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緊固件的腐蝕與保護(hù)機(jī)制

2022-05-26 16:03:41 作者：GAF螺絲君來源：GAF螺絲君分享至：

我們許多人都遇到過螺栓、螺母或螺釘，因長時間使用導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕情況。

正是由于這個原因，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，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(hù)機(jī)制。

01 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，可能會直接發(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。它開始時可能很小，但是會很快蔓延，而且會以某種方式降低機(jī)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(jī)械強(qiáng)度，然后不能承受其負(fù)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(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，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(dāng)這些環(huán)境是已知的或預(yù)測的，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(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由陽極（帶正電的區(qū)域）和陰極（帶負(fù)電的區(qū)域）組成的電極，一個電解質(zhì)（導(dǎo)電的液體或物質(zhì)）和一個電位差來觸發(fā)電流流動。

這是電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的開始。

1 鋼的腐蝕：

鋼的銹蝕也許是最簡單的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)之一。

當(dāng)一滴水落在鋼上時，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。這就開始了這個過程。在生銹的情況下，氧化反應(yīng)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(yīng)，水滴周圍大氣中的氧形成氫氧根離子。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(yán)重。

圖 1，顯示了一個嚴(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，必須有陽極，陰極，電解液，和足夠的電位差來觸發(fā)電流流動。

當(dāng)兩種具有不同電勢的金屬相互接觸時，就會觸發(fā)電流。

當(dāng)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(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。

本質(zhì)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(hù)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(yuǎn)，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?yàn)樗鼈冊趫D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(xué)反應(yīng)。

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(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)域的相對尺寸-陰極相對于陽極越大，電化學(xué)腐蝕越快、越嚴(yán)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(xiàn)在把這個場景翻轉(zhuǎn)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(xué)腐蝕，但陰極相對于陽極的尺寸是相當(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，就會產(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(yán)重的影響。

此外，這些局部的腐蝕區(qū)域會產(chǎn)生大量的原子氫，這些原子氫會被吸收到零件中，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(diǎn)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(jī)械完整性。這個機(jī)制有點(diǎn)復(fù)雜，但本質(zhì)上是一個很小的區(qū)域缺氧變成陽極，電化學(xué)過程被觸發(fā)，凹坑形成，隨著時間推移并進(jìn)一步加深。

02 保護(hù)機(jī)制