汽車某型號(hào)螺母腐蝕原因分析研究

宋偉偉 周曉煒 李 梅

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

本文通過顯微鏡觀測(cè)、中性鹽霧試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡對(duì)相關(guān)批次螺母進(jìn)行了測(cè)試研究，評(píng)估了其余良好螺母的使用性能及分析了腐蝕發(fā)生的原因，為汽車用螺母的腐蝕問題分析研究提供了案例參考。

0 引言

螺母作為緊固件連接是汽車常用的連接方式之一，通過螺紋連接使汽車零部件之間裝配貼合緊密，具有裝配方便、穩(wěn)定牢固和零部件拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。螺母緊固件是汽車重要的零部件，關(guān)鍵部位的緊固件涉及車輛的安全和可靠性，由于腐蝕而發(fā)生的緊固件破壞可能引發(fā)安全問題，因此，螺母的防腐蝕性能具有重要作用[2]。

我公司所用的某型號(hào)進(jìn)口螺母在開箱使用時(shí)發(fā)現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕嚴(yán)重的批次數(shù)量甚至達(dá)到20%，腐蝕主要集中在螺母內(nèi)螺紋處，螺母頂端和側(cè)面也有少量腐蝕點(diǎn)，給后期汽車組裝使用帶來質(zhì)量安全隱患，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)有腐蝕的螺母樣件進(jìn)行了封存。為了評(píng)估其余良好螺母的使用性能和分析腐蝕發(fā)生的原因，特在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列評(píng)估和分析試驗(yàn)。本文通過顯微鏡觀測(cè)、中性鹽霧試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡對(duì)某型號(hào)螺母的使用性能和腐蝕原因進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和儀器

試驗(yàn)樣品為進(jìn)口某型號(hào)螺母，外表面采用鋅鎳合金鍍層防腐，現(xiàn)有螺母樣品三個(gè)批次，其中第3批次腐蝕數(shù)量較多，約占20%的比例，第4批次腐蝕數(shù)量少，第6批次基本無腐蝕。中性鹽霧試驗(yàn)用溶液為分析純氯化鈉和去離子水配制，試驗(yàn)儀器分別為富奇VSC1000鹽霧試驗(yàn)箱、基恩士VHX-1000顯微鏡、蔡司Axio Scope A1顯微鏡和Quanta FEG 650型掃描電子顯微鏡，顯微鏡觀測(cè)樣品的制備采用司特爾鑲嵌機(jī)和磨拋機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用顯微鏡觀測(cè)螺母樣品腐蝕區(qū)域的形貌，選擇有腐蝕的螺母和外觀良好的螺母樣品，將其沿縱向切割開，鑲嵌制樣，對(duì)橫截面依次進(jìn)行打磨拋光，然后采用顯微鏡觀測(cè)螺母樣品橫截面，測(cè)量和對(duì)比螺母表面鍍層的厚度。

將良好螺母和有腐蝕的螺母分別放入鹽霧試驗(yàn)箱，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 9227-2017的中性鹽霧要求進(jìn)行試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)周期為720h，試驗(yàn)結(jié)束后觀察樣品表面形貌，評(píng)估螺母樣品在中性鹽霧下耐腐蝕的能力。根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)DBL 9440-2017中的要求，720h中性鹽霧試驗(yàn)后不發(fā)生鐵基材的腐蝕。

選擇有腐蝕點(diǎn)的螺母和外觀良好的螺母樣品，采用Quanta FEG 650型掃描電子顯微鏡觀測(cè)螺母的內(nèi)螺紋表面形貌，比較兩種螺母樣品內(nèi)螺紋表面的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微鏡觀測(cè)

螺母的腐蝕主要集中在內(nèi)部螺紋的表面，腐蝕輕微的螺母內(nèi)螺紋表面形貌如圖1所示，螺紋表面局部區(qū)域呈現(xiàn)暗斑的狀態(tài)，尚未出現(xiàn)腐蝕到達(dá)鐵基材的現(xiàn)象，在有些局部區(qū)域，內(nèi)螺紋表面可以看到鐵基材的腐蝕現(xiàn)象。

圖1 螺母內(nèi)螺紋區(qū)域形貌

選擇腐蝕嚴(yán)重的螺母樣品，將螺母沿縱向切開，采用顯微鏡觀察內(nèi)螺紋區(qū)域腐蝕形貌如圖2所示，從圖中可以明顯看出鐵的腐蝕現(xiàn)象，局部有腐蝕產(chǎn)物的堆積，說明腐蝕已達(dá)到鐵基材，呈腐蝕失效狀態(tài)。

將切割開的螺母樣品進(jìn)行鑲嵌制樣，打磨拋光后如圖3所示。在螺母內(nèi)外表面選擇鍍層厚度的測(cè)量點(diǎn)如圖4所示，從三個(gè)批次的螺母中分別抽取樣品進(jìn)行鍍層厚度測(cè)量。

圖2 螺母內(nèi)螺紋區(qū)域腐蝕

圖3 鑲嵌的螺母磨拋制樣

圖4 鍍層厚度測(cè)量點(diǎn)示意圖

在顯微鏡下，觀察螺母樣品的橫截面，樣品與鑲嵌填料之間、鍍層與基材金屬之間均有較為明顯的分界輪廓，可以據(jù)此測(cè)量螺母表面鍍層的厚度，螺母橫截面鍍層厚度測(cè)量示意圖如圖5所示。

螺母內(nèi)螺紋位置1和2兩處的分界難以分辨，采用顯微鏡無法測(cè)量此兩處鍍層的厚度，其它位置鍍層厚度測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)DBL 9440-2017中的規(guī)定[4]，鍍層的厚度應(yīng)該在8～15μm，從測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)生腐蝕的螺母樣品表面鍍層厚度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，腐蝕數(shù)量較多第3批次螺母，表面鍍層厚度最小。在良好的螺母樣品中，第3批次螺母的鍍層厚度也低于其它兩批次，基本無腐蝕的第6批次螺母，表面鍍層的厚度多數(shù)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求上限。由鍍層厚度測(cè)試結(jié)果可知，不同批次樣品質(zhì)量控制有差異，應(yīng)該查明生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定因素并予以消除。鍍層厚度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，且在樣品表面鍍層厚度分布不均勻，容易導(dǎo)致螺母表面局部缺陷而優(yōu)先發(fā)生腐蝕。

表1 螺母表面的鍍層厚度

圖5 螺母橫截面鍍層厚度測(cè)量圖

2.2 中性鹽霧試驗(yàn)

在三批次樣品中選擇外觀良好的螺母，分別編號(hào)3～1至3～5，4～1至4～4和6～1至6～5，在第3批次、第4批次螺母中選擇有較小腐蝕點(diǎn)的螺母，分別編號(hào)3～6至3～10和4～5至4～8。經(jīng)過720h中性鹽霧試驗(yàn)后，樣品表面形貌如圖6～8所示。

圖6 第3批次螺母樣品中性鹽霧試驗(yàn)后形貌

圖7 第4批次螺母樣品中性鹽霧試驗(yàn)后形貌

圖8 第6批次良好螺母樣品中性鹽霧試驗(yàn)后形貌

從圖6（b）和圖7（b）可以看出，有腐蝕點(diǎn)的螺母經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)的加速腐蝕后，樣品腐蝕均變得更加嚴(yán)重，呈完全腐蝕失效狀態(tài)。從圖6（a）和圖7（a）可以看出，在所選擇的良好螺母樣品中，第3和4批次中各有一個(gè)樣品發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，說明螺母外觀雖良好，但表面鍍層也存在薄弱缺陷區(qū)域，在鹽霧試驗(yàn)加速腐蝕條件下，發(fā)生了腐蝕失效，因此第3、4批次中的良好螺母在應(yīng)用時(shí)有發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。其它良好螺母樣品表面均呈現(xiàn)鋅鍍層的白色腐蝕特點(diǎn)，尚沒有腐蝕到鐵基材，符合公司標(biāo)準(zhǔn)DBL 9440～2017的720h中性鹽霧試驗(yàn)后鐵基材無腐蝕的要求。從圖8可以看出，第6批次的良好螺母均沒有出現(xiàn)鐵基材腐蝕現(xiàn)象，這是由于其表面鍍層良好，防腐蝕效果好。

2.3 掃描電子顯微鏡測(cè)試

第3批次良好和有腐蝕點(diǎn)的螺母樣品內(nèi)螺紋形貌如圖9和圖10所示，第4批次良好和有腐蝕點(diǎn)的螺母樣品內(nèi)螺紋形貌如圖11和圖12所示。

圖9 良好螺母內(nèi)螺紋形貌

圖10 有腐蝕點(diǎn)螺母內(nèi)螺紋形貌

從圖9和圖11中的電鏡圖可以看出，良好螺母的內(nèi)螺紋表面較為光滑平整，鍍層在基材表面較完整覆蓋，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的局部缺陷。從圖10和圖12中的電鏡圖可以看出，有腐蝕點(diǎn)螺母的內(nèi)螺紋有鍍層剝落現(xiàn)象，基材表面出現(xiàn)局部缺陷區(qū)域，在運(yùn)輸儲(chǔ)存及應(yīng)用中螺母內(nèi)螺紋表面容易發(fā)生腐蝕問題。

圖11 良好螺母內(nèi)螺紋形貌

圖12 有腐蝕點(diǎn)螺母內(nèi)螺紋形貌

進(jìn)口零件螺母需要經(jīng)過較長時(shí)間的海上運(yùn)輸，在運(yùn)輸過程中不僅要防止螺母之間的碰撞對(duì)表面鍍層造成的損傷，還要考慮運(yùn)輸環(huán)境有高溫、高濕和海洋大氣環(huán)境等強(qiáng)腐蝕因素[5]，因此在螺母零件運(yùn)輸包裝時(shí)可采用密封緩沖、加氣相緩蝕劑或干燥劑等防護(hù)措施，零件在工廠倉庫儲(chǔ)存時(shí)，要關(guān)注和控制倉庫的濕度和溫度等環(huán)境因素，為零件儲(chǔ)存營造適宜的環(huán)境。

3 結(jié)論

（1）螺母腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域已達(dá)到鐵基材，根據(jù)所抽樣品測(cè)得鍍層厚度，發(fā)生腐蝕的螺母樣品表面鍍層達(dá)不到公司標(biāo)準(zhǔn)要求，不同批次螺母樣品表面鍍層有差異，螺母生產(chǎn)過程中存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題；

（2）中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果顯示，有腐蝕點(diǎn)的螺母試驗(yàn)后呈完全腐蝕失效狀態(tài)。在所選的良好螺母中也有樣品發(fā)生了腐蝕失效現(xiàn)象，說明其表面鍍層存在薄弱缺陷區(qū)域，在應(yīng)用中有發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；

（3）兩種螺母的內(nèi)螺紋表面電鏡圖顯示，良好螺母的內(nèi)螺紋表面鍍層在基材上完整覆蓋而無明顯局部缺陷，有腐蝕點(diǎn)螺母的內(nèi)螺紋表面鍍層有剝落現(xiàn)象，從而出現(xiàn)局部缺陷區(qū)域，容易發(fā)生腐蝕問題。