“问答栏”紧固件腐蚀的根本原因

经常会有老铁在后台留言,咨询腐蚀的原因,今天,螺丝君来跟大家详细聊一聊,

在某些情况下,腐蚀看起来是令人愉快的,例如,装饰铜喷壶上的浅铜锈,但大多数情况下,我们防止腐蚀影响我们的设计在产品的预期生命周期内。

对于工程师来说,了解腐蚀的类型和使用良好的设计方法,来防止腐蚀都是很重要的。

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腐蚀原理

紧固件腐蚀的主要原因是,水分与配合件之间可能发生的电化学反应。

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水滴模型

上图,是一个水滴落在一个普通的铁表面上。水滴的表面暴露在空气中,使其富含氧气。水滴内部缺乏氧气,这就造成了电化学电位的差异,从而允许电流流动。电流通过充当电解质的水,从铁的阳极表面流到水的阴极表面,导致铁离子溶解。

同时,在水中形成氢氧根离子,与铁离子反应,导致氢氧化铁析出Fe (OH2)。迅速溶解氧并氧化成化合物(FeO(OH)nH2),通常称为铁锈。

在60%的相对湿度下开始腐蚀,一般不需要太多的水分就会生锈。如果空气中含有二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、盐、灰、煤烟等污染物,腐蚀的机率就会增加。

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腐蚀类型

均匀腐蚀

钢的均匀腐蚀是最常见的腐蚀类型,它的红色分布均匀通过紧固件的暴露部分。如果无人看管,零件会变得更薄更弱,最终导致接头失效或无法拆卸。

均匀腐蚀的预防:

  • 防止受潮。
  • 提供良好的通风以使干燥。
  • 保持表面清洁,避免污染。
  • 防止持续的冷凝。
  • 用电镀或涂层保护紧固件。

缝隙腐蚀

小的缝隙和凹槽容易吸收水分,不容易干燥。裂缝中的水分迅速失去氧气,并触发在水滴模型中描述的阳极腐蚀。就紧固件而言,缝隙腐蚀的风险随着接头面数量的增加而增加。

奥氏体不锈钢紧固件也有缝隙腐蚀的风险,特别是在水中有氯离子的环境中使用。

缝隙腐蚀的预防

  • 尽量减少使用垫圈,使用法兰设计。
  • 使接缝界面尽可能光滑。

电位腐蚀

在有水分的情况下将两种不同的金属连接在一起会产生电化学电位,从而导致腐蚀。电流从低位的阳极金属流向高位的阴极金属,在这个电反应中溶解了低位的材料。

腐蚀电流的密度与金属的溶解速率成正比。在下面的情况下,低位的镀锌螺钉应用到一个铜板上。锌的小表面积与大得多的铜面积相比,创造了高电流密度。当有水分时,锌会迅速溶解。

如果我们把元素倒过来,用铜紧固件连接一大块镀锌钢,电流密度很低,两者之间的腐蚀过程更均匀。

电化学腐蚀预防

  • 紧固件材料或保护图层应比连接件更高电位。
  • 绝缘塑料垫圈可用于夹紧非关键的接头。
  • 不锈钢或铜件不可用镀锌紧固件紧固。

点状腐蚀

在金属表面涂上一层非常高价位的漆面,如镍或铬,就会发生点蚀。在下面的例子中,镀镍钢有看不见的气孔,使得水可以通过气孔进入母材。裂缝腐蚀开始于表面以下,并通过小孔显示为小点或小坑。

不锈钢和铝合金也容易发生点蚀。这些金属表面有一层钝化的氧化铬层,可以防止它们在正常环境下被腐蚀。如果这一被动层被机械或含氯离子的溶液局部破坏,就可能发生点蚀。

暴露区域比周围更大的钝化区域变成了低价位区域,并产生电流密度,形成局部区域或凹坑的电腐蚀。如果氧气进入活性区域,它可能会再次钝化,但污垢、盐沉积和氯残留物会阻碍氧气的进入,使再次钝化层难以重新形成。

点状腐蚀预防:

  • 保持表面清洁光滑。
  • 避免固体或液体残留物,特别是氯化物清洗的部件。
  • 在氯化物环境中使用A4或316含钼不锈钢。

晶间腐蚀

奥氏体不锈钢在高温进行热成形或焊接时可能发生晶间腐蚀。经过加热(600℃- 900℃)和缓慢冷却后,碳可以与铬结合形成碳化铬。碳化物的形成消耗了铬的含量,铬是使钢耐腐蚀所必需的。如果铬含量低于12%,则可能发生腐蚀,特别是在晶界。

不锈钢中碳含量越高,冷却速度越慢,就会产生更多的碳化物。

晶间腐蚀的预防:

  • 如果热成型或焊接,请使用碳含量低于0.05%的不锈钢。
  • 加热后直接在水中淬火。
  • 碳含量超过0.05%的不锈钢在高温下可以通过添加钛、铌或钽(A3和A5钢)来稳定。

应力腐蚀开裂

当紧固件在拉应力作用下发生腐蚀时,可能会产生应力腐蚀开裂。这种类型的失效通常始于点蚀。

当奥氏体不锈钢发生点蚀时,腐蚀在垂直于应力方向的方向加速,形成裂纹,红锈和盐酸在裂缝的底部不断形成。酸的侵蚀阻止了再钝化,腐蚀过程继续进行,导致裂纹越来越深,直到金属失效。应力腐蚀开裂也可能发生在非合金和低合金钢中。裂纹本质上是沿晶裂纹,而不锈钢奥氏体钢裂纹是穿晶裂纹。

应力腐蚀开裂预防:

  • 应遵守点蚀防护规则,特别是高应力紧固件。
  • 定期检查安全关键部件是否有腐蚀迹象。
  • 考虑对安全关键部件进行热浸锌处理。
  • 确保安全关键紧固件可见,便于检查和更换。

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总 结

在设计产品时,紧固件是整个组装的一个整体部分,不能被视为单独的实体。紧固件必须总是和它们连接在一起的部件一样好或更好。

通过了解不同类型的腐蚀和预防措施,并遵循以下规则,可以实现良好的持久的连接:

  • 连接的紧固件应该与被连接件性能一致,甚至更优。
  • 接头不应成为整个连接中薄弱部分。
  • 确保所有紧固的接头,特别是关键的接头,都是可以检查和更换的。

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