Úvod do běžných antikorozních technologií pro spojovací prvky

Spojovací materiáljsou nejběžnější komponenty v mechanických zařízeních používaných pro upevnění spojů, přičemž všechny se používají ve specifických prostředích. Dlouhodobá interakce mezi spojovacími prvky a prostředím vždy změní jejich stav a výkon, to znamená, že dojde ke korozi, která je jednou z hlavních forem selhání spojovacích prvků. Mírná koroze spojovacích prvků ovlivní oddělitelnost a opětovnou použitelnost závitů, zatímco silná koroze poškodí pevnost spojení mezi součástmi a dokonce povede k náhlému selhání obrobků a katastrofickým nehodám. Proto byla antikorozní ochrana spojovacích prvků vždy předmětem velkého zájmu.

Běžné antikorozní technologie pro spojovací prvky

Antikorozní úprava spojovacích prvků obvykle určitými metodami vytváří povlak nebo antikorozní vrstvu na povrchu obrobku, aby se zabránilo působení vnějšího prostředí na samotné spojovací prvky a dosáhlo se efektu odolnosti proti korozi. Existují čtyři hlavní běžné antikorozní technologie pro spojovací prvky: technologie úpravy filmu, technologie pokovování, technologie povlakování a změna vnitřní struktury kovu (např. nerezové oceli).

1. Technologie zpracování filmu

Technologie zpracování filmu se týká hlavně procesu vytváření stabilního chemického (elektrochemického) konverzního filmu na kovovém povrchu pomocí chemických nebo elektrochemických metod. Například v městských kolejových vozidlech se černění/modrání a fosfátování široce používají pro filmovou úpravu spojovacích prostředků.

1.1 Černění a modření

Proces umístění ocelových dílů do koncentrovaného alkalického roztoku obsahujícího oxidanty a jejich ošetření při teplotě asi 140 stupňů po určitou dobu za účelem vytvoření filmu chemického oxidu (složeného převážně z Fe304) na povrchu ocelových dílů se nazývá ošetření černěním/modráním.

Technické vlastnosti úpravy černění/modrání:

1) Tloušťka filmu je 0,5-1,5 μm.

2) Doba testu neutrální solné mlhy (NSS) je obecně pouze 2~5 hodin, kdy se oxidový film rozbije a dokonce se objeví velké množství rzi.

3) Nízká citlivost na vodíkovou křehkost, lze použít provysokopevnostní šrouby.

4) Jako spojovací prvek je jeho konzistence moment-předpětí špatná.

5) Jasná barva a dobrý dekorativní efekt.

6) Nízká cena.

1.2 Úprava fosfátováním

Proces ponoření ocelových dílů do roztoku obsahujícího mangan, kyselinu fosforečnou, fosfát a další činidla za účelem vytvoření ve vodě nerozpustného fosfátového konverzního filmu na kovovém povrchu se nazývá úprava fosfátováním. Technické vlastnosti fosfátování jsou následující:

1) Fólie je pevně spojena se substrátem (tloušťka 1~50 μm).

2) Doba testu neutrální solné mlhy (NSS) může dosáhnout 10~20 hodin a některé mohou dosáhnout 72 hodin.

3) Špatná mechanická pevnost a křehká textura.

4) Jako spojovací prvek je jeho konzistence moment-předpětí dobrá.

5) Barva je tmavá, jako je světle šedá, a dekorativní efekt je špatný.

6) Nízká citlivost na vodíkové křehnutí, lze použít pro šrouby s vysokou pevností.

7) Nízká cena.

2. Technologie pokovování

Technologie pokovování je proces povrchové úpravy, který vytváří především tenkou kovovou vrstvu na povrchu kovových materiálů pomocí technologie pokovování, aby kovové materiály získaly dekorativní nebo ochranné vlastnosti. V městských kolejových vozidlech je technologií pokovování spojovacích prvků především galvanizace, ale i další speciální pokovování (chromování, niklování, kadmiování, stříbření atd.).

2.1 Galvanizace

Zinek a železo jsou mísitelné a jejich standardní elektrodový potenciál je -0,76 V. U ocelového substrátu je zinkový povlak anodický povlak, který může lépe chránit ocelový substrát. Proto je technologie zinkování velmi široce používána v spojovacích materiálech. Existují tři běžné způsoby zinkování: žárové zinkování, galvanické zinkování a mechanické zinkování.

2.1.1 Žárové zinkování

Žárové zinkování se vztahuje k procesu ponoření ocelových dílů do roztaveného tekutého zinku, což způsobuje řadu fyzikálních a chemických reakcí na povrchu obrobku za vzniku kovového zinkového povlaku. Tloušťka žárového zinkování je relativně silná (až 30~60 μm) a jeho odolnost proti korozi je vynikající. Je široce používán v ocelových dílech používaných po dlouhou dobu v exteriéru (jako jsou televizní věže, svodidla na dálnici atd.). U spojovacích prvků je žárové zinkování obecně použitelné pro šrouby M6 a vyšší, ale nelze jej použít pro spojovací prvky s vysokou pevností. Hlavním důvodem je, že provozní teplota procesu žárového zinkování je relativně vysoká (400 stupňů ~ 500 stupňů), což snadno způsobí změkčení vysokopevnostních spojovacích prvků a sníží jejich pevnost.

2.1.2 Elektrogalvanické zinkování

Elektrogalvanizace je použití principu elektrolýzy k vytvoření jednotného, ​​hustého a dobře přilnavého zinkového povlaku na povrchu ocelových dílů. Tloušťka vrstvy elektrogalvanizovaného zinku je relativně tenká (5~30 μm) a její odolnost proti korozi je nejhorší mezi galvanizačními antikorozními úpravami. Jeho proces je však jednoduchý, náklady jsou nízké a má malý vliv na záběr závitu, takže je široce používán v spojovacích prvcích. Protože galvanické zinkování má vysokou citlivost na vodíkovou křehkost a je obtížné vodík zcela odstranit (elektricky pozinkovaná vrstva se při teplotě nad 100 stupňů odloupne nebo odpadne), nelze galvanické zinkování použít pro vysokopevnostní spojovací prvky.

2.1.3 Mechanické zinkování

Mechanické zinkování se týká procesu povrchové úpravy, při kterém ocelové díly vytvářejí zinkový povlak nárazem na povrch ocelových dílů nárazovým médiem za působení chemických látek, jako je zinkový prášek, dispergační činidlo a urychlovač. Tloušťka mechanicky pozinkované vrstvy je obecně 5~50 μm. Povrch povlaku je hustý a jednotný, s dobrým dekorativním účinkem a vynikající odolností proti korozi; navíc nemá žádné nedostatky, jako je vysokoteplotní popouštění a vodíková křehkost existující u žárového zinkování a elektrogalvanizace, takže jde o proces povrchové úpravy zvláště vhodný pro antikorozní spojování.

2.2 Jiné kovové pokovování

2.2.1 Chromování

Jako kovový povlak má chrom vlastnosti silné přilnavosti, dobré odolnosti proti opotřebení, vynikajícího dekorativního efektu a vysoké tepelné odolnosti (lze běžně používat pod 500 stupňů). Proto je velmi ideální použít jako pokovení spojovacích prvků povlak chrom.

Hlavní nevýhody chromování jsou následující:

1) Proces je složitý a nikl nebo měď musí být nejprve pokoveny před chromováním.

2) Vysoká cena.

3) Chromový povlak je tvrdý a křehký a snadno spadne.

2.2.2 Niklování

Jako kovový povlak má nikl dobrou elektrickou vodivost, vysokou tvrdost, dobrý dekorativní efekt a tepelnou odolnost (lze použít běžně pod 600 stupňů), takže je také ideální použít niklování pro spojovací prvky.

Hlavní nevýhody niklování jsou následující:

1) Proces je složitý a měď musí být před poniklováním nejprve pokovena (původní „před chromováním“ je překlep).

2) Niklový povlak je porézní a koroze matrice se urychlí, když je povlak tenký.

3) Vysoká cena.

2.2.3 Pokovování kadmiem

Jako kovový povlak je kadmium anodický povlak, který má vlastnosti silné odolnosti proti korozi kyselinou chlorovodíkovou, nízkou vodíkovou křehkost a dobrý dekorativní efekt. Je zvláště vhodný pro upevňovací prvky používané v mořském prostředí (jako jsou upevňovací prvky námořních letadel a plošin pro těžbu ropy).

Hlavní nevýhody pokovování kadmiem jsou následující:

① Vysoké znečištění životního prostředí. Plyn vznikající při tání kadmia a rozpustné soli kadmia jsou toxické.

② Vysoká cena.

2.2.4 Stříbření

Jako kovový povlak má stříbro vynikající elektrickou vodivost, vynikající odrazivost, dobrou mazací schopnost a vynikající tepelnou odolnost (lze běžně používat pod 870 stupňů). Stříbření je proto široce používáno v oborech, jako je elektronika a elektrotechnika, vysokofrekvenční součástky (jako vodivé šrouby generátoru, výstupní svorky baterie vozidla).

Hlavní nevýhody stříbření jsou následující:

① Proces je složitý a před postříbřením je nutné nejprve pokovit mědí.

② Cena je velmi drahá.

2.2.5 Zinko-niklové pokovení

Kompozitní povlak zinku a niklu je nový typ slitinového kovového povlaku vyvinutý na základě technologie povrchové úpravy zinkováním, která má mnoho výhod:

1) Doba testu neutrální solné mlhy (NSS) může dosáhnout 500~1500 hodin.

2) Elektrodový potenciál povlaku je mezi Fe a Zn, což je vhodnější pro montáž s hliníkovými díly.

3) Vysoká tvrdost povlaku a dobrý dekorativní efekt.

4) Téměř žádné vodíkové křehnutí, lze použít provysokopevnostní spojovací prvky.

5) Dobrá tepelná odolnost (lze normálně použít pod 800 stupňů; původní "8009C" je překlep).

Hlavní nevýhodou zinko-niklového povlaku je jeho vysoká cena (asi 6x vyšší než u běžného zinkování), ale jeho vynikající komplexní výkon je stále více uznáván.

3. Technologie povlakování

Technologie povrchové úpravy je technologie povrchové úpravy, která pomocí určitých zařízení a metod nanáší na povrch předmětů specifické povlaky, aby se na povrchu vytvořil hustý, souvislý a stejnoměrný film, který se následně suší a vytvrzuje přírodními nebo umělými metodami za účelem vytvoření ochranného nebo dekorativního povlaku.

U spojovacích prvků je nejrozšířenější technologií povlakování technologie zinko-chromového povlaku, což je povlak vytvořený na povrchu ocelových dílů nanášením zinko-chromového povlaku na ocelové díly a vypalováním prostřednictvím povlakování s úplným uzavřeným okruhem, známé také jako úprava Dacromet. Má následující vynikající vlastnosti:

1) Doba testu neutrální solné mlhy (NSS) může dosáhnout 500~1000 hodin.

2) Dobrá propustnost.

3) Žádná citlivost na vodíkovou křehkost.

4) Nízké znečištění životního prostředí.

5) Jako spojovací prvek je jeho konzistence moment-předpětí velmi dobrá.

6) Průměrná cena (asi 2krát vyšší než u běžného pozinkování).

Hlavní nevýhody léčby Dacromet jsou následující:

1) Špatná odolnost proti opotřebení (tvrdost je pouze 1 H).

2) Jednobarevné (pouze stříbrná bílá a stříbrně šedá), špatný dekorativní efekt.

3) Špatná elektrická vodivost, nevhodné pro díly s vodivými spoji.

4. Změna mikrostruktury oceli

4.1 Změna složení (jako je nerezová ocel)

Nerezová ocel je zkratka nerezové oceli odolné proti kyselinám, která má vynikající odolnost proti korozi a dobrý dekorativní efekt a je široce používána v různých oblastech. V současné době se obecně má za to, že mechanismus odolnosti korozivzdorné oceli je hlavně následující:

1) Když obsah Cr překročí 13 %, elektrodový potenciál oceli vzroste z negativního potenciálu na pozitivní potenciál, čímž se ocelová matrice sama stane „inertní“;

2) Cr vytvoří na povrchu oceli hustý pasivní film bohatý na Cr pro další ochranu matrice;

3) Nerezovou ocel lze rozdělit na martenzitickou ocel, feritickou ocel, austenitickou ocel, austeniticko-feritickou nerezovou ocel atd. podle mikrostruktury. Mezi nimi má nejlepší odolnost proti korozi austenitická nerezová ocel, jako je nerezová ocel řady A2 a A4.

Nerezová ocel má především tyto nedostatky:

① Nízká mez kluzu (obecně ne více než 300 MPa), nevhodné pro spojování hlavních konstrukčních dílů;

② Náchylné k zadření závitu: když jsou šrouby z nerezové oceli utaženy, je snadné poškodit povrch závitu a v tomto okamžiku se spontánně vytvoří oxidová vrstva, která dále zhorší přilnavost šroubu a zajištění;

③ Náchylné k mezikrystalové korozi: při určité teplotě C a Cr v nerezové oceli vytvoří sloučeniny, zejména v blízkosti hranic zrn, což povede k výskytu "oblastí ochuzených o Cr" na hranicích zrn a způsobí mezikrystalovou korozi;

④ Špatná odolnost vůči korozi vůči médiu Cl⁻ (kromě nerezové oceli A4);

⑤ Vysoká cena (asi 4krát vyšší než u ošetření Dacromet).

4.2 Změna stavu tepelného zpracování

Ocelové materiály jsou převážně vícefázové struktury (nečistoty, karbidy, intermetalické sloučeniny a další druhé fáze obvykle existují jako katody v oceli, zatímco matrice Fe působí jako anoda). Mezi každou fází ve vícefázové struktuře je potenciální rozdíl, který tvoří korozní mikročlánek. Druhá fáze může být buď anodická pasivační fáze nebo katodická rozpouštěcí fáze, přičemž obě tyto fáze ovlivní odolnost matrice proti korozi.

Vezmeme-li příklad z nerezové oceli, její procesy svařování a tepelného zpracování vyžadují zvláštní opatrnost. Po ošetření vysokoteplotním roztokem, pokud se nerezová ocel zahřeje na teplotu mezi 400 a 850 stupni, se podél hranic zrn vysráží velké množství karbidů Cr23C6 a Cr7C3, čímž se v blízkosti hranic zrn vytvoří oblast ochuzená o Cr. Karbidy působí jako katoda korozního článku a oblast ochuzená o Cr působí jako anoda korozního článku, což způsobuje mezikrystalovou korozi a vede k výraznému snížení korozní odolnosti nerezové oceli.