Vijci, matice, vijci i ostali spojni elementi su podložni korozijskoj degradaciji nakon dugotrajnog rada, što narušava stabilnost i sigurnost mehaničkih spojeva. Tokom faze dizajna proizvoda, inženjeri moraju pažljivo odabrati materijale, površinske obloge i zaštitne premaze u skladu sa stvarnim radnim okruženjem kako bi ublažili koroziju, spriječili pogoršanje performansi i gubitak vijeka trajanja, te garantirali ukupnu operativnu pouzdanost mehaničke opreme. Ovaj rad sistematski razrađuje uobičajene načine korozije, unutrašnje mehanizme i zaštitne principe površinskih premaza za spojne elemente, pružajući tehničku podršku pri odabiru materijala i antikorozivnoj optimizaciji pričvrsnih proizvoda.

1. Osnovni koncept korozije

Korozija metala odnosi se na destruktivnu degradaciju metalnih supstrata uzrokovanu kemijskim ili elektrokemijskim interakcijama sa okolnim medijima, i to je jedan od najčešćih načina kvara mehaničkih spojnih elemenata.

Čista hemijska korozija nastaje kada spojni elementi direktno kontaktiraju korozivne hemijske supstance bez učešća električne struje. Na primjer, iscureli elektrolit iz baterije može direktno erodirati površine zatvarača i oštetiti osnovne materijale. U stvarnoj industrijskoj službi, većina kvarova učvršćivača zbog korozije je rezultat indirektnih elektrohemijskih reakcija, obično uključujući rđanje čelika i galvansku koroziju.

Širenje korozije u spojnim elementima podsjeća na karijes zuba. Potječe od sitnih nevidljivih nedostataka i brzo se širi, postepeno narušavajući strukturni integritet navojnih spojeva. Progresivna korozija troši metalne podloge, smanjuje mehaničku čvrstoću i na kraju dovodi do labavljenja ili loma spojnih elemenata. Osim toga, galvanske reakcije također mogu izazvati oštećenje od korozije susjednih spojenih komponenti.

Osim uobičajenog slabljenja čvrstoće, korozija može izazvati dvije posebne vrste kvara. Prvi su korozijski kvarovi izazvani naprezanjem, kao što je krhkost vodika pod efektom spajanja korozije i vlačnog naprezanja. Drugi je otkaz zbog zamora od korozije, gdje se mikropukotine nastale na korodiranim područjima kontinuirano šire pod naizmjeničnim opterećenjima i na kraju uzrokuju zamorni lom učvršćivača.

Nepravilan odabir materijala je ključni uzrok hemijske korozije. Hemijska korozija se dešava kada su materijali za pričvršćivanje rastvorljivi u korozivnom mediju. Na primjer, običanvijci od ugljeničnog čelikabrzo će se otopiti i korodirati kada je izložen hlorovodoničkoj kiselini. Za teške i predvidljive korozivne sredine, poželjne su legure otporne na koroziju kao što su nerđajući čelik i legure na bazi nikla. U međuvremenu, gusti i nepropusni zaštitni premazi mogu se primijeniti kako bi se u osnovi izolirali korozivni mediji i izbjegla kemijska korozija.

U industrijskim aplikacijama, korozijom zatvarača dominira elektrohemijska korozija koju pokreću mikro spontane struje, što karakteriše brža brzina širenja i širi opseg oštećenja. Elektrohemijska korozija se oslanja na četiri neophodna uslova: anodna i katodna područja, provodljivi elektrolit, razlika potencijala i zatvorene provodne petlje. Kontinuirana elektrohemijska korozija će se nastaviti kada se zadovolje svi uslovi.

1.1 Mehanizam korozije ugljičnog čelika

Rđanje je najtipičniji i najosnovniji oblik elektrohemijske korozije za čelične materijale. Kada se kapljice vode zalijepe za čelične površine, na granici između čelične podloge i vodenog elektrolita stvara se razlika potencijala, stvarajući mikro električne struje i inicirajući reakciju hrđe. Reakcije oksidacije se javljaju na anodnim područjima, gdje atomi željeza joniziraju i rastvaraju se u elektrolitu. U skladu s tim, reakcije redukcije se odvijaju na katodnim područjima, gdje atmosferski kisik reagira s vodom i proizvodi hidroksidne jone.

Joni željeza se spajaju sa hidroksidnim jonima u elektrolitu, formirajući naslage željeznog oksida, odnosno rđe, na površinama pričvršćivača. Dugotrajno izlaganje vlažnom okruženju održava cikličku elektrohemijsku reakciju, što rezultira kontinuiranom erozijom podloge i progresivnim propadanjem korozije.

1.2 Galvanska korozija

Galvanska korozija, također definirana kao korozija različitog metala, tipičan je način elektrohemijske korozije. U skladu sa opštom elektrohemijskom korozijom, zahteva četiri osnovna uslova: anoda, katoda, elektrolit i razlika potencijala. Zatvorena petlja korozije nastaje kada su dva različita metala s različitim potencijalima elektroda u direktnom kontaktu.

Kada su dva različita metala u kontaktu izložena elektrolitu, metal sa većim elektrodnim potencijalom deluje kao katoda, dok onaj sa nižim potencijalom služi kao anoda. U zatvorenoj petlji, atomi anodnog metala se kontinuirano ioniziraju i troše, što dovodi do progresivnog oštećenja korozije. Veća razlika potencijala između dva metala će ubrzati i pogoršati galvansku koroziju.

Tablica galvanske serije je kritična smjernica za antikorozivni dizajn spojnih elemenata. Položaj svakog metala u tabeli predstavlja nivo njegovog elektrodnog potencijala. Što su dva metala dalje odvojena u nizu, veća je njihova potencijalna razlika i veći je rizik od galvanske korozije. Na primjer, legura magnezija i platina leže na dva krajnja kraja serije, što ih čini nekompatibilnom kombinacijom sklopa. Nasuprot tome, metali sa sličnim vrijednostima potencijala proizvode zanemarljive elektrohemijske reakcije i imaju nizak rizik od korozije.

Ozbiljnost galvanske korozije određuju tri ključna faktora:

(1) Razlika potencijala: Razmak dva metala u galvanskom nizu direktno određuje stepen korozije. Kombinacija aluminijskih dijelova i komponenti od nehrđajućeg čelika 316 trpi veću galvansku koroziju od podudaranja dijelova od ugljičnog čelika i kalaja.

(2) Aktivnost elektrolita: Veća koncentracija jona poboljšava provodljivost elektrolita i ubrzava reakcije korozije. Slana otopina sadrži obilje jona i služi kao daleko aktivniji elektrolit od deionizirane vode, što dovodi do brže galvanske korozije u slanim sredinama.

(3) Odnos površine katode i anode: Veća površina katode u odnosu na anodu značajno intenzivira anodnu koroziju. Na primjer, mali aluminijski zatvarači sastavljeni na velikim pločama od nehrđajućeg čelika djeluju kao sićušne anode i brzo korodiraju u okolini elektrolita. Naprotiv, malipričvršćivači od nerđajućeg čelika u kombinaciji s velikim aluminijskim pločama formiraju malu katodnu površinu, ograničavajući koroziju na ivici kontakta i ublažavajući ukupna oštećenja.

1.3 Fretting korozija

Fretting korozija je poseban nehemijski i neelektrohemijski način korozije, koji se obično javlja u uslovima trenja visokog opterećenja. Relativno klizanje i kontinuirana kompresija između površina koje se spajaju troše prirodne zaštitne oksidne filmove zatvarača. Novoizložena svježa metalna podloga direktno dolazi u kontakt s vanjskim okruženjem i brzo korozira.

Pričvršćivači od nerđajućeg čelika, legure aluminijuma i legure titanijuma su veoma osetljivi na fretting koroziju. Njihove nosive površine i područja navoja u potpunosti zavise od zaštitnih oksidnih filmova za otpornost na koroziju. Kada se oksidni slojevi istroše, podloga će trpeti kontinuirano i progresivno oštećenje korozije.

1.4 Korozija pukotina

Pukotina korozija je skriveni lokalizirani način elektrokemijske korozije. Javlja se u uskim metalnim prazninama, zakošenjima, prijelazima luka i područjima sklonim nakupljanju prašine i zadržavanju vode. Razlike u koncentraciji elektrolita unutar i izvan uskih praznina pokreću lokalizirane elektrokemijske reakcije i uzrokuju selektivna oštećenja od korozije na unutarnjim metalnim podlogama.

Korozija pukotina je lokalizirana i teško ju je otkriti u ranoj fazi, što može dovesti do teških strukturalnih oštećenja nakon dugotrajne akumulacije. U međuvremenu, veliki broj atomskog vodonika koji nastaje tokom korozije u pukotinama će biti apsorbovan od strane metalne matrice, lako izazivajući vodikovu krtost i povećavajući rizik od loma spojnih elemenata.

1.5 Pitting korozija

Pitting korozija je visoko lokalizirani oblik korozije koji stvara sitne rupice na metalnim površinama. Ovi početni mikro defekti postepeno se produbljuju i šire u očigledne makroskopske korozivne jame sa trajnim reakcijama korozije.

U poređenju sa drugim oblicima korozije, pitting korozija ima ograničen uticaj na ukupni strukturni integritet i mehaničke performanse pričvrsnih elemenata bez izazivanja brzog kvara. Njegov osnovni mehanizam leži u lokalnom nedostatku kisika na površini metala, koji formira nezavisne anodne regije, pokreće lokalizirane elektrokemijske reakcije i na kraju se razvija u duboke korozivne jame.

2. Zaštitni mehanizmi pričvršćivača

Na osnovu gore navedenih mehanizama korozije, ciljana optimizacija strukture i mjere zaštite procesa mogu se usvojiti kako bi se prekinuli uslovi korozije i suzbile elektrohemijske reakcije. Postoje četiri osnovna mehanizma zaštite od korozije za pričvršćivače, koji se mogu primijeniti samostalno ili u kombinaciji kako bi se postigle optimalne antikorozivne performanse.

2.1 Mehanizam za zaštitu barijera

Zaštita barijere je najosnovnija metoda zaštite od korozije. Gusti i kontinuirani zaštitni premaz je prekriven na metalnoj površini kako bi se izolirao podlogu od korozivnih medija i blokirao puteve širenja korozije. Njegov zaštitni učinak u potpunosti ovisi o integritetu premaza. Netaknuti premazi pružaju dugoročnu stabilnu zaštitu od korozije, dok će ogrebotine, ljuštenje ili habanje izložiti podlogu i odmah izazvati koroziju. Tipične primjene uključuju filmove boje i druge nemetalne zaštitne premaze.

2.2 Mehanizam zaštite od žrtvene anode

Mehanizam za zaštitu od žrtvene anode usvaja aktivniji površinski premaz koji prvenstveno korodira kako bi zaštitio metalnu podlogu. Ovaj zaštitni efekat traje samo kada je zaštitni premaz gotov. Kada se premaz potpuno potroši, podloga će biti izložena i korodirana. Elektro-galvanizirani premaz je tipična primjena ovog mehanizma, gdje cink s većom kemijskom aktivnošću korodira prvenstveno kako bi zaštitio podloge od ugljičnog čelika.

2.3 Mehanizam zaštite sloja pasivacije

Zaštita od pasivizacije se oslanja na inertne, guste oksidne filmove koji se spontano formiraju na metalnim površinama. Hemijski stabilan pasivizirajući sloj izoluje eksterne korozivne medije i obezbeđuje dugoročne antikorozivne performanse.Fastenersizrađeni od nehrđajućeg čelika, legure titana i legure aluminija postižu trajnu otpornost na koroziju kroz svoje prirodne pasivne folije.

2.4 Mehanizam zaštite od samoizlječenja

Zaštita koja se samoizlečuje je napredna i visokopouzdana antikorozivna tehnologija. Mala oštećenja zaštitnih premaza ili pasivizirajućih filmova mogu se spontano popraviti u prirodnom okruženju kako bi se održale kontinuirane zaštitne performanse. Iako je opseg njegove primjene ograničen, pruža odličnu antikorozivnu stabilnost. Pasivacioni film od austenitnog nerđajućeg čelika ima izuzetnu sposobnost samoizlečenja, koji se može brzo regenerisati nakon manjih oštećenja i povratiti otpornost na koroziju.

3. Zaključak

Pričvršćivači su izloženi višestrukim rizicima od korozije, uključujući hemijsku koroziju, elektrohemijsku koroziju, koroziju na nagrizanju, koroziju u pukotinama i koroziju udubljenja, što sve oštećuje strukturni integritet i smanjuje pouzdanost veze. Stoga, inženjeri moraju u potpunosti procijeniti potencijalne tipove korozije i rizike kvara u skladu sa uslovima rada i karakteristikama okoliša u inženjerskom dizajnu i praktičnoj primjeni. Razuman izbor materijala, optimizovano usklađivanje obloga i premaza i poboljšanje strukture mogu efikasno sprečiti ili odložiti korozioni kvar, obezbeđujući dugoročnu stabilnost navojnih spojeva i siguran rad mehaničke opreme.