技術的研究
針對履帶腐蝕銹死問題,研究采用化學鍍Ni-P合金鍍層、真空滲鋅、鋅鉻涂層等單一涂層和復合涂覆層對履帶進行防護,通過從單一涂層到涂覆層的系統實驗,得到真空滲鋅+鋅鉻涂層+高分子厭氧膠的復合防腐涂覆層技術方法(復合涂覆層結構如圖9),能夠有效解決履帶腐蝕問題。
試驗表明:復合涂層在一個工作期內能夠對履帶起到較好的防腐作用,防腐效果優于單一的鋅鉻涂層和化學鍍Ni-P合金鍍層,履帶拆卸的強度減輕1倍以上。
高分子密封綜合防腐技術的研究
在工程車輛的設計中,采用了機械密封設計,如密封圈、密封墊等密封技術。一般情況下,在工程車輛的使用和維修中,不會改變原有的密封設計。為了改善裝備的防腐效果,更多是采用高分子密封防腐材料,以填充的方式隔離腐蝕介質,起到防護作用。消除密封間隙的技術方法就是在需要密封的部位涂一些高分子密封膠,這些高分子膠經固化后就密封了間隙。這就是本技術的密封防腐原理。
對于工程車輛的車外緊固螺栓,螺栓螺紋與螺母螺紋之間總是存在一定間隙(內螺紋設計所致),在海水中,海水會滲入間隙而造成螺紋的銹蝕,甚至形成“銹死”現象。在海水或鹽霧環境中銹蝕嚴重。在車輛維修保養時,經常需要拆卸這些螺栓。在拆卸過程中,已經嚴重銹蝕的螺栓很難順利擰下來,甚至會造成螺栓被擰斷的現象,給維修保養帶來困難。要消除螺紋銹蝕現象的根本途徑是消除間隙,讓海水無空可滲。在高分子螺紋密封鎖固膠的系列產品中,原設計有兩個功能,一個是螺紋間隙的密封,另一個作用是鎖固,使螺栓不會在使用時松動脫落。對于工程車輛的車外螺栓,主要是密封防腐,鎖固功能是次要的。因此選擇時最好用低強度的高分子螺紋密封鎖固膠,而決不可選用高強度和超高強度膠,否則螺栓拆卸時相當困難,甚至無法卸下。
另外,兩個平面之間的密封,例如發動機上、下箱體的密封、變速箱上、下箱體的密封等,大都采用固體襯墊密封,使用中滲漏現象比較普遍。現在,采用高分子平面密封膠進行密封的效果和使用可靠性都得到提高。在裝配前,將膏狀的密封膠涂在密封平面上,利用高分子密封膠優良的填充性使平面的不平度、粗糙度等缺陷填平,當合上對偶平面并固化后,形成了一個密封性優良的密封層。
結語
在本文中,詳細介紹了工程車輛在海洋環境下使用中出現的腐蝕問題,并且針對工程車輛出現的腐蝕問題提出了相應的解決方案。通過工程車輛暴露出的腐蝕防護問題,我們應當看到海洋腐蝕環境具有多樣性和復雜性的特點,導致在海洋環境中使用的工程車輛的腐蝕防護工作是一項復雜的系統性工程。工程車輛各部位工作環境、腐蝕狀況、腐蝕規律是不同的,所以,對于各部位采用的腐蝕控制技術應當是不同的,不能一概而論。當前,針對海洋環境下材料的腐蝕防護技術有很多,每種技術都有其鮮明的特點,體現在使用環境的不同、防護壽命的差異和成本的高低等方面。采用綜合防腐控制技術的目的,在于整合現有的各種防腐技術的獨特優勢,并針對工程車輛不同部位在海洋環境下產生的腐蝕情況不同,提出綜合性的解決方案,使得工程車輛在綜合性的兼顧了相關腐蝕防護因素之后,進而在工程車輛的整個腐蝕防護設計及控制層面上達到最優。我們應當看到,面對工程車輛在使用性能不受影響的前提下,同時滿足復雜環境下腐蝕防護的要求,科學合理的選擇腐蝕防護技術對于有效的發揮工程車輛的性能以及降低生產成本具有重要意義。
作者
黃燕濱,中國腐蝕與防護學會第九屆理事會常務理事,裝甲兵工程學院裝備再制造工程系教授,是裝備再制造工程加工及信息化和裝備腐蝕控制研究領域的學術帶頭人,多年來一直從事裝備維修保障、表面工程和腐蝕控制等領域的教學和科研工作。獲軍隊科技進步二等獎1項,三等獎5項。獲國家和軍隊精品課程一等獎各1項,獲總裝課程建設一等獎1項,全軍教學成果二等獎1項。出版教材3部、專著2部,發表學術論文60余篇。
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