Šrouby, matice, šroubya další spojovací prvky jsou po dlouhodobém provozu náchylné ke korozi-, což zhoršuje stabilitu a bezpečnost mechanických spojů. Během fáze návrhu produktu musí inženýři pečlivě vybrat materiály, povrchové pokovení a ochranné nátěry podle aktuálního provozního prostředí, aby zmírnili korozi, zabránili zhoršení výkonu a ztrátě životnosti a zaručili celkovou provozní spolehlivost mechanického zařízení. Tento článek systematicky rozpracovává běžné korozní režimy, vnitřní mechanismy a ochranné principy povrchových nátěrů spojovacích prvků, poskytuje technickou podporu pro výběr materiálu a antikorozní optimalizaci spojovacích produktů.

1. Základní pojem koroze

Koroze kovu označuje destruktivní degradaci kovových substrátů způsobenou chemickými nebo elektrochemickými interakcemi s okolním prostředím a je to jeden z nejčastějších způsobů selhání mechanických spojovacích prvků.

Čistá chemická koroze nastává, když spojovací prvky přímo přicházejí do styku s korozivními chemickými látkami bez účasti elektrického proudu. Například uniklý elektrolyt z baterie může přímo erodovat povrchy upevňovacích prvků a poškodit základní materiály. Ve skutečném průmyslovém provozu je většina korozních selhání spojovacích prvků způsobena nepřímými elektrochemickými reakcemi, typicky včetně koroze oceli a galvanické koroze.

Šíření koroze v spojovacích materiálech připomíná kaz zubů. Vzniká z drobných neviditelných defektů a rychle se šíří a postupně narušuje strukturální integritu závitových spojů. Progresivní koroze spotřebovává kovové substráty, snižuje mechanickou pevnost a nakonec vede k uvolnění nebo zlomení spojovacích prvků. Kromě toho mohou galvanické reakce také vyvolat korozní poškození sousedních připojených součástí.

Kromě konvenčního útlumu pevnosti může koroze vyvolat dva speciální typy poruch. Prvním jsou korozní poruchy vyvolané napětím{1}}, jako je vodíková křehkost v důsledku vazebného účinku koroze a tahového napětí. Druhým je porušení korozní únavou, kdy se mikrotrhliny vzniklé v zkorodovaných oblastech kontinuálně rozšiřují při střídavém zatížení a případně způsobují únavové lomy spojovacích prvků.

Nesprávný výběr materiálu je klíčovou příčinou chemické koroze. Chemická koroze nastává, když jsou spojovací materiály rozpustné v korozivních médiích. Například obyčejnýšrouby z uhlíkové ocelipři vystavení kyselině chlorovodíkové se rychle rozpustí a zkoroduje. Pro silná a předvídatelná korozivní prostředí jsou preferovány slitiny -odolné proti korozi, jako je nerezová ocel a slitiny na bázi niklu-. Mezitím lze použít husté a nepropustné ochranné povlaky, které zásadně izolují korozivní média a zabrání chemické korozi.

V průmyslových aplikacích dominuje korozi spojovacích prvků elektrochemická koroze poháněná mikrospontánními proudy, která se vyznačuje vyšší rychlostí šíření a širším rozsahem poškození. Elektrochemická koroze se opírá o čtyři nepostradatelné podmínky: oblasti anody a katody, vodivá elektrolytická média, rozdíl potenciálů a uzavřené vodivé smyčky. Po splnění všech podmínek bude probíhat nepřetržitá elektrochemická koroze.

1.1 Mechanismus koroze uhlíkové oceli

Rezavění je nejtypičtější a základní formou elektrochemické koroze ocelových materiálů. Když kapičky vody ulpívají na ocelových površích, vytváří se na rozhraní mezi ocelovým substrátem a vodným elektrolytem potenciálový rozdíl, který generuje mikroelektrické proudy a iniciuje reakci rezivění. Oxidační reakce probíhají v oblastech anody, kde atomy železa ionizují a rozpouštějí se v elektrolytu. Odpovídajícím způsobem probíhají redukční reakce v oblastech katody, kde atmosférický kyslík reaguje s vodou za vzniku hydroxidových iontů.

Ionty železa se slučují s hydroxidovými ionty v elektrolytu a vytvářejí na površích spojovacího prvku usazeniny oxidu železa, konkrétně rez. Dlouhodobé-vystavení vlhkému prostředí podporuje cyklickou elektrochemickou reakci, jejímž výsledkem je nepřetržitá eroze substrátu a postupné zhoršování kvality koroze.

1.2 Galvanická koroze

Galvanická koroze, také definovaná jako nepodobná koroze kovu, je typickým způsobem elektrochemické koroze. V souladu s obecnou elektrochemickou korozí vyžaduje čtyři základní podmínky: anodu, katodu, elektrolyt a potenciálový rozdíl. Uzavřená korozní smyčka se vytvoří, když jsou dva různé kovy s různými elektrodovými potenciály v přímém kontaktu.

Když jsou dva kontaktované různé kovy vystaveny elektrolytu, kov s vyšším elektrodovým potenciálem působí jako katoda, zatímco ten s nižším potenciálem slouží jako anoda. V uzavřené smyčce jsou atomy anodového kovu nepřetržitě ionizovány a spotřebovávány, což vede k postupnému koroznímu selhání. Větší potenciální rozdíl mezi těmito dvěma kovy urychlí a prohloubí galvanickou korozi.

Tabulka galvanických sérií je kritickým vodítkem pro antikorozní{0}}design spojovacích prvků. Poloha každého kovu v tabulce představuje úroveň jeho elektrodového potenciálu. Čím dále jsou oba kovy v sérii odděleny, tím větší je jejich potenciální rozdíl a tím vyšší je riziko galvanické koroze. Například slitina hořčíku a platina leží na dvou krajních koncích série, což z nich dělá nekompatibilní montážní kombinaci. Naproti tomu kovy s podobnými hodnotami potenciálu produkují zanedbatelné elektrochemické reakce a mají nízké korozní riziko.

Závažnost galvanické koroze je určena třemi hlavními faktory:

(1) Potenciální rozdíl: Rozteč dvou kovů v galvanické řadě přímo určuje stupeň koroze. Kombinace hliníkových dílů a komponentů z nerezové oceli 316 trpí závažnější galvanickou korozí než u dílů z uhlíkové oceli a cínu.

(2) Aktivita elektrolytu: Vyšší koncentrace iontů zlepšuje vodivost elektrolytu a urychluje korozní reakce. Solanka obsahuje hojné ionty a slouží jako mnohem aktivnější elektrolyt než deionizovaná voda, což vede k rychlejší galvanické korozi v solném prostředí.

(3) Poměr katodové-anody: Větší katodová plocha vzhledem k anodě výrazně zesiluje anodickou korozi. Například malé hliníkové spojovací prvky namontované na velkých deskách z nerezové oceli fungují jako malé anody a rychle korodují v prostředí elektrolytů. Naopak malénerezové spojovací prvkysladěny s velkými hliníkovými deskami tvoří malou katodovou plochu, omezují korozi na kontaktní hranu a zmírňují celkové poškození.

1.3 Otěrová koroze

Otěrová koroze je speciální nechemický a ne{1}}elektrochemický způsob koroze, který se běžně vyskytuje při vysokém-zatížení tření. Relativní klouzání a kontinuální komprese mezi dosedajícími povrchy opotřebovávají přirozené ochranné oxidové filmy spojovacích prvků. Nově vystavený čerstvý kovový substrát přímo kontaktuje vnější prostředí a podléhá rychlé korozi.

Spojovací materiál z nerezové oceli, slitiny hliníku a slitiny titanu je vysoce citlivý na korozi třením. Jejich dosedací plochy a oblasti lícování závitů zcela závisí na ochranných oxidových filmech pro odolnost proti korozi. Jakmile jsou vrstvy oxidu opotřebeny, substrát bude trpět nepřetržitým a progresivním korozním poškozením.

1.4 Štěrbinová koroze

Štěrbinová koroze je skrytá lokalizovaná elektrochemická koroze. Vyskytuje se v úzkých kovových mezerách, zkosení, přechodech oblouků a oblastech náchylných k hromadění prachu a zadržování vody. Rozdíly v koncentraci elektrolytu uvnitř a vně úzkých mezer spouštějí lokalizované elektrochemické reakce a způsobují selektivní korozní poškození vnitřních kovových substrátů.

Štěrbinová koroze je lokalizovaná a v raném stadiu je obtížně detekovatelná, což může vést k vážnému strukturálnímu poškození po dlouhodobém-nahromadění. Mezitím bude velké množství atomárního vodíku generovaného během štěrbinové koroze absorbováno kovovou matricí, což snadno způsobí vodíkové křehnutí a zvýší riziko zlomení spojovacích prvků.

1.5 Důlková koroze

Důlková koroze je vysoce lokalizovaná forma koroze, která vytváří drobné důlky na kovových površích. Tyto počáteční mikrodefekty se postupně prohlubují a expandují do zjevných makroskopických korozních důlků s trvalými korozními reakcemi.

Ve srovnání s jinými druhy koroze má důlková koroze omezený vliv na celkovou strukturální integritu a mechanické vlastnosti spojovacích prvků, aniž by způsobila rychlé selhání. Jeho hlavní mechanismus spočívá v lokálním nedostatku kyslíku na kovovém povrchu, který tvoří nezávislé anodické oblasti, spouští lokalizované elektrochemické reakce a nakonec se vyvine do hlubokých korozních důlků.

2. Ochranné mechanismy spojovacích prvků

Na základě výše uvedených korozních mechanismů lze přijmout cílenou strukturální optimalizaci a opatření na ochranu procesu, aby se odstranily korozní podmínky a potlačily se elektrochemické reakce. Existují čtyři základní mechanismy antikorozní ochrany spojovacích prvků, které lze použít samostatně nebo v kombinaci, aby bylo dosaženo optimálního antikorozního výkonu.

2.1 Mechanismus bariérové ​​ochrany

Bariérová ochrana je nejzákladnější antikorozní- metodou. Na kovovém povrchu je pokryta hustá a souvislá ochranná vrstva, která izoluje substrát od korozivních médií a blokuje cesty šíření koroze. Jeho ochranný účinek zcela závisí na celistvosti nátěru. Neporušené nátěry poskytují dlouhodobou-stabilní antikorozní-ochranu, zatímco poškrábání, odlupování nebo opotřebení odhalí podklad a okamžitě způsobí korozi. Mezi typické aplikace patří nátěrové filmy a jiné nekovové ochranné povlaky.

2.2 Ochranný mechanismus obětované anody

Mechanismus ochrany obětní anody využívá aktivnější povrchový povlak, který přednostně koroduje, aby chránil kovový substrát. Tento ochranný účinek trvá pouze tehdy, když obětovaný povlak zůstává kompletní. Jakmile je nátěr zcela spotřebován, podklad bude obnažený a zkorodovaný. Elektro-galvanizovaný povlak je typickou aplikací tohoto mechanismu, kdy zinek s vyšší chemickou aktivitou koroduje přednostně za účelem ochrany substrátů z uhlíkové oceli.

2.3 Ochranný mechanismus pasivační vrstvy

Pasivační ochrana se opírá o inertní, husté oxidové filmy, které se spontánně tvoří na kovových površích. Chemicky stabilní pasivační vrstva izoluje vnější korozivní média a poskytuje dlouhodobý-antikorozní výkon-.Spojovací materiálvyrobené z nerezové oceli, titanové slitiny a hliníkové slitiny dosahují trvanlivé odolnosti proti korozi prostřednictvím svých nativních pasivačních filmů.

2.4 Samo-uzdravovací ochranný mechanismus

Samo{0}}opravná ochrana je pokročilá a vysoce-spolehlivá anti-korozní technologie. Mírné poškození ochranných povlaků nebo pasivačních fólií lze spontánně opravit v přirozeném prostředí, aby byla zachována nepřetržitá ochrana. Přestože je rozsah jeho použití omezený, poskytuje vynikající antikorozní-stabilitu. Pasivační film z austenitické nerezové oceli má vynikající samoopravnou schopnost, která se po menším poškození může rychle regenerovat a obnovit odolnost proti korozi.

3. Závěr

Spojovací prvky jsou vystaveny mnoha rizikům koroze, včetně chemické koroze, elektrochemické koroze, třecí koroze, štěrbinové koroze a důlkové koroze, které všechny poškozují strukturální integritu a snižují spolehlivost spojení. Proto musí inženýři plně vyhodnotit potenciální typy koroze a rizika selhání podle provozních podmínek a charakteristik prostředí při konstrukčním návrhu a praktické aplikaci. Rozumný výběr materiálu, optimalizované pokovování a sladění povlaků a strukturální vylepšení mohou účinně zabránit nebo oddálit selhání koroze a zajistit dlouhodobou-stabilitu závitových spojů a bezpečný provoz mechanických zařízení.