微動頻率對6082鋁合金在3.5%NaCl溶液中微動腐蝕行為的影響研究

摘要：接觸網零部件在服役過程中由于復雜載荷和大氣腐蝕作用易發生微動腐蝕損傷，導致緊固件松動、脫落。采用自行研發的微動腐蝕試驗機，研究了在模擬海洋大氣環境下，微動頻率對接觸網零部件常用材料6082鋁合金微動腐蝕行為的影響。結果表明：在較大位移幅值時，頻率對材料的微動運行狀態影響不明顯，而在較小的位移幅值時，材料表面在低頻時更易發生滑動。隨著頻率的不斷升高，摩擦副間的摩擦系數不斷增大，同時材料在微動過程中的電化學腐蝕速率也逐漸加快。磨痕寬度、深度及磨損體積隨著頻率的增加而減小。當頻率較低時，材料的損傷機制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴重的電化學腐蝕作用；當頻率較高時，損傷機制主要為磨粒磨損、機械作用導致的疲勞以及較為輕微的電化學腐蝕作用。

關鍵詞：6082鋁合金；3.5%NaCl溶液；微動腐蝕；微動頻率；磨損機制

中圖分類號：TH117.3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.010

文章編號：1006-0316 （2024） 11-0071-10

Effect of Frequency on the Fretting Corrosion Behavior of 6082 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solution

YANG Shu¹，JI Fang¹，PU Jian²，XU Liang¹，PAN Ying¹

（ 1. GBA Center for Medical Device Evaluation and Inspection， NMPA， Shenzhen 518000， China;2. Tribology Research Institute， School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China"）

Abstract：During service， contact network components of high speed rail are prone to fretting corrosion damage due to complex loading and atmospheric corrosion， leading to loosening and component failure. This study used a self-developed fretting-corrosion apparatus to investigate the effect of frequency on the fretting corrosion behavior of 6082 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution. The experimental results indicate that when the displacement amplitude is large， the frequency has no obvious influence on the fretting state of the material， but when the displacement amplitude is small， the surface of the material is more likely to slip at low frequency. As frequency increased， the friction coefficient increases. The corrosion rate is accelerated with the increase of frequency as well. The volume loss decreases with the increase of frequency. When the frequency is low， the damage mechanism of materials is mainly abrasive wear， peeling and serious electrochemical corrosion， while when the frequency is high， the damage mechanism is mainly abrasive wear， fatigue caused by mechanical action and slight electrochemical corrosion.

Key words：6082 aluminum alloy；3.5% NaCl solution；fretting corrosion；frequency；wear mechanism

6082鋁合金是生產高速鐵路接觸網懸掛系統中核心零部件的重要原材料，諸如定位支座、腕臂、棘輪棘爪等。由于高速運行的列車需通過受電弓與接觸網接觸以取得電能，因此在日常服役過程中接觸網會頻繁承受移動和沖擊性載荷。這些運動和載荷會導致接觸網中的鋁制部件長期處于隨機、頻繁振動的復雜載荷工況下^[1-2]。另一方面，由于我國幅員遼闊，許多高鐵線路分布于沿海地帶，因此接觸網及其零部件會在海洋大氣、雨水、酸雨、工業大氣等腐蝕環境下服役。盡管鋁合金有良好的機械和耐腐蝕性能，但在復雜載荷、微動和腐蝕液體等多重因素的影響下，鋁合金配合界面間的微動腐蝕損傷是在所難免的^[3-6]。

微動磨損是指摩擦表面由外界振動引起的相對位移，從而產生的磨損，一般位移幅值為微米級別^[7-13]。其中有氧化腐蝕參與的微動磨損也被稱為微動腐蝕^[14]。微動腐蝕會使得兩個零件的接觸界面產生磨損、腐蝕和疲勞等現象，從而造成材料損失。微動腐蝕是引起功率傳導損失、限制零部件使用壽命、導致零部件失效的重要工程問題。研究表明影響材料微動腐蝕損傷行為的主要參數有：位移幅值、載荷與力矩大小、環境溫度、環境介質、微動頻率和反應時間等^[3，15-28]。

前人已對位移幅值、環境介質、溫度和載荷大小等影響參數進行了系統性的研究^[15-19]，但微動頻率作為一個極為重要的影響參數卻鮮見相關研究發表。頻率的變化會引起接觸界面的溫度、摩擦作用時長等的改變，進而影響磨屑的產生和排出以及接觸界面的磨損和腐蝕等重要過程，這些改變及影響會造成不同微動頻率下材料的微動腐蝕行為會存在一定的差異^[21-27]。因此，本文選用高速鐵路接觸網零部件中常用的Al-Mg-Si合金（6082鋁合金）材料作為研究對象，探求在模擬海洋大氣環境下微動頻率對6082鋁合金微動腐蝕行為的影響規律。

1 試驗

1.1"試驗材料和介質

本研究采用球/盤法測試6082鋁合金在3.5%NaCl溶液中的微動腐蝕行為，平盤試樣固定于試驗機下方，頂部的驅動連桿裝置帶動球形試樣進行往復式運動。為了減少對電化學信號的干擾，對摩球選用高度絕緣的Si₃N₄陶瓷球，表面粗糙度約為0.014～0.020"μm，硬度約為1500 HV。平板試樣材料為6082鋁合金，表面粗糙度約為0.5"μm，硬度約為16 HV，其主要化學成分的質量分數見表1。采用線切割方式將鋁合金加工為長10"mm、寬10"mm、高3"mm的板材試樣，并在其表面焊接一根銅導線用于電化學信號的采集，最后使用樹脂進行封裝，僅保留1"cm²的表面以供研究。使用水砂紙對封裝好的試樣進行手工打磨，然后使用氧化鋁懸浮液對經打磨的試樣進行拋光處理，待試樣表面無肉眼可見的劃痕時，使用無水乙醇進行兩分鐘超聲清洗，最后使用烘干機烘干。試驗介質采用質量分數為3.5%的NaCl溶液。

1.2"試驗設備

本研究在課題組自行研制的高精度微動磨損試驗機（MFC-01，見圖1）上進行：將已封裝好的試樣使用V型塊固定；球形試樣（Si₃N₄陶瓷球）通過球夾具裝夾固定，且球夾具通過螺栓與驅動連桿固連；驅動連桿由高精度壓電陶瓷驅動器（P-216.9s。Physik Instrumente。Germany）驅動；加載模塊通過連桿施加垂直向下的載荷；電解質溶液盛放于亞克力板材制作的容器中；通過三電極工作站（CHI660E，上海辰華，中國）進行電化學條件控制并測量材料的微動腐蝕行為。在微動腐蝕測試開始之前，為保證鋁合金表面電化學狀態一致，需先將樣品在電解質溶液中浸泡10"min，并使用電化學工作站記錄其開路電位的數值變化直至穩定。

1.3"試驗參數

試驗過程中的載荷為40"N（接觸中心最大壓力約為598"MPa），測試頻率分別為：1"Hz、5"Hz、10"Hz、20"Hz，位移幅值分別為：±5"μm、±20"μm、±40"μm，試驗溫度為室溫（即環境溫度為20～25"℃，相對濕度為50%～60%），往復循環次數為3×10⁴次。為保證試驗數據的準確性，所有試驗均連續重復3次以上。

為了研究微動腐蝕過程中鋁合金表面的腐蝕行為，在試驗過程中使用電化學工作站測量了試樣的開路電位隨時間的變化曲線（OCPT）以及塔菲爾曲線。研究中使用的三電極分別為工作電極（試驗材料（6082鋁合金）），飽和甘汞（SCE）參比電極和鉑片（Pt）輔助電極。塔菲爾曲線測試分別在靜態下（獲得材料的自然腐蝕速率）以及微動狀態下（獲得材料在不同微動頻率的腐蝕速率）進行，電位掃描范圍為-1.2～-0.4"V，掃描速率為1"mV/s。開路電位測試在微動試驗的全程進行，包括微動前、微動中以及微動后三個過程，每間隔0.1 s采集一次電位信號。試驗參數匯總如表2所示。

利用白光干涉儀（GTK-16-0295，Bruker，Germany）對樣品磨損區域進行三維輪廓測量，并通過其配套的處理軟件得到材料損失體積及二維輪廓曲線。使用場發射掃描電鏡（JSM-6610，JEOL，Japan）對磨痕形貌進行觀察，分析材料的磨損機制。利用掃描電鏡自帶的電子能譜儀（OXFROD X-Max 80，Oxford Instruments，UK）對磨損表面成分進行定量及定性分析。

2"結果與討論

2.1 微動運行狀態

材料的微動運行狀態可以通過切向力－位

移－循環次數曲線（F_t-D-N曲線）進行判定^[29]。圖2是載荷為40"N、位移幅值為±40"μm（D＝±40"μm）時，不同頻率下的F_t-D-N曲線。從圖中可以看出，各個頻率下的F_t-D曲線均呈現為平行四邊形，這表明微動運行狀態均位于滑移區。

為進一步研究頻率對微動運行特性的影響，通過控制變量法，進行了位移幅值為±5"μm和±20"μm下的不同微動頻率試驗，其三維F_t-D-N曲線如圖3、圖4所示。可以看出，位移幅值為±20"μm時，微動頻率對材料的微動運行狀態無顯著影響，各個頻率下的F_t-D曲線均呈現為橢圓形，表明材料的微動運行狀態均處于混合區。但位移幅值為±5"μm時，微動頻率的變化會改變材料的微動運行狀態。在較高頻率時（5"Hz、10"Hz、20"Hz），F_t-D曲線均為直線型，表明微動均運行于部分滑移區。低頻時（1"Hz），F_t-D曲線轉變為橢圓形，表明微動運行于混合區。總的來說，在較高位移幅值時（±20"μm、±40"μm），頻率的變化并不影響材料的微動運行狀態。而在較小的位移幅值時（±5"μm），頻率的增加會壓縮F_t-D曲線，表現為橢圓形向直線型的轉變。該現象也說明，隨著頻率的增高，較小位移幅值下材料發生微滑的難度逐漸增加。

2.2 摩擦系數

圖5是在不同頻率下所獲得的摩擦系數（切向力/法向載荷）隨循環次數的變化曲線。結果表明不同頻率下的摩擦系數隨循環次數的演變規律相似，均呈現出三個明顯的階段。

這三個階段分別為：①第一階段（初始階段）：此時試樣表面的鈍化膜相對完整，使得摩擦系數穩定在較低的數值；②第二階段（上升階段）：隨著測試的進行，試樣表面的鈍化膜受到機械性損傷，導致新鮮對摩副基體裸露于溶液介質中并相互接觸，該過程會產生、排出磨屑，進而造成摩擦系數迅速升高；③第三階段（穩定階段）：最終摩擦系數達到峰值，此時磨屑的產生與排出達到動態平衡，摩擦系數一直穩定波動在峰值附近。達到穩定階段后，20"Hz工況下的摩擦系數最大，而10"Hz略高于5"Hz，兩者的摩擦系數相近，1"Hz工況下的摩擦系數最小。說明摩擦系數隨頻率的升高而升高。造成該現象的可能原因為：頻率的升高會加劇摩擦副間的相對運動，進而導致對磨副間更為復雜的磨屑產生與排出機制^[30]。另一方面，結合測試后試樣表面的損傷形貌（見2.3及2.6節）分析得出，低頻時損傷區域附近堆積了大量腐蝕磨損產物，表明低頻時電化學腐蝕較高頻更嚴重，低頻時較低的摩擦系數可能與腐蝕磨損產物的減摩潤滑作用有關。

2.3 極化曲線

圖6是試樣在不同頻率下測得的極化曲線和靜態時測得的極化曲線對比圖。從圖中可以看出，相對于靜態下的極化曲線，微動的施加會導致極化曲線的負移。極化曲線的波動也隨著頻率的增高而愈加劇烈。表3是通過塔菲爾外推法計算出的腐蝕電位E_corr和腐蝕電流密度I_corr。可以看出，微動的施加會導致腐蝕電位負移并增大腐蝕電流密度。隨著頻率的升高，腐蝕電位逐漸降低，而腐蝕電流密度的數值逐漸升高。這表明材料在各個微動頻率時的電化學腐蝕速率均大于靜態腐蝕，且電化學腐蝕速率隨著頻率的增加而增加。綜上所述，微動的施加會破壞對摩副表面的鈍化膜，導致新鮮基體的裸露與相互接觸，進而增大該區域的電化學活性，造成電化學腐蝕速率的升高。結果表明，電化學腐蝕速率隨頻率的增加而增加。頻率的升高意味著單次微動循環的時間更短，因此損傷表面的氧化過程不能充分進行，進而減緩鈍化膜的修復速率，使得磨損表面的電化學活性更高。另一方面，頻率的升高也意味著單位時間內的微動位移量越大，從而導致活性區域的面積也越大^[21，31]。

2.4 開路電位

圖7是在不同頻率下測得的開路電位隨時間的變化曲線，該曲線由微動前、微動中和微動后三部分組成。從圖中看出，試樣在不同頻率下的靜態開路電位均穩定保持在較高的數值，說明試樣的初始表面存在氧化層，且該氧化層對試樣有鈍化保護的作用。從靜態到動態，除1"Hz時的開路電位負移過程較緩慢外，其余頻率（5"Hz、10"Hz和20"Hz）下的開路電位均迅速負移至某一較低數值，這說明試樣表面的氧化層被破壞，更高的頻率意味著在相同時間內試樣經歷了更多的循環次數，在微動前期，高頻使得試樣表面膜在更短的時間內被去除，而低頻使得該時間更長，因此低頻開路電位的負移較高頻更緩慢。其中，20"Hz下的開路電位最低數值最負（約為-1.04"V），10"Hz的開路電位最低數值約為-1.0"V，5"Hz時的數值約為-0.95"V，1"Hz時的開路電位下降速率較緩慢，最后穩定于-0.85"V附近。綜合來看，開路電位的數值隨頻率的變化與極化曲線的結果相吻合，即電化學腐蝕速率隨頻率的增加而增加。

2.5 磨損體積

圖8（a）繪制了試樣在不同頻率下的磨痕輪廓。可以看出，各頻率下的磨痕輪廓均呈現出字母“U”型。20"Hz時磨痕輪廓寬度最窄、深度最淺，1"Hz時磨痕輪廓寬度最寬、深度最深，說明頻率的升高會導致磨痕輪廓的寬度和深度的減小。圖8（b）是試樣在不同頻率下的材料損失體積，材料的損失體積隨頻率的變化與磨痕輪廓隨頻率的變化趨勢一致。主要原因為頻率的增加會減少單次循環的用時，進而減少腐蝕與磨損的交互作用時間，導致較高頻率時，腐蝕對磨損的促進作用較小，而較低頻率時，腐蝕對磨損的促進作用較大，最終表現為頻率的增加會減小材料磨痕輪廓的深度和寬度以及材料的損失體積。

2.6 磨損形貌

不同頻率下試樣表面的損傷形貌如圖9所示。從圖中可以看出，1"Hz時的磨痕中心出現了較大面積的剝落，局部放大圖顯示損傷表面有明顯的磨屑堆積并伴隨著多方向犁溝及少量微裂紋，這些磨屑是腐蝕和磨損共同作用下的結果。5"Hz時的局部放大圖顯示磨痕表面出現斷續的犁溝和少量的微裂紋，同時表面覆蓋較多腐蝕磨損產物。頻率為10"Hz和20"Hz時的磨痕形貌較為相似，表面均覆蓋了一層密實的三體層，且表面較為光滑，未出現明顯的剝落和腐蝕磨損產物堆積，磨痕中心伴有大量的犁溝以及微裂紋。經EDX分析發現（圖10），隨著頻率的增加，損傷表面的氧元素和氯元素含量逐漸降低，而鋁元素含量則逐漸升高。這說明電化學腐蝕作用隨著頻率的增加而減弱。

上述分析表明，微動頻率的增加，一方面會使得機械去除表面材料的速度增加，從而導致材料表面電化學活性增高，另一方面會減少腐蝕作用的時間，從而減少腐蝕與磨損的交互作用。

在較低頻率時，當對摩副刮去表面材料，露出新鮮表面時，腐蝕有較為充分的反應時間，這使得磨損與腐蝕的交互作用時間增加，從而導致磨損表面產生了較大面積的剝落以及電化學腐蝕產物，損傷由磨損和腐蝕共同主導。而在較高頻率時，盡管材料的腐蝕速率較大，但并沒有足夠的時間發生腐蝕，從而導致腐蝕與磨損交互時間較短，損傷過程由磨損主導。因此，在較低頻率時，材料的損傷機制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴重的電化學腐蝕作用，而在較高頻率時，損傷機制主要為磨粒磨損、機械作用導致的疲勞以及較為輕微的電化學腐蝕作用。

3 結論

（1）在較高位移幅值時，微動頻率對材料微動運行狀態的影響并不顯著，而在較小的位移幅值時，隨著頻率的降低，材料表面發生微滑的難度逐漸增加，微動向部分滑移區轉變。

（2）隨著頻率的不斷增高，摩擦副間的摩擦系數不斷增大。不同頻率下的摩擦系數隨循環次數的變化趨勢基本一致，均可以分為三個階段：即初始階段、上升階段和穩定階段。

（3）材料的電化學腐蝕速率隨著頻率的升高而加快，同時，高頻導致腐蝕作用時間大幅縮短，總的電化學腐蝕作用隨著頻率升高而減弱。

（4）磨痕輪廓的寬度、深度及材料損失體積隨著頻率的增加而減小。

（5）在較低頻率時，材料的損傷機制主要為磨粒磨損、剝層以及嚴重的電化學腐蝕作用，而在較高頻率時，損傷機制主要為磨粒磨損、機械作用導致的疲勞以及輕微的電化學腐蝕作用。

參考文獻：

[1]唐旭旺，李根，袁新璐，等. 酸性NaCl溶液中CuNi2Si合金的電化學腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護，2020（10）：7-11.

[2]周云龍，徐涆文，許天嘯，等. 窗框結構對高速列車車窗隔聲性能影響分析[J]. 機械，2022，49（6）：53-59.

[3]蒲建，李根，袁新璐，等. 極化作用對6082鋁合金在3. 5%NaCl溶液中微動腐蝕行為的影響[J]. 摩擦學學報，2020（4）：457-466.

[4]譚德強，莫繼良，彭金方，等. 高速接觸網零部件失效問題研究現狀及展望[J]. 西南交通大學學報，2018，53（3）：610-619.

[5]馬靜，羅鴻，王申豪，等. 外加電位下X80雙相管線鋼在模擬沿海土壤環境中的應力腐蝕行為[J]. 金屬熱處理，2023，48（2）：30-35.

[6]楊屺，萬娟，李科，等. 不銹鋼復合板壓力容器在富Cl～-環境下的應用[J]. 機械，2023，50（6）：74-80.

[7]王安東，戴起勛. 生物醫用材料316L不銹鋼的磨損腐蝕特性研究[J]. 金屬熱處理，2005，30（3）：33-36.

[8]ZHANG X"Y，ZHEN"Bingpeng，JIN"Fangliu，et al. Experimental study of the fretting wear behavior of Inconel 690 alloy under alternating load conditions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J. Journal of engineering tribology，2018，232（11）：1994-1996.

[9]沈明學，蔡振兵，周琰，等. 水介質條件下7075合金扭轉復合微動磨損特性研究[J]. 摩擦學學報，2013，33（6）：594-599.

[10]辛龍，李杰，陸永浩. Inconel 690合金高溫微動磨損特性研究[J]. 摩擦學學報，2015，35（4）：470-476.

[11]蔡振兵，朱永奎，彭金方，等. Ti6Al7Nb合金氮離子注入層在小牛血清溶液中的扭動微動摩擦磨損性能[J]. 稀有金屬材料與工程，2013，42（11）：2356-2361.

[12]周仲榮. 關于微動磨損與微動疲勞的研究[J]. 中國機械工程，2000，11（10）：75-79.

[13]周明琢，張耕培，盧文龍，等. 槳-轂軸承材料扭動微動磨損行為研究[J]. 中國機械工程，2017，28（23）：2785-2791.

[14]王松，廖振華，馮平法，等. 骨科植入物金屬材料生物摩擦腐蝕研究進展[J]. 摩擦學學報，2017，37（1）：130-138.

[15]STEMP M，MISCHLER S，LANDOLT D. The effect of mechanical and electrochemical parameters on the tribocorrosion rate of stainless steel in sulphuric acid[J]. Wear，2003，255（1）：466-475.

[16]XIN L，WANG Z H，LI J，et al. Fretting Wear Behavior and Mechanism of Inconel 690 Alloy Related to the Displacement Amplitude[J]. Tribology Transactions，2016（5）：913-922.

[17]WANG Z H，LI J，XIN L，et al. Effect of normal force on fretting wear behavior and mechanism of Alloy 690TT in high temperature water[J]. Wear An International Journal on the Science amp; Technology of Friction Lubrication amp; Wear，2016（1）：210-218.

[18]宋曉萍，王優強，張平，等. 7055鋁合金在3. 5%NaCl溶液中腐蝕磨損性能的研究[J]. 摩擦學學報，2020（1）：73-81.

[19]丁紅燕，戴振東. 鈦合金在海水中的微動磨損特性[J]. 稀有金屬材料與工程，2007，36（5）：778-781.

[20]張曉宇，向友文，袁新璐，等. 多功能微動磨損試驗機的研制[J]. 實驗室研究與探索，2023，42（7）：58-61.

[21]ALFARO M F，ROSSMAN P K，MARQUES I D S V，et al. Interface Damage in Titanium Dental Implant Due to Tribocorrosion：The Role of Mastication Frequencies[J]. Journal of Bio- and Tribo-Corrosion，2019，5（4）：1-12.

[22]KIRK A M，SHIPWAY P H，SUN W，et al. The effect of frequency on both the debris and the development of the tribologically transformed structure during fretting wear of a high strength steel[J]. Wear，2019（426-427）：694-703.

[23]FOUVRY S，ARNAUD P，MIGNOT A，et al. Contact size，frequency and cyclic normal force effects on Ti-6Al-4V fretting wear processes： An approach combining friction power and contact oxygenation[J]. Tribology International，2017：S0301679X16305333.

[24]JIN X， PH S， SUN"W."The Role of Temperature and Frequency on Fretting Wear of a Like-on-Like Stainless Steel Contact[J]. Tribology letters，2017，65（3）.

[25]LI Z. Fretting corrosion of CoCrMo alloy biomaterials： Instrumentation development， heredity integral modeling and the effect of frequency[D]. Syracuse：Syracuse University，2016.

[26]WARMUTH A R，SHIPWAY P H，SUN W. Fretting wear mapping：the influence of contact geometry and frequency on debris formation and ejection for a steel-on-steel pair[J]. Proceedings of the Royal Society A： Mathematical， Physical and Engineering Science，2015，471（2178）：1-22.

[27]PARK Y W，NARAYANAN T S N S，LEE K Y. Effect of fretting amplitude and frequency on the fretting corrosion behaviour of tin plated contacts[J]. Surface amp; Coatings Technology，2006，201（6）：2181-2192.

[28]李波，白潔，文屹，等. 旋轉圓盤電極方法研究鋁合金在NaCl中的腐蝕行為[J]. 機械，2023，50（4）：25-32.

[29]XIUZHOU L，ZHENBING C，JINGHUA Y，et al. Torsional Fretting Wear of Ti6Al4V Alloys in Saline Solutions[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2019，48（6）：1742-1748.

[30]王興億. 核輻照影響鋯合金在高溫環境下切向微動磨損特性研究[D]. 成都：西南交通大學，2022.

[31]PONTHIAUX P，WENGER F，DREES D，et al. Electrochemical techniques for studying tribocorrosion processes[J]. Wear，2004，256（5）：459-468.

作者簡介：楊抒（1989－），男，河南鄭州人，博士，工程師，主要研究方向為醫療器械臨床核查、生物材料微動腐蝕，E-mail：yangshu@mdei.org.cn。

*通信作者：徐良（1976－），男，浙江金華人，碩士，正高級工程師，主要研究方向為醫療器械監管和檢測、藥品檢驗等，E-mail：louis7th@163.com。