Úvod do bežných antikoróznych technológií pre spojovacie prvky

Spojovacie prvkysú najbežnejšie komponenty v mechanických zariadeniach používaných na upevňovanie spojov, pričom všetky sa používajú v špecifických prostrediach. Dlhodobá interakcia medzi spojovacími prvkami a prostredím vždy zmení ich stav a výkon, to znamená, že dôjde ku korózii, ktorá je jednou z hlavných foriem zlyhania spojovacích prvkov. Mierna korózia spojovacích prvkov ovplyvní odpojiteľnosť a opätovnú použiteľnosť závitov, zatiaľ čo silná korózia poškodí pevnosť spojenia medzi komponentmi a dokonca povedie k náhlemu zlyhaniu obrobkov a katastrofickým nehodám. Preto bola antikorózna ochrana spojovacích prvkov vždy predmetom veľkého záujmu.

Bežné antikorózne technológie pre spojovacie prvky

Antikorózna úprava spojovacích prvkov zvyčajne určitými metódami vytvára povlak alebo antikoróznu vrstvu na povrchu obrobku, aby sa zabránilo vonkajšiemu prostrediu ovplyvňovať samotné spojovacie prvky a dosiahol sa účinok odolnosti proti korózii. Existujú štyri hlavné bežné antikorózne technológie pre spojovacie prvky: technológia spracovania filmu, technológia pokovovania, technológia povrchovej úpravy a zmena vnútornej štruktúry kovu (napríklad nehrdzavejúcej ocele).

1. Technológia spracovania filmu

Technológia spracovania filmu sa týka hlavne procesu vytvárania stabilného chemického (elektrochemického) konverzného filmu na kovovom povrchu pomocou chemických alebo elektrochemických metód. Napríklad v mestských koľajových vozidlách sa na filmovú úpravu spojovacích materiálov široko používa úprava černením/modrením a fosfátovaním.

1.1 Sčernenie a sfarbenie

Proces umiestňovania oceľových dielov do koncentrovaného alkalického roztoku obsahujúceho oxidanty a ich spracovanie pri teplote asi 140 stupňov po určitú dobu, aby sa vytvoril film chemického oxidu (zloženého najmä z Fe304) na povrchu oceľových dielov, sa nazýva úprava černenia/modrenia.

Technické vlastnosti černenia/modrenia:

1) Hrúbka filmu je 0,5-1,5 μm.

2) Čas testu neutrálneho soľného spreja (NSS) je vo všeobecnosti iba 2 ~ 5 hodín, v tomto čase sa oxidový film zlomil a dokonca sa objaví veľa hrdze.

3) Nízka citlivosť na vodíkové skrehnutie, môže byť použitá prevysokopevnostné skrutky.

4) Ako spojovací prvok je jeho konzistencia predpätia krútiaceho momentu slabá.

5) Jasná farba a dobrý dekoratívny efekt.

6) Nízke náklady.

1.2 Fosfátovanie

Proces ponorenia oceľových dielov do roztoku obsahujúceho mangán, kyselinu fosforečnú, fosforečnan a ďalšie činidlá za vzniku vo vode nerozpustného fosfátového konverzného filmu na kovovom povrchu sa nazýva fosfátovanie. Technické vlastnosti fosfátovania sú nasledovné:

1) Fólia je pevne spojená so substrátom (hrúbka 1~50 μm).

2) Čas testu neutrálneho soľného spreja (NSS) môže dosiahnuť 10 ~ 20 hodín a niektoré môžu dosiahnuť 72 hodín.

3) Slabá mechanická pevnosť a krehká textúra.

4) Ako spojovací prvok je jeho konzistencia predpätia krútiaceho momentu dobrá.

5) Farba je tmavá, napríklad svetlošedá, a dekoratívny efekt je slabý.

6) Nízka citlivosť na vodíkové skrehnutie, môže byť použitá pre skrutky s vysokou pevnosťou.

7) Nízke náklady.

2. Technológia pokovovania

Technológia pokovovania je proces povrchovej úpravy, ktorý vytvára hlavne tenkú kovovú vrstvu na povrchu kovových materiálov pomocou technológie pokovovania, aby kovové materiály získali dekoratívne alebo ochranné vlastnosti. V mestských koľajových vozidlách je technológiou pokovovania spojovacích prvkov hlavne galvanizácia, ako aj iné špeciálne pokovovanie (chrómovanie, niklovanie, kadmiovanie, postriebrenie atď.).

2.1 Galvanizácia

Zinok a železo sú miešateľné a ich štandardný elektródový potenciál je -0,76 V. Pre oceľový substrát je zinkový povlak anodický povlak, ktorý môže lepšie chrániť oceľový substrát. Preto je technológia galvanizácie veľmi široko používaná v spojovacích materiáloch. Existujú tri bežné spôsoby zinkovania: žiarové zinkovanie, galvanické zinkovanie a mechanické zinkovanie.

2.1.1 Žiarové zinkovanie

Žiarové zinkovanie sa vzťahuje na proces ponorenia oceľových častí do roztaveného tekutého zinku, čo spôsobuje sériu fyzikálnych a chemických reakcií na povrchu obrobku za vzniku kovového zinkového povlaku. Hrúbka žiarového zinkovania je relatívne hrubá (do 30 ~ 60 μm) a jeho odolnosť proti korózii je vynikajúca. Je široko používaný v oceľových dieloch používaných dlhodobo vonku (ako sú televízne veže, diaľničné zvodidlá atď.). Pre spojovacie prvky je žiarové zinkovanie všeobecne použiteľné pre skrutky M6 a vyššie, ale nemožno ho použiť pre spojovacie prvky s vysokou pevnosťou. Hlavným dôvodom je, že prevádzková teplota procesu žiarového zinkovania je relatívne vysoká (400 stupňov ~ 500 stupňov), čo ľahko spôsobí zmäkčenie vysokopevnostných spojovacích prvkov a zníži ich pevnosť.

2.1.2 Elektrogalvanizácia

Elektrogalvanizácia je použitie princípu elektrolýzy na vytvorenie rovnomerného, ​​hustého a dobre priľnavého zinkového povlaku na povrchu oceľových dielov. Hrúbka vrstvy elektrogalvanizovaného zinku je relatívne tenká (5~30 μm) a jej odolnosť proti korózii je najhoršia spomedzi galvanických antikoróznych úprav. Jeho proces je však jednoduchý, náklady sú nízke a má malý vplyv na záber závitov, takže sa široko používa v spojovacích materiáloch. Pretože galvanické zinkovanie má vysokú citlivosť na vodíkové krehnutie a je ťažké vodík úplne odstrániť (elektricky pozinkovaná vrstva sa odlupuje alebo odpadáva, keď je teplota vyššia ako 100 stupňov), galvanické zinkovanie sa nedá použiť pre spojovacie prvky s vysokou pevnosťou.

2.1.3 Mechanické zinkovanie

Mechanické zinkovanie sa vzťahuje na proces povrchovej úpravy, pri ktorom oceľové diely vytvárajú zinkový povlak nárazom na povrch oceľových dielov nárazovým médiom pôsobením chemických látok, ako je zinkový prášok, dispergačné činidlo a urýchľovač. Hrúbka mechanicky pozinkovanej vrstvy je vo všeobecnosti 5 ~ 50 μm. Povrch povlaku je hustý a rovnomerný, s dobrým dekoratívnym efektom a vynikajúcou odolnosťou proti korózii; okrem toho nemá žiadne nedostatky, ako je vysokoteplotné popúšťanie a vodíkové krehnutie existujúce pri žiarovom zinkovaní a elektrogalvanickom zinkovaní, takže ide o proces povrchovej úpravy vhodný najmä na antikoróznu ochranu spojovacích prvkov.

2.2 Ostatné kovové pokovovanie

2.2.1 Chrómovanie

Ako kovový povlak má chróm vlastnosti silnej priľnavosti, dobrej odolnosti proti opotrebeniu, vynikajúceho dekoratívneho efektu a vysokej tepelnej odolnosti (možno použiť normálne pod 500 stupňov). Preto je veľmi ideálne použiť chrómový povlak ako kovový povlak spojovacích prvkov.

Hlavné nevýhody chrómovania sú nasledovné:

1) Proces je zložitý a pred chrómovaním je potrebné najskôr pokovovať niklom alebo meďou.

2) Vysoká cena.

3) Chrómový povlak je tvrdý a krehký a ľahko spadne.

2.2.2 Poniklovanie

Ako kovový povlak má nikel dobrú elektrickú vodivosť, vysokú tvrdosť, dobrý dekoratívny efekt a tepelnú odolnosť (možno použiť bežne pod 600 stupňov), takže je tiež ideálne použiť niklovanie na spojovacie prvky.

Hlavné nevýhody pokovovania niklom sú nasledovné:

1) Proces je zložitý a pred poniklovaním sa musí najskôr pokovovať meď (pôvodné „pred pochrómovaním“ je preklep).

2) Niklový povlak je porézny a korózia matrice sa urýchli, keď je povlak tenký.

3) Vysoká cena.

2.2.3 Pokovovanie kadmiom

Ako kovový povlak je kadmium anodický povlak, ktorý má vlastnosti silnej odolnosti voči korózii kyseliny chlorovodíkovej, nízkeho vodíkového krehnutia a dobrého dekoratívneho efektu. Je obzvlášť vhodný pre upevňovacie prvky používané v námornom prostredí (ako sú upevňovacie prvky námorných lietadiel a ropných vrtných plošín).

Hlavné nevýhody pokovovania kadmiom sú nasledovné:

① Vysoké znečistenie životného prostredia. Plyn vznikajúci pri tavení kadmia a rozpustné soli kadmia sú toxické.

② Vysoká cena.

2.2.4 Postriebrenie

Ako kovový povlak má striebro vynikajúcu elektrickú vodivosť, vynikajúci odrazový výkon, dobrú mazaciu schopnosť a vynikajúcu tepelnú odolnosť (možno použiť normálne pod 870 stupňov). Preto sa postriebrenie široko používa v oblastiach, ako je elektronika a elektrotechnika, vysokofrekvenčné komponenty (ako sú vodivé skrutky generátora, výstupné svorky batérie vozidla).

Hlavné nevýhody postriebrenia sú nasledovné:

① Proces je zložitý a pred postriebrením sa musí najskôr pokovovať meď.

② Cena je veľmi drahá.

2.2.5 Zinok-niklové pokovovanie

Zinkovo-niklový kompozitný povlak je nový typ zliatinového kovového povlaku vyvinutý na základe technológie povrchovej úpravy zinkovaním, ktorá má mnoho výhod:

1) Čas testu neutrálneho soľného spreja (NSS) môže dosiahnuť 500 ~ 1500 hodín.

2) Elektródový potenciál povlaku je medzi Fe a Zn, čo je vhodnejšie na montáž s hliníkovými dielmi.

3) Vysoká tvrdosť povlaku a dobrý dekoratívny efekt.

4) Takmer žiadne vodíkové krehnutie, možno použiť navysokopevnostné spojovacie prvky.

5) Dobrá tepelná odolnosť (možno použiť normálne pod 800 stupňov; pôvodný "8009C" je preklep).

Hlavnou nevýhodou zinkovo-niklového povlaku je jeho vysoká cena (asi 6-násobok bežného zinkovania), no jeho vynikajúci komplexný výkon je čoraz viac uznávaný.

3. Technológia povrchovej úpravy

Technológia povrchovej úpravy je technológia povrchovej úpravy, ktorá prostredníctvom určitých zariadení a metód nanáša špecifické nátery na povrch predmetov, aby sa na povrchu vytvoril hustý, súvislý a rovnomerný film, ktorý sa potom vysuší a vytvrdí prírodnými alebo umelými metódami, čím sa vytvorí ochranný alebo dekoratívny náter.

V spojovacích materiáloch je najpoužívanejšou technológiou nanášania povlaku zinok-chróm, čo je povlak vytvorený na povrchu oceľových dielov nanesením zinkovo-chrómového povlaku na oceľové diely a vypaľovaním prostredníctvom povlaku s úplným uzavretým okruhom, tiež známym ako úprava Dacromet. Má nasledujúce vynikajúce vlastnosti:

1) Čas testu neutrálneho soľného spreja (NSS) môže dosiahnuť 500 ~ 1000 hodín.

2) Dobrá priepustnosť.

3) Žiadna citlivosť na vodíkové skrehnutie.

4) Nízke znečistenie životného prostredia.

5) Ako spojovací prvok je jeho konzistencia predpätia krútiaceho momentu veľmi dobrá.

6) Priemerná cena (asi 2-krát vyššia ako obyčajná galvanizácia).

Hlavné nevýhody liečby Dacrometom sú nasledovné:

1) Slabá odolnosť proti opotrebovaniu (tvrdosť je len 1 H).

2) Jednofarebná (iba strieborná biela a strieborná šedá), slabý dekoratívny efekt.

3) Slabá elektrická vodivosť, nevhodné pre časti s vodivými spojmi.

4. Zmena mikroštruktúry ocele

4.1 Zmena zloženia (ako je nehrdzavejúca oceľ)

Nerezová oceľ je skratka nehrdzavejúcej ocele odolnej voči kyselinám, ktorá má vynikajúcu odolnosť proti korózii a dobrý dekoratívny efekt a je široko používaná v rôznych oblastiach. V súčasnosti sa všeobecne verí, že mechanizmus odolnosti nehrdzavejúcej ocele proti korózii je hlavne takýto:

1) Keď obsah Cr presiahne 13 %, elektródový potenciál ocele stúpne z negatívneho potenciálu na pozitívny potenciál, čím sa samotná oceľová matrica stane „inertnou“;

2) Cr vytvorí na povrchu ocele hustý pasívny film bohatý na Cr na ďalšiu ochranu matrice;

3) Nehrdzavejúca oceľ môže byť rozdelená na martenzitickú oceľ, feritickú oceľ, austenitickú oceľ, austeniticko-feritickú nehrdzavejúcu oceľ atď. podľa mikroštruktúry. Spomedzi nich má austenitická nehrdzavejúca oceľ najlepšiu odolnosť proti korózii, ako napríklad nehrdzavejúca oceľ série A2 a A4.

Nerezová oceľ má hlavne tieto nedostatky:

① Nízka medza klzu (všeobecne nie viac ako 300 MPa), nie je vhodná na spojenie hlavných konštrukčných častí;

② Náchylné na zadretie závitu: keď sú skrutky z nehrdzavejúcej ocele utiahnuté, je ľahké poškodiť povrch závitu a v tomto okamihu sa spontánne vytvorí vrstva oxidu, čo ešte viac zhorší priľnavosť a zaistenie skrutiek;

③ Náchylnosť na medzikryštalickú koróziu: pri určitej teplote C a Cr v nehrdzavejúcej oceli vytvoria zlúčeniny, najmä v blízkosti hraníc zŕn, čo povedie k vzniku "oblastí ochudobnených o Cr" na hraniciach zŕn a spôsobí medzikryštalickú koróziu;

④ Nízka odolnosť voči korózii voči médiu Cl⁻ (okrem nehrdzavejúcej ocele A4);

⑤ Vysoká cena (asi 4-krát vyššia ako pri liečbe Dacrometom).

4.2 Zmena stavu tepelného spracovania

Oceľové materiály sú hlavne viacfázové štruktúry (nečistoty, karbidy, intermetalické zlúčeniny a iné druhé fázy zvyčajne existujú ako katódy v oceli, zatiaľ čo Fe matrica funguje ako anóda). Existuje potenciálny rozdiel medzi každou fázou vo viacfázovej štruktúre, ktorá tvorí korózny mikročlánok. Druhou fázou môže byť buď anodická pasivačná fáza alebo katódová rozpúšťacia fáza, pričom obe ovplyvnia odolnosť matrice proti korózii.

Ak vezmeme ako príklad nehrdzavejúcu oceľ, jej procesy zvárania a tepelného spracovania vyžadujú zvýšenú opatrnosť. Po vysokoteplotnom ošetrení roztokom, ak sa nehrdzavejúca oceľ zahreje na 400 až 850 stupňov, sa pozdĺž hraníc zŕn vyzráža veľké množstvo karbidov Cr23C6 a Cr7C3, čím sa vytvorí oblasť ochudobnená o Cr v blízkosti hraníc zŕn. Karbidy pôsobia ako katóda korózneho článku a oblasť ochudobnená o Cr pôsobí ako anóda korózneho článku, čo spôsobuje medzikryštalickú koróziu a vedie k výraznému zníženiu odolnosti nehrdzavejúcej ocele proti korózii.