紧固件的腐蚀与保护机制

2021-12-31 11:12

我们许多人都遇到过螺栓、螺母或螺钉,因长时间使用导致严重腐蚀情况。

正是由于这个原因,紧固件设计师在考虑产品的使用环境和选择材料、镀层或涂层时应非常小心,以保护产品免受侵蚀和降低使用寿命。

今天我们将介绍紧固件遇到的不同类型的腐蚀,以及涂层或镀层的保护机制。

1. 什么是腐蚀?

腐蚀是金属与环境发生化学或电化学反应而发生的破坏性改变。

当金属紧固件接触到腐蚀性化学物质时,可能会直接发生化学腐蚀,例如电池电解液的泄漏直接腐蚀紧固件。

然而,更多紧固件的腐蚀是一种较为间接的电化学反应的结果。例如钢的锈蚀和原电池腐蚀。

紧固件腐蚀有点像蛀牙。它开始时可能很小,但是会很快蔓延,而且会以某种方式降低机械连接的完整性。

在最常见的情况下,紧固件本身开始腐蚀,缓慢地降低机械强度,然后不能承受其负载,直至失效。同时原电池作用也会腐蚀周围的接头材料。

除此之外,还有另外两种由腐蚀引起的失效包括应力腐蚀,如氢脆;和疲劳腐蚀,腐蚀部位产生裂纹,然后发展为疲劳失效。

如果没有选择合适的紧固件材料,使用环境可能导致直接的化学腐蚀。当紧固件材料可溶于腐蚀介质时,就会发生这种情况。

例如,普通的钢螺栓接触到盐酸。在一些非常恶劣的环境中,当这些环境是已知的或预测的,工程师应该选择一种不受溶剂影响的紧固件材料,可能是不锈钢六角头螺栓或镍合金这是最重要的,同时,另一个策略是选择一种不可渗透的涂层。

更为常见的腐蚀,来源于电化学机制。

这种腐蚀是由微小的、自产生的电流所催化的微观化学反应造成的。

前提条件是必须有一个由阳极(带正电的区域)和阴极(带负电的区域)组成的电极,一个电解质(导电的液体或物质)和一个电位差来触发电流流动。

这是电化学腐蚀反应的开始。

1 钢的腐蚀:

钢的锈蚀也许是最简单的电化学腐蚀反应之一。

当一滴水落在钢上时,在电极()和电解质(水滴)的界面上产生了不同的电流状态。这种状态的差异触发了电流流动。这就开始了这个过程。在生锈的情况下,氧化反应发生在阳极区,并释放一个铁离子到电解液。

同样,在阴极区域发生还原反应,水滴周围大气中的氧形成氢氧根离子。在水滴内部(电解液),铁和氢氧根离子结合形成氧化铁或铁锈沉淀在零件的表面上。

如果零件处于潮湿环境,这个过程就会继续,零件很快被侵蚀。这种情况发生的时间越长,这些部位就会侵蚀得越严重。

图片1.png

1,显示了一个严重生锈的紧固件。

2 原电池腐蚀

另一种电化学腐蚀是原电池腐蚀,也就是通常所说的不同金属间的腐蚀。像任何电化学腐蚀机制一样,必须有阳极,阴极,电解液,和足够的电位差来触发电流流动。

当两种具有不同电势的金属相互接触时,就会触发电流。

当两个接触材料存在电解液并有足够大的电位差时,在一个材料作为阳极和另一个材料作为阴极之间触发电流流动。

在这个过程中,作为阳极的材料的原子被剥离,并开始腐蚀。电势差越大,这种形式的腐蚀就会越快越严重。


图片2.png


2,展示了材料电位系列表,可用于紧固件工程师在设计初期减少原电池腐蚀的风险。

本质上,这张图表的两端代表了材料。它们的行为就像阳极(腐蚀材料)或阴极(保护材料)。这个图表上的位置代表材料的电势。

在这个图表上,两种材料的距离越远,如果它们彼此接触,它们的电势差就会越大。

例如,镁和铂的配合将不是一个好组合,因为它们在图表的两端。

然而,将具有相似电势的材料配对(如位于同一颜色带的材料)可能会触发很少或没有电化学反应。

原电池腐蚀的程度,取决于三件事:

1、电势差的大小-在电位系列表中,两种材料的距离越远,预期的电化学腐蚀程度就越大。

例如:316型不锈钢部件相结合的铝零件,预计会比钢和锡组成的部件遭受更多的原电池腐蚀效应。

2、电解质的活性--电解质中的矿物质(离子)越多,它的导电性就越好。

因此,盐水是一种比去离子水强得多的电解质。电解液活性越强,腐蚀发生得越快。

3、接触区域的相对尺寸-阴极相对于阳极越大,电化学腐蚀越快、越严重。举个例子,把一个小的铝紧固件拧在一个大的不锈钢板上。

铝紧固件为阳极,与阴极不锈钢板相比体积较小,在电解液的存在的情况下,铝紧固件会很快被腐蚀。但是现在把这个场景翻转过来,做一个小的不锈钢紧固件和拧在大面积的铝板,虽然这仍然会触发电化学腐蚀,但阴极相对于阳极的尺寸是相当小的,所以,这种腐蚀通常只局限在紧固件与平板的接触边缘附近。

3 磨损腐蚀

磨损腐蚀是一种少见的非化学或电化学性质的腐蚀机制。在高负载的情况下,接触面相互摩擦,保护层被磨损时,就会产生磨损腐蚀。

在这种情况下,依靠氧化保护膜的材料就会被腐蚀。不锈钢、铝和钛材料的紧固件的支撑面及螺纹配合区域对此比较敏感,因为此区域主要依赖于保护性的氧化物。

4 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是最隐蔽的腐蚀形式之一。缝隙腐蚀是当不同部位金属暴露于不同浓度的同一电解液时产生的一种局部电化学形式腐蚀。

这发生在裂缝中、倒角、圆弧和开口处,或任何潮湿的、有污垢、异物堆积的地方。

由于此类腐蚀作用于紧固件的局部部位,因此往往不被注意,造成非常严重的影响。

此外,这些局部的腐蚀区域会产生大量的原子氢,这些原子氢会被吸收到零件中,容易导致发生氢脆失效。

5 点状腐蚀

点蚀是金属表面的一种高度局部化的腐蚀形式,在那里会形成一个微小的坑,并在随后的腐蚀中生长成更深更明显的缺陷。

尽管点蚀可能很难看,但它很少像其他腐蚀类型那样降低零件的机械完整性。这个机制有点复杂,但本质上是一个很小的区域缺氧变成阳极,电化学过程被触发,凹坑形成,随着时间推移并进一步加深。

2、保护机制

现在,我们已经了解紧固件中最主要的腐蚀机制,那么,紧固件保护机制是如何工作来保护零件免受腐蚀的呢?

本质上,有四种保护机制可以单独使用,也可以结合使用。

1、屏障-屏障机制就像字面描述一样。

它创造了一个保护层(或屏障),使腐蚀物质远离金属基材。这一机制只要屏障保持完整就能发挥作用。

当屏障磨损或损坏并暴露出基材的时,腐蚀就开始了。例如油漆涂层。

2、牺牲(阳极)-牺牲机制是在腐蚀金属基材之前牺牲自己。

像屏障机制一样,这种机制只有在保护层仍然存在的情况下才有效。

一旦用完,金属基材暴露出来,就会开始腐蚀。例如电镀锌涂层。

3、钝化层-外部层是呈惰性的,因此它保护表面免受腐蚀反应。

例如,不锈钢紧固件,依靠保护性氧化物来防止腐蚀。

4、自我修复-保护涂层最好的特性是具有自我修复特性。

可以简单理解如果保护层被损坏,它能够自我修复。

这种机制它并不常见,但非常有效。

例如,奥氏体不锈钢紧固件。

紧固件,会遇到各种不同的腐蚀情况。

因此,工程师必须了解产品可能会遇到什么样的腐蚀情况,然后采取保护措施,才能推迟或完全避免产品被腐蚀。


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