Vijaki, matice, vijaki in drugi pritrdilni elementi so po dolgotrajni uporabi dovzetni za korozijsko degradacijo, kar poslabša stabilnost in varnost mehanskih povezav. V fazi načrtovanja izdelka morajo inženirji skrbno izbrati materiale, površinske obloge in zaščitne premaze glede na dejanska delovna okolja, da ublažijo korozijo, preprečijo poslabšanje delovanja in izgubo življenjske dobe ter zagotovijo splošno zanesljivost delovanja mehanske opreme. Ta članek sistematično obravnava običajne korozijske načine, notranje mehanizme in zaščitne principe površinskih premazov za pritrdilne elemente, zagotavlja tehnično podporo za izbiro materiala in protikorozijsko optimizacijo izdelkov za pritrdilne elemente.

1. Osnovni koncept korozije

Korozija kovin se nanaša na uničujočo degradacijo kovinskih podlag, ki jo povzročijo kemične ali elektrokemične interakcije z okoljskimi mediji, in je eden najpogostejših načinov okvare mehanskih pritrdilnih elementov.

Čista kemična korozija nastane, ko pritrdilni elementi neposredno pridejo v stik z jedkimi kemičnimi snovmi brez sodelovanja električnega toka. Na primer, iztekel elektrolit iz baterije lahko neposredno razjeda površine pritrdilnih elementov in poškoduje osnovne materiale. V dejanski industrijski uporabi je večina korozijskih okvar pritrdilnih elementov posledica posrednih elektrokemičnih reakcij, ki običajno vključujejo rjavenje jekla in galvansko korozijo.

Širjenje korozije v pritrdilnih elementih je podobno razpadu zob. Izvira iz drobnih nevidnih napak in se hitro širi ter postopoma spodkopava strukturno celovitost navojnih spojev. Progresivna korozija razjeda kovinske podlage, zmanjšuje mehansko trdnost in na koncu povzroči zrahljanje ali zlom pritrdilnih elementov. Poleg tega lahko galvanske reakcije povzročijo tudi korozijsko poškodbo sosednjih povezanih komponent.

Poleg običajnega slabljenja trdnosti lahko korozija sproži dve posebni vrsti okvar. Prvi so korozijske okvare zaradi napetosti, kot je vodikova krhkost pod učinkom spajanja korozije in natezne napetosti. Drugi je odpoved zaradi korozijske utrujenosti, kjer se mikrorazpoke, ki nastanejo na korodiranih območjih, nenehno širijo pod izmeničnimi obremenitvami in sčasoma povzročijo utrujenostni zlom pritrdilnih elementov.

Nepravilna izbira materiala je ključni vzrok za kemično korozijo. Do kemične korozije pride, ko so pritrdilni materiali topni v korozivnih medijih. Na primer navadenvijaki iz ogljikovega jeklase bo hitro raztopil in korodiral, ko bo izpostavljen klorovodikovi kislini. Za huda in predvidljiva korozivna okolja so prednostne zlitine, odporne proti koroziji, kot so nerjavno jeklo in zlitine na osnovi niklja. Medtem je mogoče sprejeti goste in neprepustne zaščitne premaze, ki temeljito izolirajo korozivne medije in preprečijo kemično korozijo.

V industrijskih aplikacijah pri koroziji pritrdilnih elementov prevladuje elektrokemična korozija, ki jo poganjajo mikro spontani tokovi, za katero je značilna hitrejša hitrost širjenja in širši obseg poškodb. Elektrokemična korozija je odvisna od štirih nepogrešljivih pogojev: anodnih in katodnih območij, prevodnih elektrolitskih medijev, potencialne razlike in zaprtih prevodnih zank. Neprekinjena elektrokemična korozija se bo nadaljevala, ko bodo izpolnjeni vsi pogoji.

1.1 Mehanizem korozije ogljikovega jekla

Rja je najbolj značilna in temeljna oblika elektrokemične korozije jeklenih materialov. Ko se kapljice vode prilepijo na jeklene površine, se na meji med jekleno podlago in vodnim elektrolitom ustvari potencialna razlika, ki ustvarja mikro električne tokove in sproži reakcijo rjavenja. Oksidacijske reakcije potekajo na anodnih območjih, kjer atomi železa ionizirajo in se raztopijo v elektrolitu. V skladu s tem potekajo redukcijske reakcije na katodnih območjih, kjer atmosferski kisik reagira z vodo, da proizvede hidroksidne ione.

Železovi ioni se združijo s hidroksidnimi ioni v elektrolitu in tvorijo usedline železovega oksida, namreč rjo, na površinah pritrdilnih elementov. Dolgotrajna izpostavljenost vlažnim okoljem vzdržuje ciklično elektrokemično reakcijo, kar ima za posledico stalno erozijo substrata in postopno poslabšanje zaradi korozije.

1.2 Galvanska korozija

Galvanska korozija, opredeljena tudi kot korozija različnih kovin, je tipičen elektrokemični način korozije. V skladu s splošno elektrokemično korozijo zahteva štiri bistvene pogoje: anodo, katodo, elektrolit in potencialno razliko. Zaprta korozijska zanka nastane, ko sta dve različni kovini z različnima elektrodnima potencialoma v neposrednem stiku.

Ko sta dve različni kovini v stiku izpostavljeni elektrolitu, deluje kovina z višjim elektrodnim potencialom kot katoda, medtem ko tista z nižjim potencialom služi kot anoda. V zaprti zanki se atomi anodne kovine nenehno ionizirajo in porabljajo, kar vodi do progresivne korozijske okvare. Večja potencialna razlika med obema kovinama bo pospešila in poslabšala galvansko korozijo.

Tabela galvanskih serij je kritično vodilo za protikorozijsko načrtovanje pritrdilnih elementov. Položaj vsake kovine v tabeli predstavlja raven njenega potenciala elektrode. Bolj kot sta obe kovini ločeni v nizu, večja je njuna potencialna razlika in večja je nevarnost galvanske korozije. Na primer, magnezijeva zlitina in platina ležita na dveh skrajnih koncih serije, zaradi česar sta nezdružljiva kombinacija sestavljanja. Nasprotno pa kovine s podobnimi potencialnimi vrednostmi proizvajajo zanemarljive elektrokemične reakcije in imajo nizko tveganje korozije.

Resnost galvanske korozije določajo trije ključni dejavniki:

(1) Potencialna razlika: Razmik med dvema kovinama v galvanskem nizu neposredno določa stopnjo korozije. Kombinacija delov iz aluminija in komponent iz nerjavečega jekla 316 je bolj izpostavljena galvanski koroziji kot ujemanje delov iz ogljikovega jekla in kositra.

(2) Aktivnost elektrolita: višja koncentracija ionov izboljša prevodnost elektrolita in pospeši korozijske reakcije. Slanica vsebuje veliko ionov in služi kot veliko bolj aktiven elektrolit kot deionizirana voda, kar vodi do hitrejše galvanske korozije v slanem okolju.

(3) Razmerje med površinami katoda in anoda: večja površina katode glede na anodo bistveno okrepi anodno korozijo. Na primer, majhni aluminijasti pritrdilni elementi, sestavljeni na velikih ploščah iz nerjavečega jekla, delujejo kot drobne anode in hitro korodirajo v elektrolitskih okoljih. Nasprotno, majhnapritrdilni elementi iz nerjavečega jekla skupaj z velikimi aluminijastimi ploščami tvorijo majhno katodno površino, kar omejuje korozijo na kontaktni rob in ublaži splošno poškodbo.

1.3 Fretting korozija

Fretting korozija je poseben nekemični in neelektrokemični način korozije, ki se običajno pojavi v pogojih visokega trenja. Relativno drsenje in neprekinjeno stiskanje med parnimi površinami obrabi izvorne zaščitne oksidne folije pritrdilnih elementov. Na novo izpostavljena sveža kovinska podlaga je v neposrednem stiku z zunanjim okoljem in je podvržena hitri koroziji.

Pritrdilni elementi iz nerjavečega jekla, aluminijeve zlitine in titanove zlitine so zelo občutljivi na fretting korozijo. Njihove naležne površine in spojna območja navojev so v celoti odvisni od zaščitnih oksidnih filmov za odpornost proti koroziji. Ko se oksidne plasti obrabijo, bo substrat utrpel stalno in progresivno poškodbo zaradi korozije.

1.4 Režna korozija

Režna korozija je skrita lokalizirana elektrokemična korozija. Pojavlja se v ozkih kovinskih režah, robovih, obločnih prehodih in območjih, kjer se nabira prah in zadržuje voda. Razlike v koncentraciji elektrolita znotraj in zunaj ozkih rež sprožijo lokalizirane elektrokemične reakcije in povzročijo selektivno korozijsko poškodbo notranjih kovinskih podlag.

Korozija v razpokah je lokalizirana in jo je težko zaznati v zgodnji fazi, kar lahko po dolgotrajnem kopičenju povzroči resne strukturne poškodbe. Medtem bo kovinska matrika absorbirala veliko količino atomskega vodika, ki nastane med špranjsko korozijo, kar zlahka povzroči vodikovo krhkost in poveča tveganje zloma pritrdilnih elementov.

1.5 Jamčasta korozija

Jamična korozija je zelo lokalizirana oblika korozije, ki ustvarja drobne jamice na kovinskih površinah. Te začetne mikro napake se postopoma poglobijo in razširijo v očitne makroskopske korozijske jamice s trajnimi korozijskimi reakcijami.

V primerjavi z drugimi načini korozije ima luknjičasta korozija omejen vpliv na celotno strukturno celovitost in mehansko delovanje pritrdilnih elementov, ne da bi povzročila hitro odpoved. Njegov glavni mehanizem je v lokalnem pomanjkanju kisika na kovinski površini, ki tvori neodvisna anodna območja, sproži lokalne elektrokemične reakcije in se sčasoma razvije v globoke korozijske jame.

2. Zaščitni mehanizmi pritrdilnih elementov

Na podlagi zgornjih korozijskih mehanizmov je mogoče sprejeti ciljno strukturno optimizacijo in ukrepe za zaščito procesa, da se prekinejo korozijske razmere in zatrejo elektrokemične reakcije. Obstajajo štirje osnovni protikorozijski zaščitni mehanizmi za pritrdilne elemente, ki jih je mogoče uporabiti neodvisno ali v kombinaciji, da se doseže optimalna protikorozijska učinkovitost.

2.1 Zaščitni mehanizem pregrade

Pregradna zaščita je najosnovnejša protikorozijska metoda. Na kovinski površini je prekrit gost in neprekinjen zaščitni premaz, ki izolira substrat pred jedkimi mediji in blokira poti širjenja korozije. Njegov zaščitni učinek je v celoti odvisen od celovitosti premaza. Nepoškodovani premazi zagotavljajo dolgoročno stabilno protikorozijsko zaščito, medtem ko praske, luščenje ali obraba razkrijejo podlago in takoj povzročijo korozijo. Tipične uporabe vključujejo barvne filme in druge nekovinske zaščitne premaze.

2.2 Zaščitni mehanizem žrtvene anode

Zaščitni mehanizem žrtvene anode sprejme bolj aktivno površinsko prevleko, ki prednostno korodira, da zaščiti kovinsko podlago. Ta zaščitni učinek traja le, ko je žrtveni premaz popoln. Ko je premaz v celoti porabljen, bo podlaga izpostavljena in korodirana. Elektro-galvanizirana prevleka je tipična uporaba tega mehanizma, kjer cink z večjo kemično aktivnostjo prednostno korodira, da zaščiti podlage iz ogljikovega jekla.

2.3 Mehanizem zaščite pasivne plasti

Zaščita pred pasivizacijo temelji na inertnih, gostih oksidnih filmih, ki se spontano oblikujejo na kovinskih površinah. Kemično stabilna pasivna plast izolira zunanje korozivne medije in zagotavlja dolgoročno protikorozijsko delovanje.Pritrdilni elementiizdelani iz nerjavečega jekla, titanove zlitine in aluminijeve zlitine dosegajo trajno odpornost proti koroziji s svojimi izvornimi pasivnimi folijami.

2.4 Zaščitni mehanizem samozdravljenja

Samopopravljalna zaščita je napredna in visoko zanesljiva protikorozijska tehnologija. Manjše poškodbe zaščitnih premazov ali pasivnih filmov je mogoče spontano popraviti v naravnem okolju, da se ohrani neprekinjena zaščitna učinkovitost. Čeprav je obseg njegove uporabe omejen, zagotavlja odlično protikorozijsko stabilnost. Pasivacijski film iz avstenitnega nerjavečega jekla ima izjemno sposobnost samozdravljenja, ki se lahko po manjših poškodbah hitro regenerira in obnovi odpornost proti koroziji.

3. Sklep

Pritrdilni elementi so izpostavljeni številnim tveganjem korozije, vključno s kemično korozijo, elektrokemično korozijo, fretting korozijo, režno korozijo in luknjičasto korozijo, ki vse poškodujejo strukturno celovitost in zmanjšajo zanesljivost povezave. Zato morajo inženirji pri inženirskem načrtovanju in praktični uporabi v celoti ovrednotiti morebitne vrste korozije in tveganja okvar glede na pogoje delovanja in okoljske značilnosti. Razumna izbira materiala, optimizirano ujemanje galvanizacije in prevleke ter strukturno izboljšanje lahko učinkovito preprečijo ali odložijo korozijsko okvaro, kar zagotavlja dolgoročno stabilnost navojnih povezav in varno delovanje mehanske opreme.