Vijci, matice, vijci i drugi spojni elementi osjetljivi su na degradaciju od korozije nakon dugotrajne službe, što narušava stabilnost i sigurnost mehaničkih spojeva. Tijekom faze projektiranja proizvoda, inženjeri moraju pažljivo odabrati materijale, površinske obloge i zaštitne premaze u skladu sa stvarnim radnim okruženjima kako bi ublažili koroziju, spriječili pogoršanje performansi i gubitak životnog vijeka te zajamčili ukupnu radnu pouzdanost mehaničke opreme. Ovaj rad sustavno razrađuje uobičajene načine korozije, unutarnje mehanizme i principe zaštite površinskih premaza za spojne elemente, pružajući tehničku podršku za odabir materijala i antikorozivnu optimizaciju proizvoda za spojne elemente.

1. Osnovni koncept korozije

Metalna korozija odnosi se na destruktivnu degradaciju metalnih supstrata uzrokovanu kemijskim ili elektrokemijskim interakcijama s okolnim medijima i jedan je od najčešćih načina kvara mehaničkih spojnih elemenata.

Čista kemijska korozija nastaje kada spojni elementi izravno dođu u kontakt s korozivnim kemijskim tvarima bez sudjelovanja električne struje. Na primjer, elektrolit iz baterije koji je iscurio može izravno nagrizati površine pričvršćivača i oštetiti osnovne materijale. U stvarnoj industrijskoj upotrebi, većina kvarova spojnih elemenata uzrokovanih korozijom proizlazi iz neizravnih elektrokemijskih reakcija, koje obično uključuju hrđanje čelika i galvansku koroziju.

Širenje korozije u spojnicama nalikuje kvarenju zuba. Potječe od sitnih nevidljivih defekata i brzo se širi, postupno narušavajući strukturni integritet navojnih spojeva. Progresivna korozija troši metalne podloge, smanjuje mehaničku čvrstoću i u konačnici dovodi do labavljenja ili loma spojnih elemenata. Osim toga, galvanske reakcije također mogu uzrokovati oštećenje korozijom susjednih povezanih komponenti.

Osim uobičajenog slabljenja čvrstoće, korozija može izazvati dvije posebne vrste kvarova. Prvi su korozijski kvarovi izazvani naprezanjem, kao što je vodikova krtost pod učinkom spajanja korozije i vlačnog naprezanja. Drugi je lom uslijed zamora korozijom, gdje se mikropukotine nastale na korodiranim područjima kontinuirano šire pod izmjeničnim opterećenjima i na kraju uzrokuju lom spojnih elemenata uslijed zamora.

Nepravilan odabir materijala ključni je uzrok kemijske korozije. Kemijska korozija nastaje kada su materijali za spajanje topljivi u korozivnom mediju. Na primjer, običnivijci od ugljičnog čelikabrzo će se otopiti i korodirati kada su izloženi klorovodičnoj kiselini. Za teška i predvidljiva korozivna okruženja poželjne su legure otporne na koroziju kao što su nehrđajući čelik i legure na bazi nikla. U međuvremenu, mogu se usvojiti gusti i nepropusni zaštitni premazi za temeljnu izolaciju korozivnih medija i izbjegavanje kemijske korozije.

U industrijskim primjenama, korozijom spajala dominira elektrokemijska korozija koju pokreću mikrospontane struje, koja se odlikuje većom brzinom širenja i širim rasponom oštećenja. Elektrokemijska korozija se oslanja na četiri neizostavna uvjeta: anodna i katodna područja, vodljivi mediji elektrolita, razlika potencijala i zatvorene vodljive petlje. Kontinuirana elektrokemijska korozija nastavit će se kada su svi uvjeti zadovoljeni.

1.1 Mehanizam korozije ugljičnog čelika

Rđanje je najtipičniji i temeljni oblik elektrokemijske korozije za čelične materijale. Kada se kapljice vode zalijepe za čelične površine, na granici između čelične podloge i vodenog elektrolita stvara se potencijalna razlika, generirajući mikro električne struje i pokrećući reakciju hrđanja. Reakcije oksidacije odvijaju se na anodnim područjima, gdje se atomi željeza ioniziraju i otapaju u elektrolitu. Sukladno tome, reakcije redukcije odvijaju se na katodnim područjima, gdje atmosferski kisik reagira s vodom i proizvodi hidroksidne ione.

Ioni željeza spajaju se s ionima hidroksida u elektrolitu, tvoreći naslage željeznog oksida, odnosno hrđu, na površinama spojnica. Dugotrajno izlaganje vlažnom okruženju održava cikličku elektrokemijsku reakciju, što rezultira kontinuiranom erozijom podloge i progresivnim pogoršanjem korozije.

1.2 Galvanska korozija

Galvanska korozija, također definirana kao korozija različitih metala, tipičan je način elektrokemijske korozije. U skladu s općom elektrokemijskom korozijom, potrebna su četiri bitna uvjeta: anoda, katoda, elektrolit i potencijalna razlika. Zatvorena korozijska petlja nastaje kada su dva različita metala s različitim elektrodnim potencijalima u izravnom kontaktu.

Kada se dva različita metala u kontaktu izlože elektrolitu, metal s višim potencijalom elektrode djeluje kao katoda, dok onaj s nižim potencijalom služi kao anoda. U zatvorenoj petlji, atomi anodnog metala kontinuirano se ioniziraju i troše, što dovodi do progresivnog kvara korozije. Veća razlika potencijala između dva metala ubrzat će i pogoršati galvansku koroziju.

Tablica galvanske serije kritična je smjernica za dizajn spojnica protiv korozije. Položaj svakog metala u tablici predstavlja razinu potencijala njegove elektrode. Što su dva metala dalje razdvojena u nizu, to je veća njihova potencijalna razlika i veći je rizik od galvanske korozije. Na primjer, legura magnezija i platina nalaze se na dva krajnja kraja niza, što ih čini nekompatibilnom kombinacijom sklopa. Nasuprot tome, metali sa sličnim potencijalnim vrijednostima proizvode zanemarive elektrokemijske reakcije i imaju nizak rizik od korozije.

Ozbiljnost galvanske korozije određuju tri ključna čimbenika:

(1) Razlika potencijala: Razmak dvaju metala u galvanskom nizu izravno određuje stupanj korozije. Kombinacija aluminijskih dijelova i komponenata od nehrđajućeg čelika 316 trpi jaču galvansku koroziju od podudaranja dijelova od ugljičnog čelika i kositra.

(2) Aktivnost elektrolita: Viša koncentracija iona poboljšava vodljivost elektrolita i ubrzava reakcije korozije. Slana otopina sadrži obilje iona i služi kao daleko aktivniji elektrolit od deionizirane vode, što dovodi do brže galvanske korozije u slanom okruženju.

(3) Omjer površine katoda-anoda: Veća površina katode u odnosu na anodu značajno pojačava anodnu koroziju. Na primjer, mali aluminijski pričvršćivači sastavljeni na velikim pločama od nehrđajućeg čelika djeluju kao sićušne anode i brzo korodiraju u okruženju elektrolita. Naprotiv, malispojnice od nehrđajućeg čelika usklađeni s velikim aluminijskim pločama čine malo katodno područje, ograničavajući koroziju na kontaktni rub i umanjujući ukupnu štetu.

1.3 Fretting korozija

Fretting korozija je poseban nekemijski i neelektrokemijski način korozije, koji se obično javlja u uvjetima trenja visokog opterećenja. Relativno klizanje i kontinuirana kompresija između spojenih površina troše izvorne zaštitne oksidne filmove spojnih elemenata. Novoizložena svježa metalna podloga izravno dolazi u kontakt s vanjskim okolišem i podvrgava se brzoj koroziji.

Spojni elementi izrađeni od nehrđajućeg čelika, legure aluminija i legure titana vrlo su osjetljivi na koroziju. Njihove nosive površine i područja spajanja navoja u potpunosti ovise o zaštitnim oksidnim filmovima za otpornost na koroziju. Nakon što se oksidni slojevi istroše, podloga će pretrpjeti kontinuirano i progresivno oštećenje od korozije.

1.4 Korozija pukotina

Pukotina korozije je skriveni lokalizirani elektrokemijski način korozije. Javlja se u uskim metalnim razmacima, skošenjima, prijelazima luka i područjima sklonima nakupljanju prašine i zadržavanju vode. Razlike u koncentraciji elektrolita unutar i izvan uskih otvora pokreću lokalizirane elektrokemijske reakcije i uzrokuju selektivna oštećenja unutarnjih metalnih podloga od korozije.

Korozija pukotina je lokalizirana i teško ju je otkriti u ranoj fazi, što može dovesti do ozbiljnih strukturnih oštećenja nakon dugotrajne akumulacije. U međuvremenu, metalna matrica će apsorbirati veliki broj atomskog vodika koji se stvara tijekom pukotinske korozije, lako izazivajući vodikovu krtost i povećavajući rizik loma spojnih elemenata.

1.5 Jamičasta korozija

Jamičasta korozija vrlo je lokaliziran oblik korozije koji stvara sitne jamice na metalnim površinama. Ti početni mikro defekti postupno se produbljuju i šire u očite makroskopske korozijske jame s kontinuiranim korozijskim reakcijama.

U usporedbi s drugim načinima korozije, rupičasta korozija ima ograničen utjecaj na cjelokupni strukturni integritet i mehaničku izvedbu spojnih elemenata bez uzroka brzog kvara. Njegov temeljni mehanizam leži u lokalnom nedostatku kisika na površini metala, koji stvara neovisna anodna područja, pokreće lokalizirane elektrokemijske reakcije i na kraju se razvija u duboke korozijske jame.

2. Zaštitni mehanizmi pričvrsnih elemenata

Na temelju gore navedenih mehanizama korozije, ciljana strukturna optimizacija i mjere zaštite procesa mogu se usvojiti kako bi se prekinuli uvjeti korozije i suzbile elektrokemijske reakcije. Postoje četiri temeljna mehanizma zaštite od korozije za spojne elemente, koji se mogu primijeniti neovisno ili u kombinaciji kako bi se postigla optimalna učinkovitost protiv korozije.

2.1 Zaštitni mehanizam barijere

Zaštita barijerom najosnovnija je antikorozivna metoda. Gusti i neprekinuti zaštitni premaz prekriven je metalnom površinom kako bi se podloga izolirala od korozivnih medija i blokirali putevi širenja korozije. Njegov zaštitni učinak u potpunosti ovisi o cjelovitosti premaza. Netaknuti premazi pružaju dugotrajnu stabilnu zaštitu od korozije, dok će ogrebotine, ljuštenje ili habanje otkriti podlogu i odmah izazvati koroziju. Tipične primjene uključuju filmove boje i druge nemetalne zaštitne premaze.

2.2 Mehanizam zaštite žrtvene anode

Zaštitni mehanizam žrtvene anode koristi aktivniji površinski premaz koji prvenstveno korodira radi zaštite metalne podloge. Ovaj zaštitni učinak traje samo kada žrtveni premaz ostane potpun. Nakon što se premaz potpuno potroši, podloga će biti izložena i korodirana. Elektro-galvanizirana prevlaka tipična je primjena ovog mehanizma, gdje cink s većom kemijskom aktivnošću korodira prvenstveno radi zaštite podloga od ugljičnog čelika.

2.3 Mehanizam zaštite sloja pasivizacije

Zaštita od pasivizacije oslanja se na inertne, guste oksidne filmove koji se spontano stvaraju na metalnim površinama. Kemijski stabilan pasivni sloj izolira vanjske korozivne medije i pruža dugoročnu antikorozivnu učinkovitost.Pričvršćivačiizrađeni od nehrđajućeg čelika, legure titana i legure aluminija postižu trajnu otpornost na koroziju putem svojih prirodnih pasivizirajućih filmova.

2.4 Zaštitni mehanizam samoiscjeljivanja

Samozacjeljujuća zaštita je napredna i visoko pouzdana antikorozivna tehnologija. Mala oštećenja zaštitnih premaza ili pasivnih filmova mogu se spontano popraviti u prirodnom okruženju kako bi se održala kontinuirana zaštitna učinkovitost. Iako je opseg njegove primjene ograničen, pruža izvrsnu antikorozivnu stabilnost. Pasivacijski film od austenitnog nehrđajućeg čelika ima izvanrednu sposobnost samozacjeljivanja, koji se može brzo regenerirati nakon manjih oštećenja i vratiti otpornost na koroziju.

3. Zaključak

Pričvršćivači su izloženi višestrukim rizicima od korozije uključujući kemijsku koroziju, elektrokemijsku koroziju, koroziju u obliku trzanja, koroziju u pukotinama i rupičastu koroziju, a sve to oštećuje strukturni integritet i smanjuje pouzdanost veze. Stoga inženjeri moraju u potpunosti procijeniti potencijalne vrste korozije i rizike kvarova u skladu s uvjetima rada i karakteristikama okoliša u inženjerskom dizajnu i praktičnoj primjeni. Razuman odabir materijala, optimizirano usklađivanje galvaniziranja i premaza te strukturno poboljšanje mogu učinkovito spriječiti ili odgoditi kvar zbog korozije, osiguravajući dugoročnu stabilnost navojnih spojeva i siguran rad mehaničke opreme.