สลักเกลียว น็อต สกรู และตัวยึดอื่นๆ อาจเกิดการเสื่อมสภาพจากการกัดกร่อนได้หลังจากการใช้งานเป็นเวลานาน ซึ่งจะทำให้เสถียรภาพและความปลอดภัยของการเชื่อมต่อทางกลลดลง ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์ วิศวกรจะต้องเลือกวัสดุ การชุบพื้นผิว และการเคลือบป้องกันอย่างระมัดระวังตามสภาพแวดล้อมการบริการจริง เพื่อลดการกัดกร่อน ป้องกันการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพและการสูญเสียอายุการใช้งาน และรับประกันความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานโดยรวมของอุปกรณ์เครื่องจักรกล เอกสารนี้อธิบายอย่างละเอียดอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับโหมดการกัดกร่อนทั่วไป กลไกภายใน และหลักการป้องกันของการเคลือบผิวสำหรับตัวยึด โดยให้การสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการเลือกใช้วัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนของผลิตภัณฑ์ตัวยึด

1. แนวคิดพื้นฐานของการกัดกร่อน

การกัดกร่อนของโลหะหมายถึงการเสื่อมสภาพแบบทำลายล้างของพื้นผิวโลหะที่เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีหรือเคมีไฟฟ้ากับตัวกลางโดยรอบ และเป็นหนึ่งในรูปแบบความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดของตัวยึดเชิงกล

การกัดกร่อนของสารเคมีบริสุทธิ์เกิดขึ้นเมื่อตัวยึดสัมผัสกับสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนโดยตรงโดยไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ที่รั่วไหลสามารถกัดกร่อนพื้นผิวตัวยึดได้โดยตรง และทำให้วัสดุฐานเสียหายได้ ในการให้บริการทางอุตสาหกรรมจริง ความล้มเหลวในการกัดกร่อนของตัวยึดส่วนใหญ่เป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าทางอ้อม โดยทั่วไปรวมถึงการเกิดสนิมของเหล็กและการกัดกร่อนของกัลวานิก

การแพร่กระจายของการกัดกร่อนในตัวยึดมีลักษณะคล้ายกับการผุของฟัน มันเกิดจากข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ที่มองไม่เห็นและแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว โดยค่อยๆ บ่อนทำลายความสมบูรณ์ของโครงสร้างของข้อต่อเกลียว การกัดกร่อนที่ลุกลามอย่างต่อเนื่องจะทำให้พื้นผิวโลหะเสียหาย ลดความแข็งแรงทางกล และนำไปสู่การคลายตัวหรือแตกหักของตัวยึดในที่สุด นอกจากนี้ ปฏิกิริยากัลวานิกยังสามารถทำให้เกิดความเสียหายจากการกัดกร่อนต่อส่วนประกอบที่เชื่อมต่อที่อยู่ติดกัน

นอกเหนือจากการลดทอนกำลังแบบเดิมแล้ว การกัดกร่อนยังสามารถกระตุ้นให้เกิดความล้มเหลวพิเศษได้สองประเภท ประการแรกคือความล้มเหลวในการกัดกร่อนที่เกิดจากความเครียด เช่น การแตกตัวของไฮโดรเจนภายใต้ผลการควบแน่นของการกัดกร่อนและความเครียดจากแรงดึง ประการที่สองคือความล้มเหลวจากความล้าจากการกัดกร่อน โดยรอยแตกขนาดเล็กที่เกิดขึ้นบริเวณที่ถูกสึกกร่อนจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงกดสลับ และในที่สุดจะทำให้เกิดความเมื่อยล้าของตัวยึด

การเลือกวัสดุที่ไม่เหมาะสมเป็นสาเหตุสำคัญของการกัดกร่อนของสารเคมี การกัดกร่อนของสารเคมีเกิดขึ้นเมื่อวัสดุตัวยึดละลายได้ในสื่อที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ยกตัวอย่างธรรมดาสลักเกลียวเหล็กกล้าคาร์บอนจะละลายและสึกกร่อนอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับกรดไฮโดรคลอริก สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรงและคาดการณ์ได้ แนะนำให้ใช้โลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น สแตนเลสและโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก ในขณะเดียวกัน การเคลือบป้องกันที่มีความหนาแน่นและซึมผ่านไม่ได้สามารถนำมาใช้เพื่อแยกตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนโดยพื้นฐานและหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของสารเคมี

ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม การกัดกร่อนของตัวยึดถูกครอบงำโดยการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าซึ่งขับเคลื่อนโดยกระแสที่เกิดขึ้นเองในระดับไมโคร ซึ่งมีความเร็วการแพร่กระจายที่เร็วขึ้นและช่วงความเสียหายที่กว้างขึ้น การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสภาวะที่ขาดไม่ได้สี่ประการ: บริเวณแอโนดและแคโทด ตัวกลางอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า และลูปตัวนำไฟฟ้าแบบปิด การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องจะเกิดขึ้นเมื่อเงื่อนไขทั้งหมดเป็นไปตามที่พอใจ

1.1 กลไกการกัดกร่อนของเหล็กกล้าคาร์บอน

การเกิดสนิมเป็นรูปแบบทั่วไปและเป็นพื้นฐานของการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าสำหรับวัสดุเหล็ก เมื่อหยดน้ำเกาะบนพื้นผิวเหล็ก ความต่างศักย์จะเกิดขึ้นที่รอยต่อระหว่างพื้นผิวเหล็กและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กและทำให้เกิดปฏิกิริยาการเกิดสนิม ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นที่บริเวณขั้วบวก โดยที่อะตอมของเหล็กจะแตกตัวเป็นไอออนและละลายลงในอิเล็กโทรไลต์ ในทำนองเดียวกัน ปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้นที่บริเวณแคโทด โดยที่ออกซิเจนในบรรยากาศทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อผลิตไอออนไฮดรอกไซด์

ไอออนของเหล็กรวมกับไฮดรอกไซด์ไอออนในอิเล็กโทรไลต์ ก่อให้เกิดการสะสมตัวของเหล็กออกไซด์ ซึ่งก็คือสนิม บนพื้นผิวตัวยึด การสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่ชื้นเป็นเวลานานจะรักษาปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบวงจร ส่งผลให้เกิดการกัดเซาะของสารตั้งต้นอย่างต่อเนื่องและการเสื่อมสภาพของการกัดกร่อนแบบก้าวหน้า

1.2 การกัดกร่อนของกัลวานิก

การกัดกร่อนแบบกัลวานิก หรือที่นิยามว่าเป็นการกัดกร่อนของโลหะที่ไม่เหมือนกัน ถือเป็นโหมดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าทั่วไป เพื่อให้สอดคล้องกับการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าทั่วไป จำเป็นต้องมีเงื่อนไขสำคัญสี่ประการ: แอโนด แคโทด อิเล็กโทรไลต์ และความต่างศักย์ วงการกัดกร่อนแบบปิดเกิดขึ้นเมื่อโลหะสองชนิดที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าต่างกันสัมผัสกันโดยตรง

เมื่อโลหะที่ไม่เหมือนกันสัมผัสกันสองตัวสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ โลหะที่มีศักยภาพของอิเล็กโทรดสูงกว่าจะทำหน้าที่เป็นแคโทด ในขณะที่โลหะที่มีศักยภาพต่ำกว่าจะทำหน้าที่เป็นแอโนด ในวงปิด อะตอมของโลหะขั้วบวกจะถูกแตกตัวเป็นไอออนและถูกใช้ไปอย่างต่อเนื่อง นำไปสู่ความล้มเหลวในการกัดกร่อนที่ลุกลาม ความต่างศักย์ที่มากขึ้นระหว่างโลหะทั้งสองจะเร่งและทำให้การกัดกร่อนของกัลวานิกรุนแรงขึ้น

ตารางซีรีส์กัลวานิกเป็นแนวทางที่สำคัญสำหรับการออกแบบตัวยึดที่ป้องกันการกัดกร่อน ตำแหน่งของโลหะแต่ละชนิดในตารางแสดงถึงระดับศักยภาพของอิเล็กโทรด ยิ่งโลหะทั้งสองถูกแยกออกจากกันเป็นอนุกรม ยิ่งความต่างศักย์ของโลหะทั้งสองมีมากขึ้น และความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนของกัลวานิกก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น แมกนีเซียมอัลลอยด์และแพลตตินัมอยู่ที่ปลายสุดทั้งสองของซีรีส์ ทำให้เป็นการประกอบที่เข้ากันไม่ได้ ในทางตรงกันข้าม โลหะที่มีค่าศักย์ใกล้เคียงกันจะทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเล็กน้อยและมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนต่ำ

ความรุนแรงของการกัดกร่อนของกัลวานิกถูกกำหนดโดยปัจจัยหลักสามประการ:

(1) ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น: ระยะห่างของโลหะสองชนิดในชุดกัลวานิกจะกำหนดระดับการกัดกร่อนโดยตรง การรวมกันของชิ้นส่วนอะลูมิเนียมและส่วนประกอบสแตนเลส 316 ทนการกัดกร่อนของกัลวานิกที่รุนแรงกว่าการจับคู่ชิ้นส่วนเหล็กคาร์บอนและดีบุก

(2) กิจกรรมของอิเล็กโทรไลต์: ความเข้มข้นของไอออนที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์และเร่งปฏิกิริยาการกัดกร่อน น้ำเกลือประกอบด้วยไอออนจำนวนมากและทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์มากกว่าน้ำปราศจากไอออน ซึ่งนำไปสู่การกัดกร่อนของกัลวานิกได้เร็วขึ้นในสภาพแวดล้อมของเกลือ

(3) อัตราส่วนพื้นที่แคโทด-แอโนด: พื้นที่แคโทดที่ใหญ่ขึ้นเมื่อเทียบกับแอโนดจะทำให้การกัดกร่อนของขั้วบวกรุนแรงขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ตัวยึดอะลูมิเนียมขนาดเล็กที่ประกอบบนแผ่นเหล็กสแตนเลสขนาดใหญ่จะทำหน้าที่เป็นขั้วบวกขนาดเล็กและสึกกร่อนอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีอิเล็กโทรไลต์ ตรงกันข้าม ตัวเล็ก.ตัวยึดสแตนเลส จับคู่กับแผ่นอลูมิเนียมขนาดใหญ่ทำให้เกิดพื้นที่แคโทดขนาดเล็ก จำกัดการกัดกร่อนที่ขอบหน้าสัมผัส และลดความเสียหายโดยรวม

1.3 การกัดกร่อนแบบ Fretting

การกัดกร่อนแบบ Fretting เป็นรูปแบบการกัดกร่อนแบบพิเศษที่ไม่ใช่สารเคมีและไม่ใช่ไฟฟ้าเคมี ซึ่งมักเกิดขึ้นภายใต้สภาวะแรงเสียดทานโหลดสูง การเลื่อนแบบสัมพัทธ์และการบีบอัดอย่างต่อเนื่องระหว่างพื้นผิวผสมพันธุ์จะทำให้ฟิล์มออกไซด์ป้องกันตามธรรมชาติของตัวยึดสึกหรอ พื้นผิวโลหะที่เพิ่งเปิดใหม่จะสัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกโดยตรงและเกิดการกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว

ตัวยึดที่ทำจากสเตนเลส อะลูมิเนียมอัลลอย และไททาเนียมอัลลอยด์มีความไวสูงต่อการกัดกร่อนของเฟรต พื้นผิวแบริ่งและพื้นที่ผสมพันธุ์เกลียวขึ้นอยู่กับฟิล์มป้องกันออกไซด์ทั้งหมดเพื่อต้านทานการกัดกร่อน เมื่อชั้นออกไซด์สึกหรอออกไป วัสดุพิมพ์จะได้รับความเสียหายจากการกัดกร่อนอย่างต่อเนื่องและรุนแรง

1.4 การกัดกร่อนตามรอยแยก

การกัดกร่อนตามรอยแยกเป็นโหมดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าแบบปกปิดเฉพาะที่ โดยเกิดขึ้นในช่องว่างโลหะแคบ การลบมุม การเปลี่ยนส่วนโค้ง และพื้นที่ที่เสี่ยงต่อการสะสมของฝุ่นและการกักเก็บน้ำ ความแตกต่างของความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ภายในและภายนอกช่องว่างแคบจะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเฉพาะที่ และทำให้เกิดความเสียหายต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะเจาะจงต่อซับสเตรตโลหะภายใน

การกัดกร่อนตามรอยแยกเกิดขึ้นเฉพาะที่และตรวจพบได้ยากในระยะแรก ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายทางโครงสร้างอย่างรุนแรงหลังจากการสะสมในระยะยาว ในขณะเดียวกัน อะตอมไฮโดรเจนจำนวนมากที่เกิดขึ้นระหว่างการกัดกร่อนตามรอยแยกจะถูกดูดซับโดยเมทริกซ์โลหะ ทำให้เกิดการแตกตัวของไฮโดรเจนได้ง่าย และเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกหักของตัวยึด

1.5 การกัดกร่อนของรูพรุน

การกัดกร่อนแบบรูพรุนเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่มีการแปลเฉพาะจุดมาก ซึ่งทำให้เกิดหลุมเล็กๆ บนพื้นผิวโลหะ ข้อบกพร่องระดับจุลภาคเริ่มแรกเหล่านี้จะค่อยๆ ลึกขึ้นและขยายไปสู่หลุมการกัดกร่อนขนาดมหึมาที่เห็นได้ชัดเจนพร้อมปฏิกิริยาการกัดกร่อนที่ยั่งยืน

เมื่อเปรียบเทียบกับโหมดการกัดกร่อนอื่นๆ การกัดกร่อนแบบรูพรุนมีอิทธิพลจำกัดต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างโดยรวมและสมรรถนะทางกลของตัวยึด โดยไม่ทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว กลไกหลักของมันอยู่ที่การขาดออกซิเจนเฉพาะที่บนพื้นผิวโลหะ ซึ่งก่อตัวเป็นบริเวณขั้วบวกอิสระ กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเฉพาะที่ และในที่สุดก็พัฒนาเป็นหลุมกัดกร่อนลึก

2. กลไกการป้องกันของรัด

จากกลไกการกัดกร่อนข้างต้น การปรับโครงสร้างให้เหมาะสมตามเป้าหมายและมาตรการป้องกันกระบวนการสามารถนำไปใช้เพื่อตัดสภาวะการกัดกร่อนและระงับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า มีกลไกการป้องกันการกัดกร่อนหลักสี่ประการสำหรับตัวยึด ซึ่งสามารถนำไปใช้แยกกันหรือรวมกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนที่เหมาะสมที่สุด

2.1 กลไกการป้องกันสิ่งกีดขวาง

การป้องกันแผงกั้นเป็นวิธีการป้องกันการกัดกร่อนขั้นพื้นฐานที่สุด การเคลือบป้องกันที่หนาแน่นและต่อเนื่องถูกเคลือบไว้บนพื้นผิวโลหะเพื่อแยกพื้นผิวออกจากตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและปิดกั้นเส้นทางการแพร่กระจายของการกัดกร่อน ผลการปกป้องขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของสารเคลือบโดยสิ้นเชิง การเคลือบที่ไม่เสียหายให้การป้องกันการกัดกร่อนที่มีความเสถียรในระยะยาว ในขณะที่รอยขีดข่วน การหลุดลอก หรือการสึกหรอจะทำให้พื้นผิวสัมผัสและทำให้เกิดการกัดกร่อนทันที การใช้งานทั่วไป ได้แก่ ฟิล์มสีและสารเคลือบป้องกันที่ไม่ใช่โลหะอื่นๆ

2.2 กลไกการป้องกันแอโนดแบบเสียสละ

กลไกการป้องกันแอโนดแบบบูชายัญใช้การเคลือบพื้นผิวที่มีฤทธิ์มากกว่าซึ่งจะกัดกร่อนเป็นพิเศษเพื่อปกป้องพื้นผิวโลหะ การป้องกันนี้จะคงอยู่ต่อเมื่อการเคลือบแบบบูชายัญยังคงสมบูรณ์อยู่เท่านั้น เมื่อการเคลือบหมดลงแล้ว พื้นผิวจะถูกเปิดออกและสึกกร่อน การเคลือบสังกะสีด้วยไฟฟ้าเป็นการใช้งานทั่วไปของกลไกนี้ โดยที่สังกะสีซึ่งมีฤทธิ์ทางเคมีสูงกว่าจะกัดกร่อนเพื่อปกป้องพื้นผิวเหล็กกล้าคาร์บอนเป็นพิเศษ

2.3 กลไกการป้องกันชั้นทู่

การป้องกันฟิล์มทู่อาศัยฟิล์มออกไซด์หนาแน่นเฉื่อยที่เกิดขึ้นเองบนพื้นผิวโลหะ ชั้นฟิล์มทู่ที่มีความเสถียรทางเคมีจะแยกตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนภายนอกและให้ประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนในระยะยาวรัดทำจากสแตนเลส ไททาเนียมอัลลอยด์ และอลูมิเนียมอัลลอยด์ ให้ความทนทานต่อการกัดกร่อนผ่านฟิล์มทู่แบบดั้งเดิม

2.4 กลไกการป้องกันการรักษาตนเอง

การป้องกันการซ่อมแซมตัวเองเป็นเทคโนโลยีป้องกันการกัดกร่อนขั้นสูงและมีความน่าเชื่อถือสูง ความเสียหายเล็กน้อยต่อการเคลือบป้องกันหรือฟิล์มฟิล์มสามารถซ่อมแซมได้เองในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติเพื่อรักษาประสิทธิภาพการป้องกันอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าขอบเขตการใช้งานจะมีจำกัด แต่ก็มีความเสถียรในการป้องกันการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ฟิล์มทู่ของสเตนเลสออสเทนนิติกมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองได้ดีเยี่ยม ซึ่งสามารถงอกใหม่ได้อย่างรวดเร็วหลังจากเกิดความเสียหายเล็กน้อย และคืนความต้านทานการกัดกร่อนได้

3. บทสรุป

ตัวยึดมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนหลายประการ รวมถึงการกัดกร่อนทางเคมี การกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าเคมี การกัดกร่อนแบบ fretting การกัดกร่อนตามรอยแยก และการกัดกร่อนแบบรูพรุน ซึ่งทั้งหมดนี้สร้างความเสียหายต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างและลดความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อ ดังนั้น วิศวกรจะต้องประเมินประเภทการกัดกร่อนที่อาจเกิดขึ้นและความเสี่ยงความล้มเหลวอย่างสมบูรณ์ตามเงื่อนไขการบริการและลักษณะสิ่งแวดล้อมในการออกแบบทางวิศวกรรมและการใช้งานจริง การเลือกวัสดุที่เหมาะสม การจับคู่การชุบและการเคลือบอย่างเหมาะสม และการปรับปรุงโครงสร้างสามารถป้องกันหรือชะลอความล้มเหลวในการกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรในระยะยาวของการเชื่อมต่อแบบเกลียวและการทำงานที่ปลอดภัยของอุปกรณ์เครื่องจักรกล