Pultit, mutterit, ruuvit ja muut kiinnikkeet ovat alttiita korroosiolle pitkäaikaisen käytön jälkeen, mikä heikentää mekaanisten liitosten vakautta ja turvallisuutta. Tuotesuunnitteluvaiheessa insinöörien tulee valita materiaalit, pintapinnoitteet ja suojapinnoitteet huolellisesti todellisten käyttöympäristöjen mukaan korroosion vähentämiseksi, suorituskyvyn heikkenemisen ja käyttöiän menettämisen estämiseksi sekä mekaanisten laitteiden yleisen toimintavarmuuden takaamiseksi. Tässä artikkelissa käsitellään systemaattisesti kiinnittimien pintapinnoitteiden yleisiä korroosiotapoja, sisäisiä mekanismeja ja suojaperiaatteita, jotka tarjoavat teknistä tukea materiaalien valinnassa ja kiinnitystuotteiden korroosionestooptimoinnissa.

1. Korroosion peruskäsite

Metallikorroosiolla tarkoitetaan metallialustojen tuhoisaa hajoamista, joka johtuu kemiallisista tai sähkökemiallisista vuorovaikutuksista ympäristön väliaineen kanssa, ja se on yksi yleisimmistä mekaanisten kiinnittimien rikkoutumistavoista.

Puhdasta kemiallista korroosiota tapahtuu, kun kiinnittimet koskettavat suoraan syövyttäviä kemiallisia aineita ilman sähkövirran osallistumista. Esimerkiksi vuotanut akkuelektrolyytti voi suoraan syövyttää kiinnikkeiden pintoja ja vahingoittaa perusmateriaaleja. Varsinaisessa teollisessa käytössä useimmat kiinnittimien korroosiovauriot johtuvat epäsuorista sähkökemiallisista reaktioista, mukaan lukien tyypillisesti teräksen ruostuminen ja galvaaninen korroosio.

Korroosion eteneminen kiinnikkeissä muistuttaa hampaiden rappeutumista. Se on peräisin pienistä näkymättömistä vioista ja leviää nopeasti ja heikentää vähitellen kierreliitosten rakenteellista eheyttä. Progressiivinen korroosio kuluttaa metallialustoja, heikentää mekaanista lujuutta ja johtaa lopulta kiinnikkeiden löystymiseen tai murtumiseen. Lisäksi galvaaniset reaktiot voivat myös aiheuttaa korroosiovaurioita vierekkäisiin kytkettyihin komponentteihin.

Perinteisen lujuusvaimennuksen lisäksi korroosio voi laukaista kaksi erityistä vikatyyppiä. Ensimmäinen on jännityksen aiheuttamat korroosiovauriot, kuten vetyhaurastuminen korroosion ja vetojännityksen kytkentävaikutuksen alaisena. Toinen on korroosioväsymisvika, jossa syöpyneille alueille syntyneet mikrohalkeamat laajenevat jatkuvasti vaihtelevien kuormien vaikutuksesta ja aiheuttavat lopulta kiinnittimien väsymismurtuman.

Väärä materiaalivalinta on keskeinen syy kemialliseen korroosioon. Kemiallista korroosiota tapahtuu, kun kiinnitysmateriaalit liukenevat syövyttäviin aineisiin. Esimerkiksi tavallinenhiiliteräspultitliukenee nopeasti ja syöpyy altistuessaan suolahapolle. Vaikeissa ja ennustettavissa olevissa syövyttävissä ympäristöissä suositaan korroosionkestäviä seoksia, kuten ruostumatonta terästä ja nikkelipohjaisia ​​seoksia. Sillä välin voidaan käyttää tiheitä ja läpäisemättömiä suojapinnoitteita syövyttävän väliaineen erottamiseksi perusteellisesti ja kemiallisen korroosion välttämiseksi.

Teollisissa sovelluksissa kiinnittimien korroosiota hallitsee mikrospontaanien virtojen aiheuttama sähkökemiallinen korroosio, jolla on nopeampi etenemisnopeus ja laajempi vaurioalue. Sähkökemiallinen korroosio perustuu neljään välttämättömään ehtoon: anodi- ja katodialueet, johtavat elektrolyyttiväliaineet, potentiaaliero ja suljetut johtavat silmukat. Jatkuva sähkökemiallinen korroosio jatkuu, kun kaikki ehdot täyttyvät.

1.1 Hiiliteräksen korroosiomekanismi

Ruostuminen on teräsmateriaalien sähkökemiallisen korroosion tyypillisin ja perustavin muoto. Kun vesipisarat tarttuvat teräspintoihin, teräsalustan ja vesipitoisen elektrolyytin rajapinnalle muodostuu potentiaaliero, joka synnyttää mikrosähkövirtoja ja käynnistää ruostumisreaktion. Hapetusreaktiot tapahtuvat anodialueilla, joissa rautaatomit ionisoituvat ja liukenevat elektrolyyttiin. Vastaavasti katodialueilla tapahtuu pelkistysreaktioita, joissa ilmakehän happi reagoi veden kanssa muodostaen hydroksidi-ioneja.

Rautaionit yhdistyvät elektrolyytissä olevien hydroksidi-ionien kanssa muodostaen rautaoksidikerrostumia, nimittäin ruostetta, kiinnityspinnoille. Pitkäaikainen altistuminen kosteille ympäristöille ylläpitää syklistä sähkökemiallista reaktiota, mikä johtaa jatkuvaan substraatin eroosioon ja asteittaiseen korroosion huononemiseen.

1.2 Galvaaninen korroosio

Galvaaninen korroosio, joka määritellään myös erilaiseksi metallikorroosioksi, on tyypillinen sähkökemiallinen korroosiomuoto. Yleisen sähkökemiallisen korroosion mukaisesti se vaatii neljä olennaista ehtoa: anodi, katodi, elektrolyytti ja potentiaaliero. Suljettu korroosiosilmukka muodostuu, kun kaksi erilaista metallia, joilla on eri elektrodipotentiaali, ovat suorassa kosketuksessa.

Kun kaksi kosketuksessa olevaa erilaista metallia altistetaan elektrolyytille, metalli, jolla on korkeampi elektrodipotentiaali, toimii katodina, kun taas metalli, jolla on pienempi potentiaali, toimii anodina. Suljetussa silmukassa anodisen metallin atomit ionisoituvat ja kuluvat jatkuvasti, mikä johtaa progressiiviseen korroosiovaurioon. Suurempi potentiaaliero näiden kahden metallin välillä kiihdyttää ja pahentaa galvaanista korroosiota.

Galvaanisarjan pöytä on kriittinen ohje kiinnikkeiden korroosionestosuunnittelussa. Kunkin metallin sijainti taulukossa edustaa sen elektrodipotentiaalitasoa. Mitä kauempana kaksi metallia on erotettu sarjassa, sitä suurempi on niiden potentiaaliero ja sitä suurempi on galvaanisen korroosion riski. Esimerkiksi magnesiumseos ja platina sijaitsevat sarjan kahdessa ääripäässä, mikä tekee niistä yhteensopimattoman kokoonpanoyhdistelmän. Sitä vastoin metallit, joilla on samanlaiset potentiaaliarvot, aiheuttavat merkityksettömiä sähkökemiallisia reaktioita ja niillä on alhainen korroosioriski.

Galvaanisen korroosion vakavuus määräytyy kolmella keskeisellä tekijällä:

(1) Mahdollinen ero: Kahden galvaanisen sarjan metallin välinen etäisyys määrää suoraan korroosioasteen. Alumiiniosien ja 316 ruostumattoman teräskomponentin yhdistelmä kärsii vakavammasta galvaanisesta korroosiosta kuin hiiliteräs- ja tinaosien yhteensovittaminen.

(2) Elektrolyyttiaktiivisuus: Korkeampi ionipitoisuus parantaa elektrolyytin johtavuutta ja nopeuttaa korroosioreaktioita. Suolavesi sisältää runsaasti ioneja ja toimii paljon aktiivisempana elektrolyyttinä kuin deionisoitu vesi, mikä johtaa nopeampaan galvaaniseen korroosioon suolaympäristöissä.

(3) Katodi-anodin pinta-alasuhde: Suurempi katodin pinta-ala suhteessa anodiin voimistaa anodista korroosiota merkittävästi. Esimerkiksi pienet alumiinikiinnikkeet, jotka on koottu suurille ruostumattomille teräslevyille, toimivat pieninä anodeina ja syöpyvät nopeasti elektrolyyttiympäristöissä. Päinvastoin, pieniruostumattomasta teräksestä valmistetut kiinnikkeet yhdistettynä suuriin alumiinilevyihin muodostavat pienen katodialueen, mikä rajoittaa korroosiota kosketusreunaan ja lievittää kokonaisvaurioita.

1.3 Särmäyskorroosio

Särmäyskorroosio on erityinen ei-kemiallinen ja ei-sähkökemiallinen korroosiomuoto, jota esiintyy yleisesti suuren kuormituksen kitkaolosuhteissa. Suhteellinen liukuminen ja jatkuva puristus liitäntäpintojen välillä kuluttavat kiinnikkeiden alkuperäiset suojaavat oksidikalvot. Äskettäin paljastettu tuoremetallisubstraatti koskettaa suoraan ulkoista ympäristöä ja käy läpi nopean korroosion.

Ruostumattomasta teräksestä, alumiiniseoksesta ja titaaniseoksesta valmistetut kiinnikkeet ovat erittäin herkkiä naarmuuntumiskorroosiolle. Niiden laakeripinnat ja kierteiden yhteensopivuusalueet ovat täysin riippuvaisia ​​korroosionkestävyydestä suojaavista oksidikalvoista. Kun oksidikerrokset ovat kuluneet pois, substraatti kärsii jatkuvista ja progressiivisista korroosiovaurioista.

1.4 Rakokorroosio

Rakokorroosio on piilotettu paikallinen sähkökemiallinen korroosiomuoto. Sitä esiintyy kapeissa metalliraoissa, viisteissä, kaarisiirtymissä ja alueilla, jotka ovat alttiita pölyn kertymiselle ja vedenpidätyskyvylle. Elektrolyytin pitoisuuserot kapeiden rakojen sisällä ja ulkopuolella laukaisevat paikallisia sähkökemiallisia reaktioita ja aiheuttavat selektiivisiä korroosiovaurioita sisäisille metallisubstraateille.

Rakokorroosio on paikallista ja vaikeasti havaittavissa varhaisessa vaiheessa, mikä voi johtaa vakaviin rakenteellisiin vaurioihin pitkäaikaisen kertymisen jälkeen. Sillä välin suuri määrä rakokorroosion aikana syntyvää atomivetyä absorboituu metallimatriisiin, mikä aiheuttaa helposti vetyhaurastumista ja lisää kiinnikkeiden murtumisriskiä.

1.5 Pistekorroosio

Pistekorroosio on erittäin paikallinen korroosiomuoto, joka synnyttää pieniä kuoppia metallipinnoille. Nämä alkuperäiset mikrovirheet syvenevät vähitellen ja laajenevat ilmeisiksi makroskooppisiksi korroosiokuopiksi, joissa korroosioreaktiot jatkuvat.

Verrattuna muihin korroosiomuotoihin, pistekorroosiolla on rajallinen vaikutus kiinnikkeiden yleiseen rakenteelliseen eheyteen ja mekaaniseen suorituskykyyn aiheuttamatta nopeaa vikaa. Sen ydinmekanismi on paikallinen hapenpuute metallipinnalla, joka muodostaa itsenäisiä anodisia alueita, laukaisee paikallisia sähkökemiallisia reaktioita ja kehittyy lopulta syviin korroosiokuoppiin.

2. Kiinnittimien suojausmekanismit

Edellä mainittujen korroosiomekanismien perusteella voidaan toteuttaa kohdennettuja rakenteellisia optimointeja ja prosessin suojatoimenpiteitä korroosio-olosuhteiden katkaisemiseksi ja sähkökemiallisten reaktioiden estämiseksi. Kiinnittimille on neljä ydinkorroosionestomekanismia, joita voidaan käyttää itsenäisesti tai yhdessä optimaalisen korroosionestokyvyn saavuttamiseksi.

2.1 Esteiden suojausmekanismi

Suojaus on yksinkertaisin korroosionestomenetelmä. Tiheä ja jatkuva suojapinnoite peitetään metallipinnalla substraatin eristämiseksi syövyttäviltä aineilta ja korroosion etenemisreittien estämiseksi. Sen suojaava vaikutus riippuu täysin pinnoitteen eheydestä. Ehjät pinnoitteet tarjoavat pitkäkestoisen vakaan korroosiosuojan, kun taas naarmut, hilseily tai kuluminen paljastavat alustan ja aiheuttavat välittömästi korroosion. Tyypillisiä käyttökohteita ovat maalikalvot ja muut ei-metalliset suojapinnoitteet.

2.2 Uhrautuvan anodin suojausmekanismi

Uhrautuva anodin suojamekanismi ottaa käyttöön aktiivisemman pintapinnoitteen, joka syöpyy ensisijaisesti metallialustan suojaamiseksi. Tämä suojaava vaikutus kestää vain, kun uhrautuva pinnoite on täydellinen. Kun pinnoite on täysin kulunut, alusta paljastuu ja syöpyy. Sähkösinkitty pinnoite on tämän mekanismin tyypillinen sovellus, jossa korkeammalla kemiallisella aktiivisuudella omaava sinkki syöpyy ensisijaisesti hiiliteräsalustojen suojaamiseksi.

2.3 Passivointikerroksen suojausmekanismi

Passivointisuojaus perustuu inertteihin, tiheisiin oksidikalvoihin, jotka muodostuvat spontaanisti metallipinnoille. Kemiallisesti vakaa passivointikerros eristää ulkoiset syövyttävät aineet ja tarjoaa pitkäaikaisen korroosionestokyvyn.Kiinnikkeetruostumattomasta teräksestä, titaaniseoksesta ja alumiiniseoksesta valmistetut tuotteet tarjoavat kestävän korroosionkestävyyden luontaisten passivointikalvojensa ansiosta.

2.4 Itsekorjautuva suojamekanismi

Itsekorjautuva suojaus on kehittynyt ja erittäin luotettava korroosionestotekniikka. Suojapinnoitteiden tai passivointikalvojen pienet vauriot voidaan korjata spontaanisti luonnollisessa ympäristössä jatkuvan suojauskyvyn ylläpitämiseksi. Vaikka sen käyttöalue on rajallinen, se tarjoaa erinomaisen korroosionestovakauden. Austeniittisen ruostumattoman teräksen passivointikalvolla on erinomainen itsekorjautumiskyky, joka voi uusiutua nopeasti pienten vaurioiden jälkeen ja palauttaa korroosionkestävyyden.

3. Johtopäätös

Kiinnikkeet ovat alttiina useille korroosioriskeille, mukaan lukien kemiallinen korroosio, sähkökemiallinen korroosio, naarmukorroosio, rakokorroosio ja pistekorroosio, jotka kaikki vahingoittavat rakenteellista eheyttä ja heikentävät liitosten luotettavuutta. Siksi insinöörien on arvioitava täysin mahdolliset korroosiotyypit ja vikariskit käyttöolosuhteiden ja ympäristöominaisuuksien mukaisesti suunnittelussa ja käytännön sovelluksissa. Kohtuullinen materiaalivalinta, optimoitu pinnoituksen ja pinnoitteen yhteensopivuus sekä rakenteelliset parannukset voivat tehokkaasti estää tai viivyttää korroosiovaurioita, mikä varmistaa kierreliitosten pitkäaikaisen vakauden ja mekaanisten laitteiden turvallisen toiminnan.