Bolzen, Muttern, Schrauben und andere Verbindungselemente sind nach längerem Gebrauch anfällig für Korrosionsschäden, die die Stabilität und Sicherheit mechanischer Verbindungen beeinträchtigen. Während der Produktdesignphase müssen Ingenieure sorgfältig Materialien, Oberflächenbeschichtungen und Schutzbeschichtungen entsprechend den tatsächlichen Betriebsumgebungen auswählen, um Korrosion zu mindern, Leistungsverschlechterungen und Lebensdauerverluste zu verhindern und die allgemeine Betriebszuverlässigkeit mechanischer Geräte zu gewährleisten. In diesem Artikel werden die gängigen Korrosionsarten, internen Mechanismen und Schutzprinzipien von Oberflächenbeschichtungen für Verbindungselemente systematisch erläutert und technische Unterstützung für die Materialauswahl und die Korrosionsschutzoptimierung von Verbindungselementen bereitgestellt.

1. Grundbegriff der Korrosion

Unter Metallkorrosion versteht man die zerstörerische Schädigung von Metallsubstraten, die durch chemische oder elektrochemische Wechselwirkungen mit Umgebungsmedien verursacht wird, und ist eine der häufigsten Ausfallarten mechanischer Verbindungselemente.

Reine chemische Korrosion tritt auf, wenn Verbindungselemente ohne Beteiligung von elektrischem Strom direkt mit korrosiven chemischen Substanzen in Kontakt kommen. Beispielsweise kann ausgelaufener Batterieelektrolyt die Oberflächen von Befestigungselementen direkt erodieren und Grundmaterialien beschädigen. Im tatsächlichen industriellen Einsatz sind die meisten Korrosionsausfälle von Verbindungselementen auf indirekte elektrochemische Reaktionen zurückzuführen, zu denen typischerweise Stahlrost und galvanische Korrosion gehören.

Die Korrosionsausbreitung in Verbindungselementen ähnelt der Karies von Zähnen. Es entsteht durch winzige, unsichtbare Defekte, breitet sich schnell aus und untergräbt nach und nach die strukturelle Integrität von Schraubverbindungen. Fortschreitende Korrosion verbraucht Metallsubstrate, verringert die mechanische Festigkeit und führt letztendlich zur Lockerung oder zum Bruch von Befestigungselementen. Darüber hinaus können galvanische Reaktionen auch Korrosionsschäden an angrenzenden verbundenen Bauteilen hervorrufen.

Neben der herkömmlichen Festigkeitsminderung kann Korrosion zwei besondere Versagensarten auslösen. Das erste sind spannungsbedingte Korrosionsausfälle wie Wasserstoffversprödung unter der Kopplungswirkung von Korrosion und Zugspannung. Die zweite Ursache ist Korrosionsermüdungsversagen, bei dem sich in korrodierten Bereichen entstehende Mikrorisse unter wechselnden Belastungen kontinuierlich ausdehnen und schließlich zu Ermüdungsbrüchen von Verbindungselementen führen.

Eine falsche Materialauswahl ist eine der Hauptursachen für chemische Korrosion. Chemische Korrosion entsteht, wenn Verbindungsmaterialien in korrosiven Medien löslich sind. Zum Beispiel gewöhnlichSchrauben aus Kohlenstoffstahllöst sich schnell auf und korrodiert, wenn es Salzsäure ausgesetzt wird. Für stark und vorhersehbar korrosive Umgebungen werden korrosionsbeständige Legierungen wie Edelstahl und Nickelbasislegierungen bevorzugt. Mittlerweile können dichte und undurchlässige Schutzbeschichtungen eingesetzt werden, um korrosive Medien grundsätzlich zu isolieren und chemische Korrosion zu vermeiden.

In industriellen Anwendungen wird die Korrosion von Verbindungselementen durch elektrochemische Korrosion dominiert, die durch mikrospontane Ströme angetrieben wird, die sich durch eine schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit und einen größeren Schadensbereich auszeichnen. Elektrochemische Korrosion beruht auf vier unabdingbaren Bedingungen: Anoden- und Kathodenbereiche, leitfähige Elektrolytmedien, Potenzialdifferenz und geschlossene Leiterschleifen. Sobald alle Bedingungen erfüllt sind, findet eine kontinuierliche elektrochemische Korrosion statt.

1.1 Korrosionsmechanismus von Kohlenstoffstahl

Rost ist die typischste und grundlegendste Form der elektrochemischen Korrosion bei Stahlwerkstoffen. Wenn Wassertropfen an Stahloberflächen haften, entsteht an der Grenzfläche zwischen dem Stahlsubstrat und dem wässrigen Elektrolyten eine Potenzialdifferenz, die elektrische Mikroströme erzeugt und die Rostreaktion auslöst. Oxidationsreaktionen finden in Anodenbereichen statt, wo Eisenatome ionisieren und sich im Elektrolyten auflösen. Dementsprechend finden Reduktionsreaktionen an Kathodenbereichen statt, wo Luftsauerstoff mit Wasser unter Bildung von Hydroxidionen reagiert.

Eisenionen verbinden sich mit Hydroxidionen im Elektrolyten und bilden Eisenoxidablagerungen, nämlich Rost, auf den Oberflächen der Befestigungselemente. Bei längerer Einwirkung feuchter Umgebungen wird die zyklische elektrochemische Reaktion aufrechterhalten, was zu einer kontinuierlichen Substraterosion und einer fortschreitenden Korrosionsverschlechterung führt.

1.2 Galvanische Korrosion

Galvanische Korrosion, auch Korrosion unähnlicher Metalle genannt, ist eine typische elektrochemische Korrosionsart. Im Einklang mit der allgemeinen elektrochemischen Korrosion sind vier wesentliche Bedingungen erforderlich: Anode, Kathode, Elektrolyt und Potenzialdifferenz. Ein geschlossener Korrosionskreislauf entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen in direktem Kontakt stehen.

Wenn zwei kontaktierte unterschiedliche Metalle dem Elektrolyten ausgesetzt werden, fungiert das Metall mit dem höheren Elektrodenpotential als Kathode, während das Metall mit dem niedrigeren Potential als Anode dient. Im geschlossenen Kreislauf werden Atome des anodischen Metalls kontinuierlich ionisiert und verbraucht, was zu fortschreitendem Korrosionsversagen führt. Ein größerer Potentialunterschied zwischen den beiden Metallen beschleunigt und verschlimmert die galvanische Korrosion.

Die Tabelle der galvanischen Reihen ist eine wichtige Richtlinie für die Korrosionsschutzkonstruktion von Verbindungselementen. Die Position jedes Metalls in der Tabelle gibt sein Elektrodenpotentialniveau an. Je weiter die beiden Metalle in der Reihe voneinander entfernt sind, desto größer ist ihr Potenzialunterschied und desto höher ist die Gefahr einer galvanischen Korrosion. Beispielsweise liegen Magnesiumlegierung und Platin an den beiden äußersten Enden der Reihe, was sie zu einer inkompatiblen Baugruppenkombination macht. Im Gegensatz dazu führen Metalle mit ähnlichen Potentialwerten zu vernachlässigbaren elektrochemischen Reaktionen und weisen ein geringes Korrosionsrisiko auf.

Der Schweregrad der galvanischen Korrosion wird durch drei Hauptfaktoren bestimmt:

(1) Potentialunterschied: Der Abstand zweier Metalle in der galvanischen Reihe bestimmt direkt den Korrosionsgrad. Die Kombination aus Aluminiumteilen und Komponenten aus Edelstahl 316 unterliegt einer stärkeren galvanischen Korrosion als die Kombination aus Kohlenstoffstahl und Zinnteilen.

(2) Elektrolytaktivität: Eine höhere Ionenkonzentration verbessert die Leitfähigkeit des Elektrolyten und beschleunigt Korrosionsreaktionen. Sole enthält reichlich Ionen und dient als weitaus aktiverer Elektrolyt als entionisiertes Wasser, was in salzhaltigen Umgebungen zu einer schnelleren galvanischen Korrosion führt.

(3) Kathoden-Anoden-Flächenverhältnis: Eine größere Kathodenfläche im Verhältnis zur Anode verstärkt die anodische Korrosion deutlich. Beispielsweise wirken kleine Aluminiumbefestigungen, die auf großen Edelstahlplatten montiert sind, als winzige Anoden und korrodieren in Elektrolytumgebungen schnell. Im Gegenteil, kleinVerbindungselemente aus Edelstahl In Kombination mit großen Aluminiumplatten entsteht eine kleine Kathodenfläche, wodurch die Korrosion an der Kontaktkante eingeschränkt und der Gesamtschaden gemindert wird.

1.3 Passungsrost

Passungsrost ist ein spezieller nichtchemischer und nichtelektrochemischer Korrosionsmodus, der häufig unter Reibungsbedingungen mit hoher Belastung auftritt. Durch relatives Gleiten und kontinuierliche Kompression zwischen den Passflächen werden die natürlichen Schutzoxidfilme der Befestigungselemente abgenutzt. Das neu freigelegte frische Metallsubstrat kommt direkt mit der äußeren Umgebung in Kontakt und unterliegt einer schnellen Korrosion.

Verbindungselemente aus Edelstahl, Aluminiumlegierung und Titanlegierung sind sehr empfindlich gegenüber Passungsrost. Ihre Lagerflächen und Gewindepassbereiche sind zur Korrosionsbeständigkeit vollständig auf schützende Oxidfilme angewiesen. Sobald die Oxidschichten abgenutzt sind, kommt es zu kontinuierlichen und fortschreitenden Korrosionsschäden am Untergrund.

1.4 Spaltkorrosion

Spaltkorrosion ist eine verborgene, lokalisierte elektrochemische Korrosionsart. Es tritt in engen Metallspalten, Fasen, Lichtbogenübergängen und Bereichen auf, die anfällig für Staubansammlungen und Wassereinlagerungen sind. Konzentrationsunterschiede des Elektrolyten innerhalb und außerhalb der engen Spalten lösen lokale elektrochemische Reaktionen aus und verursachen selektive Korrosionsschäden an internen Metallsubstraten.

Spaltkorrosion ist örtlich begrenzt und im Frühstadium schwer zu erkennen, was nach längerer Anhäufung zu schweren Strukturschäden führen kann. Währenddessen wird eine große Menge atomaren Wasserstoffs, der bei der Spaltkorrosion entsteht, von der Metallmatrix absorbiert, was leicht zu einer Wasserstoffversprödung führt und das Bruchrisiko von Verbindungselementen erhöht.

1.5 Lochfraß

Lochfraß ist eine stark lokalisierte Korrosionsform, die auf Metalloberflächen winzige Löcher erzeugt. Diese anfänglichen Mikrodefekte vertiefen sich allmählich und dehnen sich zu offensichtlichen makroskopischen Korrosionsgruben mit anhaltenden Korrosionsreaktionen aus.

Im Vergleich zu anderen Korrosionsarten hat Lochfraßkorrosion nur einen begrenzten Einfluss auf die allgemeine strukturelle Integrität und mechanische Leistung von Verbindungselementen, ohne dass es zu einem schnellen Versagen kommt. Sein Kernmechanismus liegt in einem lokalen Sauerstoffmangel auf der Metalloberfläche, der unabhängige anodische Bereiche bildet, lokalisierte elektrochemische Reaktionen auslöst und sich schließlich zu tiefen Korrosionsgruben entwickelt.

2. Schutzmechanismen von Verbindungselementen

Basierend auf den oben genannten Korrosionsmechanismen können gezielte Strukturoptimierungs- und Prozessschutzmaßnahmen ergriffen werden, um Korrosionsbedingungen zu unterbinden und elektrochemische Reaktionen zu unterdrücken. Es gibt vier zentrale Korrosionsschutzmechanismen für Verbindungselemente, die einzeln oder in Kombination angewendet werden können, um eine optimale Korrosionsschutzleistung zu erzielen.

2.1 Barriereschutzmechanismus

Der Barriereschutz ist die grundlegendste Korrosionsschutzmethode. Die Metalloberfläche wird mit einer dichten und kontinuierlichen Schutzschicht bedeckt, um das Substrat vor korrosiven Medien zu isolieren und die Ausbreitungswege der Korrosion zu blockieren. Seine Schutzwirkung hängt ausschließlich von der Unversehrtheit der Beschichtung ab. Intakte Beschichtungen bieten einen langfristig stabilen Korrosionsschutz, während Kratzer, Abblättern oder Abnutzung den Untergrund freilegen und sofort Korrosion auslösen. Zu den typischen Anwendungen gehören Lackfilme und andere nichtmetallische Schutzbeschichtungen.

2.2 Opferanodenschutzmechanismus

Der Opferanodenschutzmechanismus verwendet eine aktivere Oberflächenbeschichtung, die zum Schutz des Metallsubstrats bevorzugt korrodiert. Diese Schutzwirkung hält nur dann an, wenn die Opferbeschichtung vollständig erhalten bleibt. Sobald die Beschichtung vollständig verbraucht ist, wird das Substrat freigelegt und korrodiert. Eine typische Anwendung dieses Mechanismus ist die elektroverzinkte Beschichtung, bei der Zink mit höherer chemischer Aktivität bevorzugt korrodiert, um Kohlenstoffstahlsubstrate zu schützen.

2.3 Schutzmechanismus der Passivierungsschicht

Der Passivierungsschutz beruht auf inerten, dichten Oxidfilmen, die sich spontan auf Metalloberflächen bilden. Die chemisch stabile Passivierungsschicht isoliert äußere korrosive Medien und sorgt für eine langfristige Korrosionsschutzleistung.Befestigungselementeaus Edelstahl, Titanlegierung und Aluminiumlegierung erreichen durch ihre nativen Passivierungsfilme eine dauerhafte Korrosionsbeständigkeit.

2.4 Selbstheilender Schutzmechanismus

Der Selbstheilungsschutz ist eine fortschrittliche und hochzuverlässige Korrosionsschutztechnologie. Leichte Schäden an Schutzbeschichtungen oder Passivierungsfilmen können in natürlichen Umgebungen spontan repariert werden, um eine kontinuierliche Schutzleistung aufrechtzuerhalten. Obwohl sein Anwendungsbereich begrenzt ist, bietet es eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Der Passivierungsfilm von austenitischem Edelstahl verfügt über eine hervorragende Selbstheilungsfähigkeit, die sich nach geringfügigen Schäden schnell regenerieren und die Korrosionsbeständigkeit wiederherstellen kann.

3. Fazit

Verbindungselemente sind zahlreichen Korrosionsrisiken ausgesetzt, darunter chemische Korrosion, elektrochemische Korrosion, Passungsrost, Spaltkorrosion und Lochfraß, die alle die strukturelle Integrität beeinträchtigen und die Verbindungszuverlässigkeit verringern. Daher müssen Ingenieure potenzielle Korrosionsarten und Ausfallrisiken entsprechend den Betriebsbedingungen und Umgebungsmerkmalen im technischen Design und in der praktischen Anwendung vollständig bewerten. Eine angemessene Materialauswahl, eine optimierte Beschichtungs- und Beschichtungsanpassung sowie strukturelle Verbesserungen können Korrosionsausfälle wirksam verhindern oder verzögern und so die Langzeitstabilität von Gewindeverbindungen und den sicheren Betrieb mechanischer Geräte gewährleisten.