Крепежиявляются наиболее распространенными компонентами механического оборудования, используемыми для крепления соединений, каждый из которых используется в определенных условиях. Длительное-взаимодействие между крепежными деталями и окружающей средой всегда приводит к изменению их состояния и характеристик, то есть возникает коррозия, которая является одной из основных форм выхода из строя крепежных изделий. Легкая коррозия крепежных изделий повлияет на съемность и возможность повторного использования резьбы, а сильная коррозия повредит прочность соединения между компонентами и даже приведет к внезапному выходу из строя заготовок и катастрофическим авариям. Поэтому защита-коррозии крепежных изделий всегда вызывала серьезную озабоченность.
Общие технологии защиты-коррозии крепежных изделий
Анти-коррозионная обработка крепежных изделий обычно образует покрытие или анти-слой на поверхности заготовки с помощью определенных методов, чтобы предотвратить воздействие внешней среды на сами крепежные детали и добиться эффекта коррозионной стойкости. Существует четыре основных распространенных технологии защиты-коррозии крепежных изделий: технология пленочной обработки, технология металлизации, технология нанесения покрытий и изменение внутренней структуры металла (например, нержавеющей стали).
1. Технология обработки пленки
Технология обработки пленок в основном относится к процессу создания устойчивой химической (электрохимической) конверсионной пленки на поверхности металла с помощью химических или электрохимических методов. Например, в городском железнодорожном транспорте для пленочной обработки крепежных деталей широко используются чернение/воронение и фосфатирование.
1.1 Чернение и воронение
Процесс помещения стальных деталей в концентрированный щелочной раствор, содержащий окислители, и их обработка при температуре около 140 градусов в течение определенного периода времени с образованием химической оксидной пленки (в основном состоящей из Fe₃O₄) на поверхности стальных деталей называется обработкой чернением/воронением.
Технические характеристики обработки чернением/воронением:
1) Толщина пленки 0,5-1,5 мкм.
2) Время испытания в нейтральном солевом тумане (NSS) обычно составляет всего 2–5 часов, после чего оксидная пленка разрушается и даже появляется много ржавчины.
3) Низкая чувствительность к водородному охрупчиванию, может использоваться длявысокопрочные-болты.
4) Что касается крепежа, то его предварительная нагрузка по крутящему моменту-плохая.
5) Яркий цвет и хороший декоративный эффект.
6) Низкая стоимость.
1.2 Фосфатирование
Процесс погружения стальных деталей в раствор, содержащий марганец, фосфорную кислоту, фосфат и другие реагенты для образования на поверхности металла водо-нерастворимой фосфатной конверсионной пленки, называется фосфатированием. Технические характеристики фосфатирования следующие:
1) Пленка прочно соединена с подложкой (толщина 1~50 мкм).
2) Время испытания в нейтральном солевом тумане (NSS) может достигать 10–20 часов, а в некоторых случаях — 72 часа.
3) Плохая механическая прочность и хрупкая текстура.
4) В качестве крепежа он имеет хорошую стабильность крутящего момента-преднатяга.
5) Цвет темный, например светло-серый, декоративный эффект плохой.
6) Низкая чувствительность к водородному охрупчиванию, может использоваться для болтов высокой-прочности.
7) Низкая стоимость.
2. Технология металлического покрытия
Технология металлоплакирования — это процесс обработки поверхности, который преимущественно формирует тонкий металлический слой на поверхности металлических материалов с помощью технологии гальванического покрытия для придания металлическим материалам декоративных или защитных свойств. В городском железнодорожном транспорте технология металлического покрытия крепежных изделий - это преимущественно оцинковка, а также другие специальные металлические покрытия (хромирование, никелирование, кадмирование, серебрение и др.).
2.1 Цинкование
Цинк и железо смешиваются, и их стандартный электродный потенциал составляет -0,76 В. Для стальной подложки цинковое покрытие представляет собой анодное покрытие, которое может лучше защитить стальную подложку. Поэтому в крепеже очень широко применяется технология цинкования. Существует три распространенных метода цинкования: горячее цинкование, электрогальванизация и механическое цинкование.
2.1.1 Горячее-цинкование погружением
Горячее-цинкование погружением представляет собой процесс погружения стальных деталей в расплавленный жидкий цинк, вызывающий ряд физических и химических реакций на поверхности заготовки с образованием металлического цинкового покрытия. Толщина покрытия горячего-оцинкования относительно велика (до 30~60 мкм), а его коррозионная стойкость превосходна. Он широко используется в стальных деталях, долгое время эксплуатируемых на открытом воздухе (например, телебашнях, дорожных ограждениях и т. д.). Что касается крепежных изделий, горячее-оцинкование обычно применяется к болтам M6 и выше, но его нельзя использовать для высоко-прочных крепежных изделий. Основная причина заключается в том, что рабочая температура процесса горячего-оцинкования погружением относительно высока (400–500 градусов), что легко может вызвать размягчение высоко-прочных крепежных изделий и снизить их прочность.
2.1.2 Электрогальванизация
Электрогальванизация — это использование принципа электролиза для формирования однородного, плотного и хорошо связанного цинкового покрытия на поверхности стальных деталей. Толщина слоя электрогальванизированного цинка относительно мала (5~30 мкм), а его коррозионная стойкость является худшей среди гальванических анти-коррозионных обработок. Однако процесс его прост, стоимость невелика и мало влияет на зацепление резьбы, поэтому он широко используется в крепежных изделиях. Поскольку электрогальванизация имеет высокую чувствительность к водородному охрупчиванию и трудно полностью удалить водород (слой электрогальванизации отслаивается или отпадает при температуре выше 100 градусов), электрогальванизацию нельзя использовать для высокопрочных крепежных изделий-.
2.1.3 Механическое цинкование
Механическое цинкование представляет собой процесс обработки поверхности, при котором стальные детали образуют цинковое покрытие путем воздействия на поверхность стальных деталей ударной средой под действием химических веществ, таких как цинковый порошок, диспергатор и ускоритель. Толщина механического оцинкованного слоя обычно составляет 5–50 мкм. Поверхность покрытия плотная и однородная, с хорошей декоративностью и отличной коррозионной стойкостью; кроме того, он не имеет недостатков, таких как высоко-отпуск и водородное охрупчивание, присущих горячему-оцинкованию погружением и электроцинкованию, поэтому этот процесс обработки поверхности особенно подходит для защиты от-коррозии крепежных изделий.
2.2 Другие металлические покрытия
2.2.1 Хромирование
В качестве металлического покрытия хром обладает характеристиками сильной адгезии, хорошей износостойкости, превосходного декоративного эффекта и высокой термостойкости (обычно может использоваться при температуре ниже 500 градусов). Поэтому в качестве металлического покрытия крепежа очень идеально использовать хромирование.
Основные недостатки хромирования следующие:
1) Процесс сложный, и перед хромированием необходимо сначала нанести покрытие никелем или медью.
2) Высокая цена.
3) Хромовое покрытие твердое, хрупкое и легко отпадает.
2.2.2 Никелирование
В качестве металлического покрытия никель обладает хорошей электропроводностью, высокой твердостью, хорошим декоративным эффектом и термостойкостью (обычно может использоваться при температуре ниже 600 градусов), поэтому никелирование также идеально подходит для крепежных изделий.
Основные недостатки никелирования следующие:
1) Процесс сложный, и перед никелированием необходимо сначала покрыть медью (оригинал «до хромирования» — опечатка).
2) Никелевое покрытие пористое, и коррозия матрицы будет ускоряться, если покрытие тонкое.
3) Высокая цена.
2.2.3 Кадмиевое покрытие
В качестве металлического покрытия кадмий представляет собой анодное покрытие, которое обладает характеристиками сильной коррозионной стойкости к соляной кислоте, низкой водородной хрупкости и хорошего декоративного эффекта. Он особенно подходит для крепежа, используемого в морской среде (например, крепежа морских самолетов и нефтяных буровых платформ).
Основные недостатки кадмирования следующие:
① Высокое загрязнение окружающей среды. Газ, образующийся при плавлении кадмия и растворимых солей кадмия, токсичен.
② Высокая цена.
2.2.4 Серебрение
В качестве металлического покрытия серебро обладает превосходной электропроводностью, отличными отражающими характеристиками, хорошей смазывающей способностью и превосходной термостойкостью (обычно может использоваться при температуре ниже 870 градусов). Поэтому серебряное покрытие широко используется в таких областях, как электроника и электротехника, в высокочастотных компонентах (таких как токопроводящие болты генераторов, клеммы аккумуляторной батареи автомобиля).
Основные недостатки серебрения следующие:
① Процесс сложный, и перед серебрением необходимо сначала нанести медь.
② Цена очень дорогая.
2.2.5 Цинк-никелирование
Цинк-композитное покрытие — это новый тип покрытия из легированного металла, разработанный на основе технологии обработки поверхности цинкованием, который имеет множество преимуществ:
1) Время испытания в нейтральном солевом тумане (NSS) может достигать 500–1500 часов.
2) Электродный потенциал покрытия находится между Fe и Zn, что больше подходит для сборки с алюминиевыми деталями.
3) Высокая твердость покрытия и хороший декоративный эффект.
4) Практически отсутствует водородное охрупчивание, можно использовать длявысокопрочные-крепежи.
5) Хорошая термостойкость (обычно можно использовать при температуре ниже 800 градусов; оригинальное «8009C» является опечаткой).
Основным недостатком цинк-никелевого покрытия является его высокая цена (примерно в 6 раз выше, чем у обычного цинкования), но его превосходные комплексные характеристики получают все более широкое признание.
3. Технология нанесения покрытия
Технология нанесения покрытий — это технология обработки поверхности, при которой на поверхность предметов с помощью определенного оборудования и методов наносятся определенные покрытия с целью образования на поверхности плотной, непрерывной и однородной пленки, а затем высушивают и отверждают ее естественными или искусственными методами с образованием защитного или декоративного покрытия.
В крепежных изделиях наиболее широко используется технология покрытия цинком-хромом, которая представляет собой покрытие, образующееся на поверхности стальных деталей путем нанесения цинк-хромового покрытия на стальные детали и прокаливания покрытия в ходе полного замкнутого-цикла цикла, также известное как обработка Dacromet. Он обладает следующими превосходными характеристиками:
1) Время испытания в нейтральном солевом тумане (NSS) может достигать 500–1000 часов.
2) Хорошая проходимость.
3) Отсутствие чувствительности к водородному охрупчиванию.
4) Низкое загрязнение окружающей среды.
5) В качестве крепежа он имеет очень хорошую стабильность крутящего момента-преднатяга.
6) Умеренная цена (примерно в 2 раза дороже обычной оцинковки).
Основные недостатки лечения Дакрометом следующие:
1) Плохая износостойкость (твердость всего 1 Н).
2) Однотонный (только серебристо-белый и серебристо-серый), плохая декоративность.
3) Плохая электропроводность, не подходит для деталей с проводящими соединениями.
4. Изменение микроструктуры стали.
4.1 Изменение состава (например, нержавеющая сталь)
Нержавеющая сталь — это аббревиатура нержавеющей кислотостойкой-стали, которая обладает превосходной коррозионной стойкостью и хорошим декоративным эффектом и широко используется в различных областях. В настоящее время принято считать, что механизм коррозионной стойкости нержавеющей стали в основном заключается в следующем:
1) Когда содержание Cr превышает 13%, электродный потенциал стали повышается от отрицательного потенциала до положительного, делая саму стальную матрицу «инертной»;
2) Cr образует плотную пассивную пленку, богатую Cr-, на поверхности стали для дополнительной защиты матрицы;
3) Нержавеющую сталь можно разделить на мартенситную сталь, ферритную сталь, аустенитную сталь, аустенитную-ферритную нержавеющую сталь и т. д. в зависимости от микроструктуры. Среди них лучшей коррозионной стойкостью обладает аустенитная нержавеющая сталь, такая как нержавеющая сталь серий А2 и А4.
Нержавеющая сталь в основном имеет следующие недостатки:
① Низкий предел текучести (как правило, не более 300 МПа), не подходит для соединения крупных деталей конструкции;
② Склонность к заеданию резьбы: при затягивании болтов из нержавеющей стали легко повредить поверхность резьбы, и в это время самопроизвольно образуется оксидный слой, что еще больше ухудшает сцепление и фиксацию болта;
③ Склонность к межкристаллитной коррозии: при определенной температуре C и Cr в нержавеющей стали образуют соединения, особенно вблизи границ зерен, что приводит к появлению «областей, обедненных Cr-» на границах зерен и вызывает межкристаллитную коррозию;
④ Низкая коррозионная стойкость к среде Cl⁻ (кроме нержавеющей стали А4);
⑤ Высокая цена (примерно в 4 раза выше, чем у лечения Дакрометом).
4.2 Изменение состояния термообработки
Стальные материалы представляют собой преимущественно многофазные структуры (катодом в стали обычно являются примеси, карбиды, интерметаллиды и другие вторые фазы, а анодом — матрица Fe). Между каждой фазой многофазной структуры существует разность потенциалов, образующая коррозионную микроячейку. Второй фазой может быть либо фаза анодной пассивации, либо фаза катодного растворения, причем обе фазы влияют на коррозионную стойкость матрицы.
Если взять в качестве примера нержавеющую сталь, процессы ее сварки и термообработки требуют особой осторожности. Если после обработки высокотемпературным раствором-нержавеющая сталь нагревается от 400 до 850 градусов, большое количество карбидов Cr₂₃C₆ и Cr₇C₃ выпадет в осадок вдоль границ зерен, образуя область, обедненную Cr-возле границ зерен. Карбиды действуют как катод ячейки коррозии, а зона, обедненная Cr-, действует как анод ячейки коррозии, вызывая тем самым межкристаллитную коррозию и приводя к значительному снижению коррозионной стойкости нержавеющей стали.
