緊固件的腐蝕與保護機制
2022-05-26 16:03:41
作者：GAF螺絲君 來源：GAF螺絲君
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我們許多人都遇到過螺栓、螺母或螺釘，因長時間使用導致嚴重腐蝕情況。
正是由于這個原因，緊固件設計師在考慮產品的使用環(huán)境和選擇材料、鍍層或涂層時應非常小心，以保護產品免受侵蝕和降低使用壽命。
今天，螺絲君，將介紹緊固件遇到的不同類型的腐蝕，以及涂層或鍍層的保護機制。
01 什么是腐蝕？
腐蝕是金屬與環(huán)境發(fā)生化學或電化學反應而發(fā)生的破壞性改變。
當金屬緊固件接觸到腐蝕性化學物質時，可能會直接發(fā)生化學腐蝕，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反應的結果。例如鋼的銹蝕和原電池腐蝕。
緊固件腐蝕有點像蛀牙。它開始時可能很小，但是會很快蔓延，而且會以某種方式降低機械連接的完整性。
在最常見的情況下，緊固件本身開始腐蝕，緩慢地降低機械強度，然后不能承受其負載，直至失效。同時原電池作用也會腐蝕周圍的接頭材料。
除此之外，還有另外兩種由腐蝕引起的失效包括應力腐蝕，如氫脆；和疲勞腐蝕，腐蝕部位產生裂紋，然后發(fā)展為疲勞失效。
如果沒有選擇合適的緊固件材料，使用環(huán)境可能導致直接的化學腐蝕。當緊固件材料可溶于腐蝕介質時，就會發(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，當這些環(huán)境是已知的或預測的，工程師應該選擇一種不受溶劑影響的緊固件材料，可能是不銹鋼或鎳合金這是最重要的，同時，另一個策略是選擇一種不可滲透的涂層。
更為常見的腐蝕，來源于電化學機制。
這種腐蝕是由微小的、自產生的電流所催化的微觀化學反應造成的。
前提條件是必須有一個由陽極（帶正電的區(qū)域）和陰極（帶負電的區(qū)域）組成的電極，一個電解質（導電的液體或物質）和一個電位差來觸發(fā)電流流動。
這是電化學腐蝕反應的開始。
1 鋼的腐蝕：
鋼的銹蝕也許是最簡單的電化學腐蝕反應之一。
當一滴水落在鋼上時，在電極（鋼）和電解質（水滴）的界面上產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。這就開始了這個過程。在生銹的情況下，氧化反應發(fā)生在陽極區(qū)，并釋放一個鐵離子到電解液。
同樣，在陰極區(qū)域發(fā)生還原反應，水滴周圍大氣中的氧形成氫氧根離子。在水滴內部（電解液），鐵和氫氧根離子結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，這個過程就會繼續(xù)，零件很快被侵蝕。這種情況發(fā)生的時間越長，這些部位就會侵蝕得越嚴重。
圖 1，顯示了一個嚴重生銹的緊固件。
2 原電池腐蝕
另一種電化學腐蝕是原電池腐蝕，也就是通常所說的不同金屬間的腐蝕。像任何電化學腐蝕機制一樣，必須有陽極，陰極，電解液，和足夠的電位差來觸發(fā)電流流動。
當兩種具有不同電勢的金屬相互接觸時，就會觸發(fā)電流。
當兩個接觸材料存在電解液并有足夠大的電位差時，在一個材料作為陽極和另一個材料作為陰極之間觸發(fā)電流流動。
在這個過程中，作為陽極的材料的原子被剝離，并開始腐蝕。電勢差越大，這種形式的腐蝕就會越快越嚴重。
圖 2，展示了材料電位系列表，可用于緊固件工程師在設計初期減少原電池腐蝕的風險。
本質上，這張圖表的兩端代表了材料。它們的行為就像陽極（腐蝕材料）或陰極（保護材料）。這個圖表上的位置代表材料的電勢。
在這個圖表上，兩種材料的距離越遠，如果它們彼此接觸，它們的電勢差就會越大。
例如，鎂和鉑的配合將不是一個好組合，因為它們在圖表的兩端。
然而，將具有相似電勢的材料配對（如位于同一顏色帶的材料）可能會觸發(fā)很少或沒有電化學反應。
原電池腐蝕的程度，取決于三件事：
1、電勢差的大小-在電位系列表中，兩種材料的距離越遠，預期的電化學腐蝕程度就越大。
例如：與316型不銹鋼部件相結合的鋁零件，預計會比鋼和錫組成的部件遭受更多的原電池腐蝕效應。
2、電解質的活性--電解質中的礦物質（離子）越多，它的導電性就越好。
因此，鹽水是一種比去離子水強得多的電解質。電解液活性越強，腐蝕發(fā)生得越快。
3、接觸區(qū)域的相對尺寸-陰極相對于陽極越大，電化學腐蝕越快、越嚴重。舉個例子，把一個小的鋁緊固件擰在一個大的不銹鋼板上。
鋁緊固件為陽極，與陰極不銹鋼板相比體積較小，在電解液的存在的情況下，鋁緊固件會很快被腐蝕。但是現在把這個場景翻轉過來，做一個小的不銹鋼緊固件和擰在大面積的鋁板，雖然這仍然會觸發(fā)電化學腐蝕，但陰極相對于陽極的尺寸是相當小的，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的非化學或電化學性質的腐蝕機制。在高負載的情況下，接觸面相互摩擦，保護層被磨損時，就會產生磨損腐蝕。
在這種情況下，依靠氧化保護膜的材料就會被腐蝕。不銹鋼、鋁和鈦材料的緊固件的支撐面及螺紋配合區(qū)域對此比較敏感，因為此區(qū)域主要依賴于保護性的氧化物。
4 縫隙腐蝕
縫隙腐蝕是最隱蔽的腐蝕形式之一?？p隙腐蝕是當不同部位金屬暴露于不同濃度的同一電解液時產生的一種局部電化學形式腐蝕。
這發(fā)生在裂縫中、倒角、圓弧和開口處，或任何潮濕的、有污垢、異物堆積的地方。
由于此類腐蝕作用于緊固件的局部部位，因此往往不被注意，造成非常嚴重的影響。
此外，這些局部的腐蝕區(qū)域會產生大量的原子氫，這些原子氫會被吸收到零件中，容易導致發(fā)生氫脆失效。
5 點狀腐蝕
點蝕是金屬表面的一種高度局部化的腐蝕形式，在那里會形成一個微小的坑，并在隨后的腐蝕中生長成更深更明顯的缺陷。
盡管點蝕可能很難看，但它很少像其他腐蝕類型那樣降低零件的機械完整性。這個機制有點復雜，但本質上是一個很小的區(qū)域缺氧變成陽極，電化學過程被觸發(fā)，凹坑形成，隨著時間推移并進一步加深。
02 保護機制
現在，我們已經了解緊固件中最主要的腐蝕機制，那么，緊固件保護機制是如何工作來保護零件免受腐蝕的呢？
本質上，有四種保護機制可以單獨使用，也可以結合使用。
1、屏障-屏障機制就像字面描述一樣。
它創(chuàng)造了一個保護層（或屏障），使腐蝕物質遠離金屬基材。這一機制只要屏障保持完整就能發(fā)揮作用。
當屏障磨損或損壞并暴露出基材的時，腐蝕就開始了。例如油漆涂層。
2、犧牲（陽極）-犧牲機制是在腐蝕金屬基材之前犧牲自己。
像屏障機制一樣，這種機制只有在保護層仍然存在的情況下才有效。
一旦用完，金屬基材暴露出來，就會開始腐蝕。例如電鍍鋅涂層。
3、鈍化層-外部層是呈惰性的，因此它保護表面免受腐蝕反應。
例如，不銹鋼緊固件，依靠保護性氧化物來防止腐蝕。
4、自我修復-保護涂層最好的特性是具有自我修復特性。
可以簡單理解如果保護層被損壞，它能夠自我修復。
這種機制它并不常見，但非常有效。
例如，奧氏體不銹鋼緊固件。
03 最 后
緊固件，會遇到各種不同的腐蝕情況。
因此，工程師必須了解產品可能會遇到什么樣的腐蝕情況，然后采取保護措施，才能推遲或完全避免產品被腐蝕。
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