緊固件的腐蝕與保護(hù)機(jī)制

我們?cè)S多人都遇到過(guò)螺栓、螺母或螺釘，因長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕情況。

正是由于這個(gè)原因，緊固件設(shè)計(jì)師在考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境和選擇材料、鍍層或涂層時(shí)應(yīng)非常小心，以保護(hù)產(chǎn)品免受侵蝕和降低使用壽命。

今天我們將介紹緊固件遇到的不同類(lèi)型的腐蝕，以及涂層或鍍層的保護(hù)機(jī)制。

1. 什么是腐蝕？

腐蝕是金屬與環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的破壞性改變。

當(dāng)金屬緊固件接觸到腐蝕性化學(xué)物質(zhì)時(shí)，可能會(huì)直接發(fā)生化學(xué)腐蝕，例如電池電解液的泄漏直接腐蝕緊固件。

然而，更多緊固件的腐蝕是一種較為間接的電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。例如鋼的銹蝕和原電池腐蝕。

緊固件腐蝕有點(diǎn)像蛀牙。它開(kāi)始時(shí)可能很小，但是會(huì)很快蔓延，而且會(huì)以某種方式降低機(jī)械連接的完整性。

在最常見(jiàn)的情況下，緊固件本身開(kāi)始腐蝕，緩慢地降低機(jī)械強(qiáng)度，然后不能承受其負(fù)載，直至失效。同時(shí)原電池作用也會(huì)腐蝕周?chē)慕宇^材料。

除此之外，還有另外兩種由腐蝕引起的失效包括應(yīng)力腐蝕，如氫脆；和疲勞腐蝕，腐蝕部位產(chǎn)生裂紋，然后發(fā)展為疲勞失效。

如果沒(méi)有選擇合適的緊固件材料，使用環(huán)境可能導(dǎo)致直接的化學(xué)腐蝕。當(dāng)緊固件材料可溶于腐蝕介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

例如，普通的鋼螺栓接觸到鹽酸。在一些非常惡劣的環(huán)境中，當(dāng)這些環(huán)境是已知的或預(yù)測(cè)的，工程師應(yīng)該選擇一種不受溶劑影響的緊固件材料，可能是不銹鋼六角頭螺栓或鎳合金這是最重要的，同時(shí)，另一個(gè)策略是選擇一種不可滲透的涂層。

更為常見(jiàn)的腐蝕，來(lái)源于電化學(xué)機(jī)制。

這種腐蝕是由微小的、自產(chǎn)生的電流所催化的微觀化學(xué)反應(yīng)造成的。

前提條件是必須有一個(gè)由陽(yáng)極(帶正電的區(qū)域)和陰極(帶負(fù)電的區(qū)域)組成的電極，一個(gè)電解質(zhì)(導(dǎo)電的液體或物質(zhì))和一個(gè)電位差來(lái)觸發(fā)電流流動(dòng)。

這是電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的開(kāi)始。

1 鋼的腐蝕:

鋼的銹蝕也許是最簡(jiǎn)單的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)之一。

當(dāng)一滴水落在鋼上時(shí)，在電極(鋼)和電解質(zhì)(水滴)的界面上產(chǎn)生了不同的電流狀態(tài)。這種狀態(tài)的差異觸發(fā)了電流流動(dòng)。這就開(kāi)始了這個(gè)過(guò)程。在生銹的情況下，氧化反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極區(qū)，并釋放一個(gè)鐵離子到電解液。

同樣，在陰極區(qū)域發(fā)生還原反應(yīng)，水滴周?chē)髿庵械难跣纬蓺溲醺x子。在水滴內(nèi)部(電解液)，鐵和氫氧根離子結(jié)合形成氧化鐵或鐵銹沉淀在零件的表面上。

如果零件處于潮濕環(huán)境，這個(gè)過(guò)程就會(huì)繼續(xù)，零件很快被侵蝕。這種情況發(fā)生的時(shí)間越長(zhǎng)，這些部位就會(huì)侵蝕得越嚴(yán)重。

圖 1，顯示了一個(gè)嚴(yán)重生銹的緊固件。

2 原電池腐蝕

另一種電化學(xué)腐蝕是原電池腐蝕，也就是通常所說(shuō)的不同金屬間的腐蝕。像任何電化學(xué)腐蝕機(jī)制一樣，必須有陽(yáng)極，陰極，電解液，和足夠的電位差來(lái)觸發(fā)電流流動(dòng)。

當(dāng)兩種具有不同電勢(shì)的金屬相互接觸時(shí)，就會(huì)觸發(fā)電流。

當(dāng)兩個(gè)接觸材料存在電解液并有足夠大的電位差時(shí)，在一個(gè)材料作為陽(yáng)極和另一個(gè)材料作為陰極之間觸發(fā)電流流動(dòng)。

在這個(gè)過(guò)程中，作為陽(yáng)極的材料的原子被剝離，并開(kāi)始腐蝕。電勢(shì)差越大，這種形式的腐蝕就會(huì)越快越嚴(yán)重。

圖 2，展示了材料電位系列表，可用于緊固件工程師在設(shè)計(jì)初期減少原電池腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

本質(zhì)上，這張圖表的兩端代表了材料。它們的行為就像陽(yáng)極(腐蝕材料)或陰極(保護(hù)材料)。這個(gè)圖表上的位置代表材料的電勢(shì)。

在這個(gè)圖表上，兩種材料的距離越遠(yuǎn)，如果它們彼此接觸，它們的電勢(shì)差就會(huì)越大。

例如，鎂和鉑的配合將不是一個(gè)好組合，因?yàn)樗鼈冊(cè)趫D表的兩端。

然而，將具有相似電勢(shì)的材料配對(duì)(如位于同一顏色帶的材料)可能會(huì)觸發(fā)很少或沒(méi)有電化學(xué)反應(yīng)。

原電池腐蝕的程度，取決于三件事:

1、電勢(shì)差的大小-在電位系列表中，兩種材料的距離越遠(yuǎn)，預(yù)期的電化學(xué)腐蝕程度就越大。

例如:與316型不銹鋼部件相結(jié)合的鋁零件，預(yù)計(jì)會(huì)比鋼和錫組成的部件遭受更多的原電池腐蝕效應(yīng)。

2、電解質(zhì)的活性--電解質(zhì)中的礦物質(zhì)(離子)越多，它的導(dǎo)電性就越好。

因此，鹽水是一種比去離子水強(qiáng)得多的電解質(zhì)。電解液活性越強(qiáng)，腐蝕發(fā)生得越快。

3、接觸區(qū)域的相對(duì)尺寸-陰極相對(duì)于陽(yáng)極越大，電化學(xué)腐蝕越快、越嚴(yán)重。舉個(gè)例子，把一個(gè)小的鋁緊固件擰在一個(gè)大的不銹鋼板上。

鋁緊固件為陽(yáng)極，與陰極不銹鋼板相比體積較小，在電解液的存在的情況下，鋁緊固件會(huì)很快被腐蝕。但是現(xiàn)在把這個(gè)場(chǎng)景翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，做一個(gè)小的不銹鋼緊固件和擰在大面積的鋁板，雖然這仍然會(huì)觸發(fā)電化學(xué)腐蝕，但陰極相對(duì)于陽(yáng)極的尺寸是相當(dāng)小的，所以，這種腐蝕通常只局限在緊固件與平板的接觸邊緣附近。

3 磨損腐蝕

磨損腐蝕是一種少見(jiàn)的非化學(xué)或電化學(xué)性質(zhì)的腐蝕機(jī)制。在高負(fù)載的情況下，接觸面相互摩擦，保護(hù)層被磨損時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磨損腐蝕。

在這種情況下，依靠氧化保護(hù)膜的材料就會(huì)被腐蝕。不銹鋼、鋁和鈦材料的緊固件的支撐面及螺紋配合區(qū)域?qū)Υ吮容^敏感，因?yàn)榇藚^(qū)域主要依賴(lài)于保護(hù)性的氧化物。

4 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是最隱蔽的腐蝕形式之一。縫隙腐蝕是當(dāng)不同部位金屬暴露于不同濃度的同一電解液時(shí)產(chǎn)生的一種局部電化學(xué)形式腐蝕。

這發(fā)生在裂縫中、倒角、圓弧和開(kāi)口處，或任何潮濕的、有污垢、異物堆積的地方。

由于此類(lèi)腐蝕作用于緊固件的局部部位，因此往往不被注意，造成非常嚴(yán)重的影響。

此外，這些局部的腐蝕區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的原子氫，這些原子氫會(huì)被吸收到零件中，容易導(dǎo)致發(fā)生氫脆失效。

5 點(diǎn)狀腐蝕

點(diǎn)蝕是金屬表面的一種高度局部化的腐蝕形式，在那里會(huì)形成一個(gè)微小的坑，并在隨后的腐蝕中生長(zhǎng)成更深更明顯的缺陷。

盡管點(diǎn)蝕可能很難看，但它很少像其他腐蝕類(lèi)型那樣降低零件的機(jī)械完整性。這個(gè)機(jī)制有點(diǎn)復(fù)雜，但本質(zhì)上是一個(gè)很小的區(qū)域缺氧變成陽(yáng)極，電化學(xué)過(guò)程被觸發(fā)，凹坑形成，隨著時(shí)間推移并進(jìn)一步加深。

2、保護(hù)機(jī)制

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解緊固件中最主要的腐蝕機(jī)制，那么，緊固件保護(hù)機(jī)制是如何工作來(lái)保護(hù)零件免受腐蝕的呢?

本質(zhì)上，有四種保護(hù)機(jī)制可以單獨(dú)使用，也可以結(jié)合使用。

1、屏障-屏障機(jī)制就像字面描述一樣。

它創(chuàng)造了一個(gè)保護(hù)層(或屏障)，使腐蝕物質(zhì)遠(yuǎn)離金屬基材。這一機(jī)制只要屏障保持完整就能發(fā)揮作用。

當(dāng)屏障磨損或損壞并暴露出基材的時(shí)，腐蝕就開(kāi)始了。例如油漆涂層。

2、犧牲(陽(yáng)極)-犧牲機(jī)制是在腐蝕金屬基材之前犧牲自己。

像屏障機(jī)制一樣，這種機(jī)制只有在保護(hù)層仍然存在的情況下才有效。

一旦用完，金屬基材暴露出來(lái)，就會(huì)開(kāi)始腐蝕。例如電鍍鋅涂層。

3、鈍化層-外部層是呈惰性的，因此它保護(hù)表面免受腐蝕反應(yīng)。

例如，不銹鋼緊固件，依靠保護(hù)性氧化物來(lái)防止腐蝕。

4、自我修復(fù)-保護(hù)涂層最好的特性是具有自我修復(fù)特性。

可以簡(jiǎn)單理解如果保護(hù)層被損壞，它能夠自我修復(fù)。

這種機(jī)制它并不常見(jiàn)，但非常有效。

例如，奧氏體不銹鋼緊固件。

最 后

緊固件，會(huì)遇到各種不同的腐蝕情況。

因此，工程師必須了解產(chǎn)品可能會(huì)遇到什么樣的腐蝕情況，然后采取保護(hù)措施，才能推遲或完全避免產(chǎn)品被腐蝕。