Болты, гайки, винтыи другие крепежные детали подвержены коррозии после длительной-службы, что снижает стабильность и безопасность механических соединений. На этапе проектирования продукта инженеры должны тщательно выбирать материалы, поверхностные покрытия и защитные покрытия в соответствии с реальными условиями эксплуатации, чтобы уменьшить коррозию, предотвратить ухудшение характеристик и сокращение срока службы, а также гарантировать общую эксплуатационную надежность механического оборудования. В этом документе систематически рассматриваются общие режимы коррозии, внутренние механизмы и принципы защиты поверхностных покрытий крепежных изделий, а также обеспечивается техническая поддержка при выборе материалов и анти-оптимизации крепежных изделий.

1. Основная концепция коррозии.

Коррозия металла – это разрушительное разрушение металлических подложек, вызванное химическим или электрохимическим взаимодействием с окружающей средой, и это один из наиболее распространенных видов отказов механических крепежных изделий.

Чистая химическая коррозия возникает при непосредственном контакте крепежных изделий с агрессивными химическими веществами без участия электрического тока. Например, вытекший электролит аккумуляторной батареи может напрямую разрушить поверхности крепежа и повредить основные материалы. В реальной промышленной эксплуатации большинство коррозионных повреждений крепежных изделий происходит в результате косвенных электрохимических реакций, обычно включая ржавление стали и гальваническую коррозию.

Распространение коррозии в крепеже напоминает разрушение зубов. Он возникает из-за крошечных невидимых дефектов и быстро распространяется, постепенно нарушая структурную целостность резьбовых соединений. Прогрессирующая коррозия разрушает металлические основы, снижает механическую прочность и в конечном итоге приводит к ослаблению или разрушению крепежных элементов. Кроме того, гальванические реакции могут также вызвать коррозионное повреждение соседних подключенных компонентов.

Помимо обычного снижения прочности, коррозия может вызвать два особых типа отказов. Первый — это коррозионные разрушения,-вызванные напряжением, такие как водородное охрупчивание под действием сочетания коррозии и растягивающего напряжения. Второй — коррозионно-усталостное разрушение, при котором микротрещины, образующиеся в корродированных областях, постоянно расширяются под действием переменных нагрузок и в конечном итоге вызывают усталостное разрушение крепежных изделий.

Неправильный выбор материала является основной причиной химической коррозии. Химическая коррозия возникает, когда крепежные материалы растворяются в агрессивных средах. Например, обычныйболты из углеродистой сталибудет быстро растворяться и подвергаться коррозии под воздействием соляной кислоты. В тяжелых и предсказуемых агрессивных средах предпочтительны коррозионно--стойкие сплавы, такие как нержавеющая сталь и сплавы на основе никеля-. Между тем, для существенной изоляции агрессивных сред и предотвращения химической коррозии можно использовать плотные и непроницаемые защитные покрытия.

В промышленности в коррозии крепежных изделий преобладает электрохимическая коррозия, вызванная микроспонтанными токами, которая характеризуется более высокой скоростью распространения и более широким диапазоном повреждений. Электрохимическая коррозия зависит от четырех обязательных условий: анодной и катодной областей, проводящей электролитной среды, разности потенциалов и замкнутых проводящих контуров. Непрерывная электрохимическая коррозия будет продолжаться, если все условия будут выполнены.

1.1 Механизм коррозии углеродистой стали

Ржавчина является наиболее типичной и фундаментальной формой электрохимической коррозии стальных материалов. Когда капли воды прилипают к стальным поверхностям, на границе между стальной подложкой и водным электролитом образуется разность потенциалов, генерирующая микроэлектрические токи и инициирующая реакцию ржавления. Реакции окисления происходят в анодных областях, где атомы железа ионизируются и растворяются в электролите. Соответственно, реакции восстановления происходят в катодных областях, где кислород воздуха реагирует с водой с образованием гидроксид-ионов.

Ионы железа соединяются с ионами гидроксида в электролите, образуя на поверхностях крепежных деталей отложения оксида железа, а именно ржавчину. Длительное-воздействие влажной среды поддерживает циклическую электрохимическую реакцию, приводящую к непрерывной эрозии подложки и прогрессирующему коррозионному разрушению.

1.2 Гальваническая коррозия

Гальваническая коррозия, также определяемая как коррозия разнородных металлов, является типичным видом электрохимической коррозии. Как и общая электрохимическая коррозия, она требует четырех основных условий: анода, катода, электролита и разности потенциалов. Замкнутый контур коррозии образуется при непосредственном контакте двух разнородных металлов с разными электродными потенциалами.

Когда два контактирующих разнородных металла подвергаются воздействию электролита, металл с более высоким электродным потенциалом действует как катод, а металл с более низким потенциалом — как анод. В замкнутом контуре атомы анодного металла постоянно ионизируются и расходуются, что приводит к прогрессирующему коррозионному разрушению. Большая разность потенциалов между двумя металлами ускорит и усугубит гальваническую коррозию.

Таблица гальванических серий — это важнейшее руководство для защиты от-коррозионной защиты крепежных изделий. Положение каждого металла в таблице соответствует уровню его электродного потенциала. Чем дальше в ряду расположены два металла, тем больше их разность потенциалов и тем выше риск гальванической коррозии. Например, магниевый сплав и платина лежат на двух крайних концах ряда, что делает их несовместимой сборочной комбинацией. Напротив, металлы с одинаковыми значениями потенциала вызывают незначительные электрохимические реакции и обладают низким риском коррозии.

Тяжесть гальванической коррозии определяется тремя основными факторами:

(1) Разница потенциалов: расстояние между двумя металлами в гальваническом ряду напрямую определяет степень коррозии. Комбинация деталей из алюминия и компонентов из нержавеющей стали 316 подвергается более серьезной гальванической коррозии, чем комбинация деталей из углеродистой стали и олова.

(2) Активность электролита: более высокая концентрация ионов улучшает проводимость электролита и ускоряет коррозионные реакции. Рассол содержит большое количество ионов и служит гораздо более активным электролитом, чем деионизированная вода, что приводит к более быстрой гальванической коррозии в соленой среде.

(3) Соотношение площади катода-анода: большая площадь катода по сравнению с анодом значительно усиливает анодную коррозию. Например, небольшие алюминиевые крепежные детали, собранные на больших пластинах из нержавеющей стали, действуют как крошечные аноды и быстро корродируют в среде электролита. Напротив, маленькийкрепеж из нержавеющей сталив сочетании с большими алюминиевыми пластинами образуют небольшую площадь катода, ограничивая коррозию контактной кромки и уменьшая общий ущерб.

1.3 Фреттинг-коррозия

Фреттинг-коррозия — это особый вид не-химической и не-электрохимической коррозии, обычно возникающий в условиях трения с высокими-нагрузками. Относительное скольжение и постоянное сжатие между сопрягаемыми поверхностями стирают родные защитные оксидные пленки крепежных изделий. Вновь обнаженная свежая металлическая подложка напрямую контактирует с внешней средой и подвергается быстрой коррозии.

Крепежные изделия из нержавеющей стали, алюминиевых и титановых сплавов очень чувствительны к фреттинг-коррозии. Их опорные поверхности и зоны сопряжения резьбы полностью зависят от защитных оксидных пленок для обеспечения коррозионной стойкости. Как только оксидные слои изнашиваются, подложка будет подвергаться постоянным и прогрессирующим коррозионным повреждениям.

1.4 Щелевая коррозия

Щелевая коррозия – это скрытый локализованный вид электрохимической коррозии. Встречается в узких металлических зазорах, фасках, дуговых переходах и местах, склонных к скоплению пыли и задержке воды. Разница в концентрации электролита внутри и снаружи узких зазоров запускает локальные электрохимические реакции и вызывает избирательное коррозионное повреждение внутренних металлических подложек.

Щелевая коррозия локализована, и ее трудно обнаружить на ранней стадии, что может привести к серьезному повреждению конструкции после длительного-накопления. Между тем, большое количество атомарного водорода, образующегося во время щелевой коррозии, будет поглощаться металлической матрицей, легко вызывая водородное охрупчивание и увеличивая риск разрушения крепежных изделий.

1.5 Питтинговая коррозия

Питтинговая коррозия — это высоколокализованная форма коррозии, при которой на металлических поверхностях образуются крошечные ямки. Эти первоначальные микродефекты постепенно углубляются и расширяются, образуя явные макроскопические очаги коррозии с устойчивыми коррозионными реакциями.

По сравнению с другими видами коррозии, питтинговая коррозия оказывает ограниченное влияние на общую структурную целостность и механические характеристики крепежных изделий, не вызывая при этом быстрого разрушения. Его основной механизм заключается в локальном дефиците кислорода на поверхности металла, который образует независимые анодные области, запускает локализованные электрохимические реакции и в конечном итоге перерастает в глубокие коррозионные язвы.

2. Механизмы защиты крепежных изделий.

На основе вышеуказанных механизмов коррозии можно принять целенаправленные меры по структурной оптимизации и защите процесса, чтобы исключить условия коррозии и подавить электрохимические реакции. Существует четыре основных механизма анти-защиты от коррозии для крепежных изделий, которые можно применять независимо или в сочетании для достижения оптимальных анти-коррозионных характеристик.

2.1 Механизм барьерной защиты

Барьерная защита – это самый простой метод защиты от-коррозии. На поверхность металла наносится плотное и сплошное защитное покрытие, которое изолирует подложку от агрессивных сред и блокирует пути распространения коррозии. Его защитный эффект полностью зависит от целостности покрытия. Неповрежденные покрытия обеспечивают долгосрочную-стабильную анти-защиту от коррозии, тогда как царапины, отслаивание или износ обнажают подложку и немедленно вызывают коррозию. Типичные области применения включают лакокрасочные пленки и другие не-защитные покрытия.

2.2 Механизм защиты жертвенного анода

Механизм защиты жертвенного анода использует более активное поверхностное покрытие, которое корродирует преимущественно для защиты металлической подложки. Этот защитный эффект сохраняется только тогда, когда жертвенное покрытие остается целым. Как только покрытие полностью израсходуется, подложка обнажится и подвергнется коррозии. Электро-оцинкованное покрытие является типичным применением этого механизма, при котором цинк с более высокой химической активностью корродирует преимущественно для защиты подложек из углеродистой стали.

2.3 Механизм защиты пассивационного слоя

Пассивационная защита основана на инертных плотных оксидных пленках, самопроизвольно образующихся на металлических поверхностях. Химически стабильный пассивирующий слой изолирует внешние агрессивные среды и обеспечивает долгосрочную-анти-коррозионную защиту.КрепежиИзготовленные из нержавеющей стали, титанового сплава и алюминиевого сплава, они обеспечивают длительную коррозионную стойкость благодаря собственным пассивирующим пленкам.

2.4 Механизм защиты от самовосстановления-

Самовосстанавливающаяся защита – это передовая и высоко-надежная технология защиты-коррозии. Небольшие повреждения защитных покрытий или пассивирующих пленок можно самостоятельно устранить в естественных условиях для поддержания непрерывных защитных характеристик. Хотя сфера его применения ограничена, он обеспечивает превосходную анти-коррозионную устойчивость. Пассивационная пленка аустенитной нержавеющей стали обладает превосходной способностью к самовосстановлению-, которая может быстро восстанавливаться после незначительных повреждений и восстанавливать коррозионную стойкость.

3. Заключение

Крепежные изделия подвергаются многочисленным рискам коррозии, включая химическую коррозию, электрохимическую коррозию, фреттинг-коррозию, щелевую коррозию и точечную коррозию, которые нарушают целостность конструкции и снижают надежность соединений. Поэтому инженеры должны полностью оценить потенциальные типы коррозии и риски отказов в зависимости от условий эксплуатации и характеристик окружающей среды при проектировании и практическом применении. Разумный выбор материала, оптимизированное сочетание гальванопокрытий и покрытий, а также улучшение конструкции могут эффективно предотвратить или отсрочить коррозионное разрушение, обеспечивая долгосрочную-стабильность резьбовых соединений и безопасную эксплуатацию механического оборудования.