پیچ، مهره، پیچ و سایر بست ها پس از سرویس طولانی مدت مستعد تخریب خوردگی هستند که پایداری و ایمنی اتصالات مکانیکی را مختل می کند. در طول مرحله طراحی محصول، مهندسان باید به دقت مواد، پوشش‌های سطحی و پوشش‌های محافظ را مطابق با محیط‌های خدماتی واقعی انتخاب کنند تا خوردگی را کاهش دهند، از زوال عملکرد و از دست دادن عمر مفید جلوگیری کنند و قابلیت اطمینان عملیاتی کلی تجهیزات مکانیکی را تضمین کنند. این مقاله به طور سیستماتیک حالت‌های خوردگی متداول، مکانیسم‌های داخلی و اصول حفاظتی پوشش‌های سطح برای اتصال دهنده‌ها را شرح می‌دهد، و پشتیبانی فنی برای انتخاب مواد و بهینه‌سازی ضد خوردگی محصولات بست را ارائه می‌دهد.

1. مفهوم اساسی خوردگی

خوردگی فلز به تخریب مخرب زیرلایه های فلزی ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط اطراف اشاره دارد و یکی از رایج ترین حالت های خرابی اتصال دهنده های مکانیکی است.

خوردگی شیمیایی خالص زمانی اتفاق می افتد که اتصال دهنده ها مستقیماً با مواد شیمیایی خورنده بدون مشارکت جریان الکتریکی تماس پیدا می کنند. به عنوان مثال، نشت الکترولیت باتری می تواند به طور مستقیم سطوح اتصال دهنده ها را فرسایش دهد و به مواد پایه آسیب برساند. در خدمات صنعتی واقعی، بیشتر خرابی های خوردگی اتصال دهنده ها ناشی از واکنش های الکتروشیمیایی غیرمستقیم، معمولاً از جمله زنگ زدگی فولاد و خوردگی گالوانیکی است.

انتشار خوردگی در بست ها شبیه پوسیدگی دندان است. از عیوب نامرئی کوچک سرچشمه می گیرد و به سرعت گسترش می یابد و به تدریج یکپارچگی ساختاری اتصالات رزوه ای را تضعیف می کند. خوردگی پیشرونده، بسترهای فلزی را مصرف می کند، استحکام مکانیکی را کاهش می دهد و در نهایت منجر به شل شدن یا شکستگی بست ها می شود. علاوه بر این، واکنش‌های گالوانیکی نیز می‌تواند باعث آسیب خوردگی به اجزای متصل مجاور شود.

جدای از تضعیف مقاومت معمولی، خوردگی می تواند دو نوع شکست خاص را ایجاد کند. اولین مورد شکست خوردگی ناشی از تنش مانند شکنندگی هیدروژن تحت اثر جفت خوردگی و تنش کششی است. دوم شکست خستگی ناشی از خوردگی است، جایی که ریزترک های ایجاد شده در مناطق خورده شده به طور مداوم تحت بارهای متناوب گسترش می یابند و در نهایت باعث شکستگی ناشی از خستگی اتصال دهنده ها می شوند.

انتخاب نادرست مواد یکی از دلایل اصلی خوردگی شیمیایی است. خوردگی شیمیایی زمانی اتفاق می افتد که مواد اتصال دهنده در محیط های خورنده محلول باشند. به عنوان مثال، معمولیپیچ و مهره فولاد کربنیهنگامی که در معرض اسید هیدروکلریک قرار می گیرند، به سرعت حل شده و خورده می شوند. برای محیط های خورنده شدید و قابل پیش بینی، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند فولاد ضد زنگ و آلیاژهای مبتنی بر نیکل ترجیح داده می شوند. در همین حال، پوشش های محافظ متراکم و غیر قابل نفوذ را می توان برای جداسازی اساسی رسانه های خورنده و جلوگیری از خوردگی شیمیایی اتخاذ کرد.

در کاربردهای صنعتی، خوردگی اتصال دهنده ها توسط خوردگی الکتروشیمیایی ناشی از جریان های میکرو خود به خودی، که دارای سرعت انتشار سریع تر و دامنه آسیب گسترده تر است، غالب می شود. خوردگی الکتروشیمیایی به چهار شرط ضروری متکی است: نواحی آند و کاتد، محیط الکترولیت رسانا، اختلاف پتانسیل و حلقه های رسانای بسته. خوردگی مداوم الکتروشیمیایی پس از برآورده شدن همه شرایط ادامه خواهد یافت.

1.1 مکانیسم خوردگی فولاد کربنی

زنگ زدگی معمولی ترین و اساسی ترین شکل خوردگی الکتروشیمیایی برای مواد فولادی است. وقتی قطرات آب به سطوح فولادی می‌چسبند، اختلاف پتانسیل در سطح مشترک بین بستر فولادی و الکترولیت آبی ایجاد می‌شود و جریان‌های ریز الکتریکی ایجاد می‌کند و واکنش زنگ‌زدگی را آغاز می‌کند. واکنش های اکسیداسیون در نواحی آندی رخ می دهد، جایی که اتم های آهن یونیزه می شوند و در الکترولیت حل می شوند. به همین ترتیب، واکنش‌های کاهش در نواحی کاتدی انجام می‌شود، جایی که اکسیژن اتمسفر با آب واکنش می‌دهد و یون‌های هیدروکسید تولید می‌کند.

یون‌های آهن با یون‌های هیدروکسید در الکترولیت ترکیب می‌شوند و رسوبات اکسید آهن، یعنی زنگ‌زدگی، را روی سطوح بست تشکیل می‌دهند. قرار گرفتن طولانی‌مدت در محیط‌های مرطوب، واکنش الکتروشیمیایی چرخه‌ای را حفظ می‌کند، که منجر به فرسایش مداوم بستر و زوال پیشرونده خوردگی می‌شود.

1.2 خوردگی گالوانیکی

خوردگی گالوانیکی که به عنوان خوردگی فلزات غیرمشابه نیز تعریف می شود، یک حالت خوردگی الکتروشیمیایی معمولی است. مطابق با خوردگی الکتروشیمیایی عمومی، به چهار شرط اساسی نیاز دارد: آند، کاتد، الکترولیت و اختلاف پتانسیل. یک حلقه خوردگی بسته زمانی تشکیل می شود که دو فلز غیرمشابه با پتانسیل های الکترود متفاوت در تماس مستقیم باشند.

هنگامی که دو فلز غیرمشابه در تماس در معرض الکترولیت قرار می گیرند، فلز با پتانسیل الکترود بالاتر به عنوان کاتد عمل می کند، در حالی که فلز با پتانسیل کمتر به عنوان آند عمل می کند. در حلقه بسته، اتم های فلز آندی به طور مداوم یونیزه شده و مصرف می شوند که منجر به شکست خوردگی پیشرونده می شود. اختلاف پتانسیل بیشتر بین دو فلز باعث تسریع و تشدید خوردگی گالوانیکی می شود.

جدول سری گالوانیکی یک دستورالعمل حیاتی برای طراحی ضد خوردگی اتصال دهنده ها است. موقعیت هر فلز در جدول نشان دهنده سطح پتانسیل الکترود آن است. هر چه دو فلز در سری دورتر از هم جدا شوند، اختلاف پتانسیل آنها بیشتر و خطر خوردگی گالوانیکی بیشتر می شود. به عنوان مثال، آلیاژ منیزیم و پلاتین در دو انتهای انتهایی این سری قرار دارند و آنها را به یک ترکیب مونتاژ ناسازگار تبدیل می کند. در مقابل، فلزات با مقادیر پتانسیل مشابه، واکنش های الکتروشیمیایی ناچیز ایجاد می کنند و خطر خوردگی پایینی دارند.

شدت خوردگی گالوانیکی توسط سه عامل اصلی تعیین می شود:

(1) تفاوت پتانسیل: فاصله دو فلز در سری گالوانیکی به طور مستقیم درجه خوردگی را تعیین می کند. ترکیبی از قطعات آلومینیومی و 316 قطعات فولادی ضد زنگ نسبت به تطبیق قطعات فولاد کربنی و قلع دچار خوردگی گالوانیکی شدیدتری می شود.

(2) فعالیت الکترولیت: غلظت یون بالاتر هدایت الکترولیت را بهبود می بخشد و واکنش های خوردگی را تسریع می کند. آب نمک حاوی یون های فراوان است و به عنوان یک الکترولیت بسیار فعال تر از آب دیونیزه عمل می کند که منجر به خوردگی گالوانیکی سریعتر در محیط های نمکی می شود.

(3) نسبت مساحت کاتد به آند: مساحت کاتد بزرگتر نسبت به آند به طور قابل توجهی خوردگی آندی را تشدید می کند. به عنوان مثال، اتصال دهنده های آلومینیومی کوچک که بر روی صفحات بزرگ فولاد ضد زنگ مونتاژ می شوند، به عنوان آندهای ریز عمل می کنند و به سرعت در محیط های الکترولیت خورده می شوند. برعکس، کوچکاتصال دهنده های فولادی ضد زنگ همسان با صفحات آلومینیومی بزرگ، یک ناحیه کاتد کوچک را تشکیل می دهد، که خوردگی را به لبه تماس محدود می کند و آسیب کلی را کاهش می دهد.

1.3 فرتینگ خوردگی

خوردگی فرتینگ یک حالت خوردگی غیر شیمیایی و غیرالکتروشیمیایی ویژه است که معمولاً در شرایط اصطکاک با بار زیاد رخ می دهد. لغزش نسبی و فشرده سازی مداوم بین سطوح جفت گیری، لایه های اکسید محافظ بومی اتصال دهنده ها را از بین می برد. بستر فلزی تازه که به تازگی در معرض دید قرار گرفته است مستقیماً با محیط خارجی تماس می گیرد و به سرعت دچار خوردگی می شود.

اتصال دهنده های ساخته شده از فولاد ضد زنگ، آلیاژ آلومینیوم و آلیاژ تیتانیوم به شدت به خوردگی خراش حساس هستند. سطوح یاتاقان و مناطق جفت رزوه آنها برای مقاومت در برابر خوردگی کاملاً به لایه های اکسید محافظ بستگی دارد. هنگامی که لایه های اکسید فرسوده شوند، زیرلایه دچار آسیب خوردگی مداوم و پیشرونده می شود.

1.4 خوردگی شکافی

خوردگی شکافی یک حالت خوردگی الکتروشیمیایی موضعی پنهان است. این در شکاف های فلزی باریک، پخ ها، انتقال قوس ها و مناطق مستعد تجمع گرد و غبار و احتباس آب رخ می دهد. اختلاف غلظت الکترولیت در داخل و خارج از شکاف های باریک باعث واکنش های الکتروشیمیایی موضعی می شود و باعث آسیب خوردگی انتخابی به لایه های فلزی داخلی می شود.

خوردگی شکاف موضعی است و تشخیص آن در مراحل اولیه دشوار است، که ممکن است پس از تجمع طولانی مدت منجر به آسیب ساختاری شدید شود. در همین حال، تعداد زیادی هیدروژن اتمی تولید شده در حین خوردگی شکاف توسط ماتریس فلزی جذب می شود و به راحتی باعث ایجاد شکنندگی هیدروژن و افزایش خطر شکستگی اتصال دهنده ها می شود.

1.5 خوردگی حفره ای

خوردگی حفره ای یک شکل خوردگی بسیار موضعی است که حفره های ریز روی سطوح فلزی ایجاد می کند. این ریز عیوب اولیه به تدریج عمیق می شوند و به چاله های خوردگی ماکروسکوپی آشکار با واکنش های خوردگی پایدار گسترش می یابند.

در مقایسه با سایر حالت های خوردگی، خوردگی حفره ای تأثیر محدودی بر یکپارچگی ساختاری و عملکرد مکانیکی اتصال دهنده ها بدون ایجاد خرابی سریع دارد. مکانیسم اصلی آن در کمبود اکسیژن موضعی در سطح فلز است که مناطق آندی مستقل را تشکیل می‌دهد، واکنش‌های الکتروشیمیایی موضعی را ایجاد می‌کند و در نهایت به چاله‌های خوردگی عمیق تبدیل می‌شود.

2. مکانیسم های حفاظتی اتصال دهنده ها

بر اساس مکانیسم های خوردگی فوق، بهینه سازی ساختاری هدفمند و اقدامات حفاظتی فرآیند را می توان برای قطع شرایط خوردگی و سرکوب واکنش های الکتروشیمیایی اتخاذ کرد. چهار مکانیسم اصلی محافظ ضد خوردگی برای اتصال دهنده ها وجود دارد که می توانند به طور مستقل یا ترکیبی برای دستیابی به عملکرد ضد خوردگی بهینه اعمال شوند.

2.1 مکانیسم حفاظت از موانع

حفاظت از موانع اساسی ترین روش ضد خوردگی است. یک پوشش محافظ متراکم و پیوسته روی سطح فلز پوشانده شده است تا بستر را از رسانه های خورنده جدا کرده و مسیرهای انتشار خوردگی را مسدود کند. اثر محافظتی آن کاملاً به یکپارچگی پوشش بستگی دارد. پوشش‌های دست نخورده محافظت طولانی‌مدت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کنند، در حالی که خراش، پوسته شدن یا سایش باعث آشکار شدن بستر می‌شود و بلافاصله باعث خوردگی می‌شود. کاربردهای معمولی شامل فیلم های رنگ و سایر پوشش های محافظ غیر فلزی است.

2.2 مکانیسم حفاظت آند قربانی

مکانیسم حفاظت از آند قربانی، پوشش سطح فعال تری را اتخاذ می کند که ترجیحاً برای محافظت از بستر فلزی خورده می شود. این اثر محافظتی تنها زمانی باقی می ماند که پوشش قربانی کامل باقی بماند. پس از مصرف کامل پوشش، زیرلایه در معرض دید قرار می گیرد و خورده می شود. پوشش الکتروگالوانیزه یک کاربرد معمولی از این مکانیسم است، جایی که روی با فعالیت شیمیایی بالاتر ترجیحاً برای محافظت از بسترهای فولاد کربنی خورده می شود.

2.3 مکانیسم حفاظت از لایه غیرفعال

حفاظت از غیرفعال سازی بر روی لایه های اکسیدی بی اثر و متراکم که به طور خود به خود بر روی سطوح فلزی تشکیل می شوند، متکی است. لایه غیرفعال سازی پایدار از نظر شیمیایی، رسانه های خورنده خارجی را جدا می کند و عملکرد ضد خوردگی طولانی مدت را ارائه می دهد.اتصال دهنده هاساخته شده از فولاد ضد زنگ، آلیاژ تیتانیوم و آلیاژ آلومینیوم از طریق فیلم های غیرفعال بومی خود مقاومت در برابر خوردگی بادوام را به دست می آورند.

2.4 مکانیسم حفاظت از خود ترمیم

حفاظت خود ترمیم شونده یک فناوری ضد خوردگی پیشرفته و با قابلیت اطمینان بالا است. آسیب جزئی به پوشش های محافظ یا فیلم های غیرفعال می تواند به طور خود به خود در محیط های طبیعی تعمیر شود تا عملکرد محافظتی مداوم حفظ شود. اگرچه دامنه کاربرد آن محدود است، اما پایداری عالی در برابر خوردگی را ارائه می دهد. فیلم غیرفعال سازی فولاد ضد زنگ آستنیتی دارای قابلیت خود ترمیمی برجسته است که می تواند پس از آسیب جزئی به سرعت بازسازی شود و مقاومت در برابر خوردگی را بازیابی کند.

3. نتیجه گیری

اتصال دهنده ها در معرض خطرات خوردگی متعددی از جمله خوردگی شیمیایی، خوردگی الکتروشیمیایی، خوردگی فرتینگ، خوردگی شکاف و خوردگی حفره ای قرار دارند که همگی به یکپارچگی سازه آسیب می رسانند و قابلیت اطمینان اتصال را کاهش می دهند. بنابراین، مهندسان باید به طور کامل انواع خوردگی بالقوه و خطرات شکست را با توجه به شرایط خدمات و ویژگی‌های محیطی در طراحی مهندسی و کاربرد عملی ارزیابی کنند. انتخاب مواد معقول، تطبیق بهینه آبکاری و پوشش، و بهبود ساختار می تواند به طور موثری از شکست خوردگی جلوگیری کرده یا آن را به تأخیر بیندازد و از پایداری طولانی مدت اتصالات رزوه ای و عملکرد ایمن تجهیزات مکانیکی اطمینان حاصل کند.