Болти, гайки, гвинти та інші кріплення піддаються корозії після тривалої експлуатації, що погіршує стабільність і безпеку механічних з'єднань. На етапі проектування продукту інженери повинні ретельно вибирати матеріали, покриття поверхні та захисні покриття відповідно до фактичних умов експлуатації, щоб пом’якшити корозію, запобігти погіршенню продуктивності та втраті терміну служби, а також гарантувати загальну експлуатаційну надійність механічного обладнання. У цьому документі систематично розробляються загальні режими корозії, внутрішні механізми та захисні принципи поверхневих покриттів для кріпильних виробів, надаючи технічну підтримку для вибору матеріалу та оптимізації антикорозійної дії кріпильних виробів.

1. Основні поняття корозії

Корозія металу відноситься до деструктивної деградації металевих підкладок, спричиненої хімічною або електрохімічною взаємодією з навколишнім середовищем, і це один із найпоширеніших видів відмови механічних кріплень.

Чиста хімічна корозія виникає при безпосередньому контакті кріплення з корозійними хімічними речовинами без участі електричного струму. Наприклад, витік електроліту акумулятора може безпосередньо роз'їсти поверхні кріплення та пошкодити основні матеріали. У реальній промисловій експлуатації більшість корозійних пошкоджень кріпильних елементів є результатом непрямих електрохімічних реакцій, як правило, включаючи іржавіння сталі та гальванічну корозію.

Поширення корозії в кріпленнях нагадує руйнування зубів. Він виникає з крихітних невидимих ​​дефектів і швидко поширюється, поступово підриваючи структурну цілісність різьбових з’єднань. Прогресуюча корозія поглинає металеві основи, знижує механічну міцність і, зрештою, призводить до ослаблення або руйнування кріплень. Крім того, гальванічні реакції також можуть спричинити корозійне пошкодження суміжних з’єднаних компонентів.

Окрім звичайного зниження міцності, корозія може спровокувати два особливі типи пошкоджень. Перший – це корозійні руйнування, викликані напругою, такі як воднева крихкість під дією зв’язку корозії та напруги розтягування. Другий – корозійно-втомне руйнування, коли мікротріщини, що утворилися в корозійних областях, безперервно розширюються під впливом змінних навантажень і врешті-решт викликають втомний руйнування кріплень.

Неправильний вибір матеріалу є основною причиною хімічної корозії. Хімічна корозія має місце, коли кріпильні матеріали розчиняються в корозійних середовищах. Наприклад, звичайнийболти з вуглецевої сталібуде швидко розчинятися і піддаватися корозії під впливом соляної кислоти. Для суворих і передбачуваних корозійних середовищ перевагу надають корозійностійким сплавам, таким як нержавіюча сталь і сплави на основі нікелю. Між тим, щільні та непроникні захисні покриття можуть бути прийняті для фундаментальної ізоляції корозійних середовищ та запобігання хімічній корозії.

У промисловому застосуванні в корозії кріпильних виробів переважає електрохімічна корозія, спричинена мікроспонтанними струмами, яка характеризується вищою швидкістю поширення та ширшим діапазоном пошкоджень. Електрохімічна корозія залежить від чотирьох неодмінних умов: анодної та катодної областей, провідного електролітного середовища, різниці потенціалів і замкнутих провідних петель. Безперервна електрохімічна корозія триватиме, коли всі умови будуть задоволені.

1.1 Механізм корозії вуглецевої сталі

Іржавіння є найбільш типовою і основною формою електрохімічної корозії сталевих матеріалів. Коли краплі води прилипають до сталевих поверхонь, на межі розділу між сталевою підкладкою та водним електролітом утворюється різниця потенціалів, що генерує мікроелектричні струми та ініціює реакцію іржавіння. Реакції окислення відбуваються в анодних областях, де атоми заліза іонізуються та розчиняються в електроліті. Відповідно, реакції відновлення відбуваються в катодних областях, де кисень повітря реагує з водою з утворенням гідроксид-іонів.

Іони заліза поєднуються з іонами гідроксиду в електроліті, утворюючи відкладення оксиду заліза, а саме іржу, на поверхнях кріплення. Тривалий вплив у вологому середовищі підтримує циклічну електрохімічну реакцію, що призводить до безперервної ерозії основи та прогресуючого корозійного пошкодження.

1.2 Гальванічна корозія

Гальванічна корозія, також визначена як корозія різнорідних металів, є типовим електрохімічним способом корозії. Відповідно до загальної електрохімічної корозії, вона вимагає чотирьох основних умов: анод, катод, електроліт і різниця потенціалів. Замкнений корозійний контур утворюється, коли два різнорідних металу з різними електродними потенціалами знаходяться в прямому контакті.

Коли два контактуючі різнорідні метали піддаються впливу електроліту, метал з вищим електродним потенціалом діє як катод, тоді як метал з меншим потенціалом служить анодом. У замкнутому циклі атоми анодного металу безперервно іонізуються та споживаються, що призводить до прогресуючого корозійного руйнування. Більша різниця потенціалів між двома металами прискорить і посилить гальванічну корозію.

Таблиця гальванічної серії є критичним керівництвом для антикорозійного дизайну кріплень. Положення кожного металу в таблиці відображає рівень електродного потенціалу. Чим далі два метали розділені в серії, тим більша їх різниця потенціалів і тим вищий ризик гальванічної корозії. Наприклад, магнієвий сплав і платина лежать на двох крайніх кінцях серії, що робить їх несумісною комбінацією. Навпаки, метали з подібними значеннями потенціалу викликають незначні електрохімічні реакції та мають низький ризик корозії.

Серйозність гальванічної корозії визначається трьома основними факторами:

(1) Різниця потенціалів: відстань між двома металами в гальванічному ряду безпосередньо визначає ступінь корозії. Поєднання алюмінієвих деталей і компонентів з нержавіючої сталі 316 зазнає сильнішої гальванічної корозії, ніж поєднання деталей з вуглецевої сталі та олова.

(2) Активність електроліту: більш висока концентрація іонів покращує провідність електроліту та прискорює реакції корозії. Розсіл містить велику кількість іонів і служить набагато активнішим електролітом, ніж деіонізована вода, що призводить до швидшої гальванічної корозії в соляному середовищі.

(3) Співвідношення площі катод-анод: більша площа катода відносно анода значно посилює анодну корозію. Наприклад, невеликі алюмінієві кріпильні елементи, зібрані на великих пластинах з нержавіючої сталі, діють як крихітні аноди та швидко піддаються корозії в середовищі електролітів. Навпаки, маленькийкріплення з нержавіючої сталі поєднані з великими алюмінієвими пластинами, утворюють невелику площу катода, обмежуючи корозію до контактного краю та зменшуючи загальне пошкодження.

1.3 Фретинг-корозія

Фретинг-корозія — це особливий нехімічний і неелектрохімічний тип корозії, який зазвичай виникає в умовах високого навантаження при терті. Відносне ковзання та безперервне стиснення між сполученими поверхнями зношують рідні захисні оксидні плівки кріплень. Нещодавно відкрита свіжа металева підкладка безпосередньо контактує із зовнішнім середовищем і швидко піддається корозії.

Кріплення з нержавіючої сталі, алюмінієвих сплавів і титанових сплавів дуже чутливі до фреттинг-корозії. Їх опорні поверхні та зони сполучення різьби повністю залежать від захисних оксидних плівок для стійкості до корозії. Коли оксидні шари зношуються, підкладка зазнає безперервної та прогресуючої корозії.

1.4 Щілинна корозія

Щілинна корозія - це прихований локалізований електрохімічний режим корозії. Це відбувається у вузьких металевих зазорах, фасках, дугових переходах і зонах, схильних до накопичення пилу та утримання води. Різниця в концентрації електроліту всередині та поза вузькими зазорами запускає локалізовані електрохімічні реакції та спричиняє вибіркове корозійне пошкодження внутрішніх металевих підкладок.

Щілинна корозія локалізована і її важко виявити на ранній стадії, що може призвести до серйозних структурних пошкоджень після тривалого накопичення. У той же час велика кількість атомарного водню, що утворюється під час щілинної корозії, буде поглинатися металевою матрицею, легко викликаючи водневу крихкість і збільшуючи ризик руйнування кріплень.

1.5 Точкова корозія

Точкова корозія — це дуже локалізована форма корозії, яка створює крихітні ямки на металевих поверхнях. Ці початкові мікродефекти поступово поглиблюються та розширюються до очевидних макроскопічних корозійних ямок із тривалими корозійними реакціями.

Порівняно з іншими способами корозії, точкова корозія має обмежений вплив на загальну структурну цілісність і механічні характеристики кріплень, не викликаючи швидкого виходу з ладу. Його основний механізм полягає в локальному дефіциті кисню на поверхні металу, який утворює незалежні анодні області, запускає локалізовані електрохімічні реакції та, зрештою, розвивається в глибокі корозійні ями.

2. Механізми захисту кріплень

Базуючись на наведених вище механізмах корозії, цілеспрямована структурна оптимізація та заходи захисту процесу можуть бути прийняті для відсікання умов корозії та придушення електрохімічних реакцій. Існує чотири основні механізми антикорозійного захисту для кріплень, які можна застосовувати окремо або в комбінації для досягнення оптимальних антикорозійних характеристик.

2.1 Бар'єрний захисний механізм

Бар'єрний захист є основним антикорозійним методом. На поверхню металу нанесено щільне і безперервне захисне покриття для ізоляції підкладки від корозійних середовищ і блокування шляхів поширення корозії. Його захисна дія повністю залежить від цілісності покриття. Неушкоджені покриття забезпечують тривалий стабільний антикорозійний захист, тоді як подряпини, відшарування або зношування оголюють основу та негайно викликають корозію. Типове застосування включає фарбувальні плівки та інші неметалічні захисні покриття.

2.2 Механізм захисту протекторного анода

Механізм захисту протекторного анода має більш активне поверхневе покриття, яке переважно піддається корозії для захисту металевої підкладки. Цей захисний ефект триває лише тоді, коли жертвене покриття залишається повним. Після того, як покриття буде повністю використано, підкладка буде оголена та піддана корозії. Електрогальванічне покриття є типовим застосуванням цього механізму, коли цинк з більшою хімічною активністю кородує переважно для захисту підкладок з вуглецевої сталі.

2.3 Механізм захисту шару пасивації

Захист від пасивації заснований на інертних, щільних оксидних плівках, які спонтанно утворюються на металевих поверхнях. Хімічно стійкий шар пасивації ізолює зовнішні корозійні середовища та забезпечує довготривалу антикорозійну дію.КріпленняВиготовлені з нержавіючої сталі, титанового сплаву та алюмінієвого сплаву, досягають тривалої корозійної стійкості завдяки своїм природним пасивуючим плівкам.

2.4 Механізм захисту самовідновлення

Захист від самовідновлення - це передова та високонадійна антикорозійна технологія. Незначні пошкодження захисних покриттів або пасиваційних плівок можна спонтанно відремонтувати в природному середовищі, щоб підтримувати постійний захист. Хоча сфера його застосування обмежена, він забезпечує чудову антикорозійну стабільність. Пасивуюча плівка з аустенітної нержавіючої сталі має чудову здатність до самовідновлення, яка може швидко відновлюватися після незначних пошкоджень і відновлювати стійкість до корозії.

3. Висновок

Кріпильні деталі піддаються численним ризикам корозії, включаючи хімічну корозію, електрохімічну корозію, фреттинг-корозію, щілинну корозію та точкову корозію, які пошкоджують цілісність конструкції та знижують надійність з’єднання. Тому інженери повинні повністю оцінити потенційні типи корозії та ризики відмови відповідно до умов експлуатації та характеристик навколишнього середовища в інженерному проектуванні та практичному застосуванні. Розумний вибір матеріалу, оптимізоване покриття та покращення конструкції можуть ефективно запобігти або затримати корозійне руйнування, забезпечуючи тривалу стабільність різьбових з’єднань і безпечну роботу механічного обладнання.