豐雷，馮健，葉輝，賈龍凱，丁星星

（1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室，重慶 402260；2.重慶齒輪箱有限責任公司，重慶 402263；3.西南技術工程研究所，重慶 400039）

氣墊船采用空氣螺旋槳作為整船推進動力，墊升風機將整船提升水面。氣墊船減速器分為推進減速器及墊升減速器2類，均安裝在船舶甲板上。作為動力系統(tǒng)的重要設備，減速齒輪箱長時間處于高鹽霧、海水濺射環(huán)境中，不同于安裝于船艙內(nèi)部的主動力減速器，其對抗腐蝕能力要求更強。許多專家學者對類似環(huán)境下齒輪箱、柴油機、燃氣輪機及其零部件的腐蝕、生銹保養(yǎng)進行了分析，但系統(tǒng)性不強，沒有涉及齒輪箱生產(chǎn)過程中的防腐蝕工藝問題。因此，本文從減速齒輪箱不同零部件防腐工藝制造技術入手，對減速齒輪箱腐蝕防護工藝進行研究。

1 氣墊船減速齒輪箱腐蝕環(huán)境及特點

1.1 結(jié)構(gòu)

減速齒輪箱的箱體材料為鑄鋁，結(jié)構(gòu)復雜，各種支撐筯多，軸承孔要求高，其結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。齒輪件為滲碳淬火硬齒面齒輪，材料為低碳合金鋼，軸承采用滾動軸承鋼。減速齒輪箱由外嚙合與行星結(jié)構(gòu)復合傳動，其三維模型如圖2所示。主傳動零 件還包括小齒輪軸、太陽輪和內(nèi)齒等，在裝配過程或運轉(zhuǎn)過程中有相對運轉(zhuǎn)或蠕動，涉及零件包括鎖緊螺母、傳扭銷、螺栓、浮動齒圈等，其余零件為傳動件上的小件或油管等。箱體內(nèi)部與外表面均要進行防腐處理，才能保證箱體的防腐功能。同時，在箱體防腐處理過程中，不能影響箱體的精度。

圖1 某船減速齒輪箱三維模型 Fig.1 3D model of a hovercraft's reduction gearbox

圖2 某船減速齒輪箱箱體三維模型 Fig.2 3D model of a hovercraft's reduction gearbox case body

1.2 腐蝕環(huán)境及腐蝕類型

減速齒輪箱長時間處于高溫、高濕、高鹽霧以及海水濺射等干濕交替環(huán)境中，面臨嚴重的電化學腐蝕問題。其中，局部腐蝕（點蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕等）和應力下的腐蝕對減速齒輪箱的腐蝕破壞更為嚴重。用于制造變速箱體、齒輪、軸類零件、運動構(gòu)件等的材料包括鋁合金、不銹鋼、合金鋼等金屬材料，在海洋大氣環(huán)境或海水濺射環(huán)境中，鹵素陰離子（特別是Cl）容易吸附在鋁合金鈍化膜不完整或者破損部位，導致金屬材料點蝕破壞。對于箱體等結(jié)構(gòu)件表面，因極易遭受砂石、海水、雨滴的沖刷，促進鈍化膜的破壞，造成大陰極（鈍化膜完整區(qū)）-小陽極（鈍化膜局部破壞區(qū)）的加速局部腐蝕，因此產(chǎn)生點蝕的傾向更大。齒輪箱中異類金屬造成的電偶腐蝕現(xiàn)象也時有暴露，如鋁合金與低碳合金鋼之間的直接接觸，齒輪箱工況環(huán)境使材料狀態(tài)和成分發(fā)生變化等都是導致電偶腐蝕的根本原因。同時，在齒輪箱密封端蓋和密封環(huán)等部件上，由于密封不嚴，造成狹縫或者間隙（0.025~0.1 mm）的存在，腐蝕介質(zhì)進入并滯留其中，其擴散受到很大的限制，導致狹縫中金屬腐蝕加速。

2 氣墊船減速齒輪箱腐蝕的表面防護對策

目前，海洋環(huán)境下金屬腐蝕防護已從被動防護向主動控制方向發(fā)展。腐蝕是材料或結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生作用所造成的，控制腐蝕的技術途徑主要從材料、環(huán)境、界面3方面考慮。因此，需從選材與結(jié)構(gòu)環(huán)境適應性設計、腐蝕環(huán)境處理與合理使用緩蝕劑、有效表面防護等方面著手。綜合考慮各種防護技術的適用條件及實施的可行性和經(jīng)濟性，采用系統(tǒng)方法來解決海洋大氣環(huán)境中減速齒輪箱的腐蝕問題。

2.1 選材與結(jié)構(gòu)環(huán)境適應性設計

選用耐腐蝕優(yōu)異的材料并進行合理的結(jié)構(gòu)設計是提高氣墊船減速齒輪箱耐腐蝕性能的有效措施。對初選材料，首先要分析其使用環(huán)境特點，應查明所選材料所處介質(zhì)中存在哪種腐蝕敏感性以及腐蝕速率大小，暴露于腐蝕環(huán)境部位可能發(fā)生哪種腐蝕類型及防護可能性；接觸部位是否存在接觸腐蝕；承受應力的類型、大小和方向等。其次，結(jié)構(gòu)外形上力求簡單，便于實施防護措施、檢查、維修和故障排除，要考慮防積水和積塵設計，盡量使用密閉結(jié)構(gòu)，以防雨水、霧氣、灰塵甚至海水的侵蝕。最后，選材設計時要注意不同材料的相容性，可以通過拓寬縫隙、塞填縫隙、改變縫隙位置或防止介質(zhì)進入等防縫隙腐蝕；盡量避免電位相差較大的金屬直接連接，在連接部位及鉚釘、螺釘或點焊連接頭處添加絕緣層，注意異類金屬接觸時的面積比等措施來防止電偶腐蝕；同時應合理控制材料的最大允許應力，避免使用應力、裝配應力和殘余應力在同一個方向疊加，防止應力腐蝕開裂、氫脆和腐蝕疲勞。

2.2 腐蝕環(huán)境控制與合理使用緩蝕劑

腐蝕環(huán)境控制是減緩或消除材料腐蝕的重要技術途徑。處理環(huán)境包括2個方面，一方面去除或控制環(huán)境中促進腐蝕的有害因素；另一方面，強化有利于減緩腐蝕的因素或加入對防腐有利的物質(zhì)。采用緩蝕劑防腐蝕，由于設備簡單、使用方便、投資小、收效大而得到廣泛應用。水溶性緩蝕劑通常用作齒輪箱機械加工過程中工序間的防銹，主要包括亞硝酸鈉、硼酸鈉、硅酸鈉、鉬酸鹽、鎢酸鹽、鉻酸鹽及重鉻酸鹽等。鉬酸鹽、鎢酸鹽、鉻酸鹽能在金屬表面形成5~10 nm的致密保護膜；磷酸鹽、硼酸鹽、硅酸鹽這類緩蝕劑本身并沒有氧化性，但可在含有溶解氧的水中水解，產(chǎn)生氫氧根離子，并在金腐表面形成鈍化膜，利用它們可有效阻止金屬及其合金的腐蝕。在儲存-運輸過程中一般使用氣相緩蝕劑，這種緩蝕劑具有足夠高的蒸氣壓，即在常溫下能很快充滿周圍大氣，并附在金屬表面上，阻滯環(huán)境大氣對金屬的腐蝕進程。

近年來，綠色環(huán)保的稀土化合物（尤其是鈰的化合物）作為緩蝕劑表現(xiàn)出了顯著的腐蝕防護效果，具備替代鉻酸鹽的潛力。張德平等、趙葦杭等、阮紅梅等采用極化曲線、電化學阻抗、電化學噪聲等多種電化學測試方法研究了6系鋁合金在含鹽薄液膜下的局部腐蝕與緩蝕機理。研究表明，Ce在蝕點中心區(qū)的陰極相表面優(yōu)先沉積，從而抑制局部腐蝕的陰極去極化過程。Hill等研究認為，二苯基磷酸鈰Ce(ddp)能夠?qū)︿X合金在NaCl溶液中的腐蝕提供有效的緩蝕作用，其原因是Ce(ddp)在鋁合金表面或含銅相陰極生成了一層復雜的Ce/Al有機磷鹽薄膜，降低了鋁合金基體的腐蝕速度。Shi等研究了肉桂酸鈰對2024鋁合金在0.05 mol/L NaCl溶液中的緩蝕行為，結(jié)果表明，肉桂酸鈰能夠通過羧基基團與鋁合金基體作用，同時Ce(III)能夠形成氧化物或氫氧化物，沉積于基體表面，有效抑制了腐蝕。

2.3 表面防護

為了保證齒輪表面防腐處理，采取表面氧化浸油處理，但考慮到齒輪、軸頸、花鍵的精度和表面粗糙度要求高，表面氧化處理將降低上述零件的精度。按常規(guī)工藝把高精度的齒輪和花鍵加工完成，在加工過程中，將齒和花鍵的精度提高半級，這樣可以彌補齒輪后期表面氧化浸油帶來的精度下降影響。在表面氧化浸油過程中，首先采用NaOH或其他清洗劑除去齒輪上的油污，用水清洗掉NaOH或清洗劑，用酸清洗掉銹蝕部分，用水清洗酸，然后用不同溫度的溶液進行二次氧化，再通過清洗、皂化后，進行浸油。零件氧化浸油完成后，經(jīng)檢測，齒輪精度和表面粗糙度滿足設計要求，精度下降幾乎忽略不計，各部位的尺寸精度與形位精度均沒有變化。表面氧化浸油的大齒輪和齒輪軸的實物如圖3所示。

圖3 大齒輪組件表面氧化浸油前后對比 Fig.3 Comparison of before and after oxidation and oil immersion on the surface of bull gear assembly

目前對于鋁合金表面防腐處理技術通常有陽極氧化和微弧表面氧化處理2種工藝方法，主要目的是克服鋁合金表面硬度、耐磨損性差和腐蝕性弱等方面的缺陷，延長使用壽命。陽極氧化工藝主要是在電解液中、在外界電流作用下，利用電解作用，使陽極表面形成氧化物薄膜的過程，厚度一般為5~20 μm，具有較高的硬度和較好的耐蝕性，可進一步提高基體金屬的防腐、絕緣、耐磨和裝飾作用。微弧表面氧化是一種將鋁、鎂、鈦等輕金屬合金表面原位生長陶瓷層的一種工藝，其原理是當外加電壓超過臨界電壓時，基體金屬與氧離子、電解質(zhì)離子在熱化學、電化學、 等離子體化學的共同作用下經(jīng)歷熔融、噴發(fā)、結(jié)晶、高溫相變過程，最終在晶體表面熔覆，燒結(jié)形成陶瓷層。該陶瓷層硬度高、耐磨性好、基體結(jié)合力強、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣性好。陽極氧化與微弧表面氧化性能對比見表1。考慮到該減速器長期處于高鹽霧環(huán)境和海水沖擊環(huán)境中，經(jīng)微弧氧化處理后材料的耐腐蝕性能遠優(yōu)于陽極氧化，其表面形成的氧化膜的耐高溫及抗熱沖擊性能更優(yōu)。隨著減速齒輪箱防腐要求的不斷提高，微弧氧化處理以其優(yōu)異的耐高溫及耐腐蝕性能逐漸取代陽極氧化，因此研究者們在溶液優(yōu)化、降低能耗和涂層后處理方面進行了大量的研究。

表1 鋁合金微弧氧化膜與鉻酸陽極氧化膜性能對比 Tab.1 Performance comparison between micro arc oxidation film and chromic acid anodic oxidation film on aluminum alloy

近年來，大量學者通過研究在微弧氧化槽液中添加顆粒來提高微弧氧化涂層的潛力。微米級或納米級顆粒的摻入，導致涂層缺陷封閉，孔隙率降低，這對涂層的耐腐蝕性、熱力學、磁性、催化和生物活性等性能產(chǎn)生了有利的影響。不溶性顆粒（如ZrO、AlO、CeO）可以通過攪拌混合到電解質(zhì)溶液中，2種可溶性化合物也可以通過沉淀反應原位形成不溶性產(chǎn)物（如磷酸鈣沉淀）。在微弧氧化放電期間，這些顆粒能否在涂層內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)變（熔化、相變、參與形成新化合物的等離子化學反應）并深入涂層內(nèi)部，取決于顆粒的性質(zhì)、濃度和分散程度。添加顆粒的槽液很少呈現(xiàn)真正的膠體，維持槽液中顆粒的均勻分散是一項技術挑戰(zhàn)。在實驗室條件下，通過攪拌電解液（機械、超聲波等）易于實現(xiàn)顆粒的均勻分散，但難以適應工業(yè)大規(guī)模使用的要求，因此探索表面活性劑以充分穩(wěn)定分散顆粒，并適應電解質(zhì)工業(yè)生產(chǎn)成為研究熱點。

鋁合金微弧氧化涂層的制備通常旨在生產(chǎn)50~ 100 μm厚、富含AlO的涂層，提高其耐磨、耐蝕和耐熱等性能?？紤]到1~2 μm/min的平均涂層生長速率和500~600 V的電壓幅度，導致能耗高，大批量生產(chǎn)難度大，為了降低微弧氧化過程耗能高、效率低和成本高的問題，提出開發(fā)鋁合金節(jié)能微弧氧化工藝的策略：波形設計和使用高頻雙極工藝，提高涂層生長速度；優(yōu)化電解池和陰極幾何設計，如減少陽極到陰極的距離，從而節(jié)省高達25%的能源；在微弧氧化處理之前通過常規(guī)陽極氧化形成前驅(qū)體薄膜，使“軟火花”快速產(chǎn)生，前體薄膜材料快速轉(zhuǎn)化為微弧氧化涂層，與直接微弧氧化相比，能耗降低可高達60%。

鋁合金微弧氧化涂層后處理的最新進展主要集中在缺陷的“自我修復”功能性。Oleinik等將鋁合金微弧氧化膜在含有抑制劑（IFKhAN-25和IFKhAN-39）的溶液中浸泡處理后，其耐腐蝕性顯著提高。然而，上述研究并未考慮抑制物質(zhì)的按需釋放。有效摻入抑制劑的另一個方法是使用微米容器或納米容器，它們可以通過觸發(fā)釋放（pH值和光照等）提供主動保護，在鋁合金微弧氧化涂層表面原位生成層狀雙氫氧化物（LDH）的納米容器已成為研究熱點。LDHs由陰離子層和水層隔開的混合金屬氫氧化物層組成，其保護機制主要為離子交換機制，涂層從腐蝕性環(huán)境中吸收氯陰離子，該過程觸發(fā)并釋放結(jié)合的離子抑制劑，其中陰極部位pH值的局部升高也可作為與腐蝕相關的觸發(fā)因素。Serdechnova等、Alibakhshi等用Zn-Al LDH 密封AA2024鋁合金微弧氧化，并負載釩酸鹽抑制劑，基于LDH后處理的微弧氧化涂層在腐蝕加速測試和局部電化學測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

1）電鍍。電鍍（Electrochemical deposition）是指金屬離子在直流電場的作用下，被吸引并沉積在待鍍工件導電基底上的過程，也稱為電沉積工藝。電鍍除了賦予金屬零件表面較好的腐蝕防護性能外，同時還使金屬具有漂亮的外觀，有的鍍層還具有耐磨、減摩、電性能、磁性能、耐熱性、可焊性及其他一些特殊的性能。采用電鍍的方法通常只適合小型零部件，在齒輪箱加工制造過程中，相對運動或蠕動類零件（如鎖緊螺母、傳扭銷、螺栓、浮動齒圈等），鑒于在裝配過程或運轉(zhuǎn)過程時有相對運轉(zhuǎn)或蠕動，通常采用表面鍍銅處理；密封端蓋和密封環(huán)等密封部件的表面一般進行鍍鎘處理，提高其耐磨性和防止縫隙腐蝕。為適應環(huán)保要求的不斷提高，開發(fā)無氰電鍍、合金電鍍、無鉻/鎘化合物鈍化處理工藝，成為替代鍍鎘、鉻等有毒單金屬電鍍的重要方式。

2）表面涂裝。涂料涂層俗稱油漆涂層，這類涂層除對金屬具有腐蝕保護作用外，還具有耐磨、潤滑、絕緣、抗微生物、耐輻射等特殊作用，使涂料發(fā)展成為功能性工程材料的一種。為適應環(huán)保要求，國內(nèi)外都在積極開發(fā)和利用“節(jié)能源、省資源、低污染、高效率”的涂料品種，主要包括水性涂料、粉末涂料、非水分散性涂料、光固化涂料和高固體分涂料等，同時開發(fā)多種性能和用途的專用型涂料。

針對氣墊船減速齒輪箱使用環(huán)境，箱體表面油漆涂層必須滿足耐長時鹽霧、耐老化等性能。傳統(tǒng)海洋重防腐涂料（富鋅涂料）面臨屏蔽性能差、重污染或嚴酷海洋環(huán)境防腐壽命嚴重不足等問題，因此亟需發(fā)展新一代環(huán)保長效的防腐材料。石墨烯等二維納米材料穩(wěn)定的SP雜化結(jié)構(gòu)使其在金屬與腐蝕介質(zhì)間形成物理阻隔層，阻止介質(zhì)擴散和滲透，為開發(fā)新型重防腐體系奠定了基礎。石墨烯納米片增強的重防腐涂料（有機無機雜化材料）展示出優(yōu)異的防腐特性和綜合性能。但目前石墨烯剝離濃度低，在有機涂層中的分散與多尺度復合界面問題仍然是當前研究的一大難題。重防腐涂料的研制與應用，投入大，周期長，難度高，迫切需要完善涂料體系、海洋環(huán)境長效服役評價和示范工程、體系認證及推廣應用等后續(xù)工作。

3 結(jié)語

針對氣墊船減速齒輪箱所面臨的高溫、高濕、高鹽霧和海水濺射等環(huán)境特點，應當從以下幾個方面考慮腐蝕控制問題：從結(jié)構(gòu)設計、材料選型、加工制造、運輸貯存、維護保養(yǎng)等方面系統(tǒng)提高齒輪箱的環(huán)境適應性；充分利用現(xiàn)有的表面處理技術，加強陽極氧化、微弧氧化、電鍍、涂料涂層等技術的組合；強化腐蝕監(jiān)測技術，有效預警防護層失效，同時大力研發(fā)海洋環(huán)境下長期有效、綠色環(huán)保的表面處理技術和涂層技術。