Einführung in gängige Korrosionsschutztechnologien für Verbindungselemente

Befestigungselementesind die am häufigsten verwendeten Komponenten in mechanischen Geräten für Befestigungsverbindungen, die alle in bestimmten Umgebungen eingesetzt werden. Die langfristige Wechselwirkung zwischen Verbindungselementen und der Umgebung verändert ständig deren Zustand und Leistung, d. h. es kommt zu Korrosion, einer der Hauptformen für das Versagen von Verbindungselementen. Leichte Korrosion von Verbindungselementen beeinträchtigt die Lösbarkeit und Wiederverwendbarkeit von Gewinden, während starke Korrosion die Festigkeit der Verbindung zwischen Komponenten beeinträchtigt und sogar zu plötzlichem Versagen von Werkstücken und katastrophalen Unfällen führt. Daher war der Korrosionsschutz von Verbindungselementen schon immer ein Thema von großer Bedeutung.

Gängige Korrosionsschutztechnologien für Verbindungselemente

Die Korrosionsschutzbehandlung von Verbindungselementen bildet in der Regel durch bestimmte Methoden eine Beschichtung oder Korrosionsschutzschicht auf der Oberfläche des Werkstücks, um zu verhindern, dass die äußere Umgebung die Verbindungselemente selbst beeinflusst, und um den Effekt der Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Es gibt vier gängige Korrosionsschutztechnologien für Verbindungselemente: Filmbehandlungstechnologie, Metallbeschichtungstechnologie, Beschichtungstechnologie und Änderung der inneren Struktur von Metall (z. B. Edelstahl).

1. Filmbehandlungstechnologie

Die Filmbehandlungstechnologie bezieht sich hauptsächlich auf den Prozess der Erzeugung eines stabilen chemischen (elektrochemischen) Umwandlungsfilms auf der Metalloberfläche durch den Einsatz chemischer oder elektrochemischer Methoden. Beispielsweise werden in städtischen Schienenfahrzeugen häufig Schwärzungs-/Bläuebehandlungen und Phosphatierungsbehandlungen zur Filmbehandlung von Befestigungselementen eingesetzt.

1.1 Schwärzung und Blaufärbung

Der Prozess, bei dem Stahlteile in eine konzentrierte alkalische Lösung mit Oxidationsmitteln gelegt und über einen bestimmten Zeitraum bei etwa 140 Grad behandelt werden, um einen chemischen Oxidfilm (hauptsächlich bestehend aus Fe₃O₄) auf der Oberfläche von Stahlteilen zu bilden, wird als Schwärzungs-/Bläuebehandlung bezeichnet.

Technische Merkmale der Schwärzungs-/Bläuebehandlung:

1) Die Filmdicke beträgt 0,5–1,5 μm.

2) Die Dauer des neutralen Salzsprühtests (NSS) beträgt im Allgemeinen nur 2 bis 5 Stunden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Oxidfilm aufgebrochen und es bildet sich sogar viel Rost.

3) Geringe Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit, kann verwendet werden fürhochfeste Schrauben.

4) Als Befestigungselement ist die Konstanz von Drehmoment und Vorspannung schlecht.

5) Helle Farbe und gute dekorative Wirkung.

6) Niedrige Kosten.

1.2 Phosphatierungsbehandlung

Der Prozess des Eintauchens von Stahlteilen in eine Lösung, die Mangan, Phosphorsäure, Phosphat und andere Reagenzien enthält, um einen wasserunlöslichen Phosphatumwandlungsfilm auf der Metalloberfläche zu bilden, wird als Phosphatierungsbehandlung bezeichnet. Die technischen Merkmale der Phosphatierungsbehandlung sind wie folgt:

1) Die Folie ist fest mit dem Untergrund verbunden (Dicke 1~50 μm).

2) Die Dauer des neutralen Salzsprühtests (NSS) kann 10 bis 20 Stunden und bei einigen bis zu 72 Stunden betragen.

3) Schlechte mechanische Festigkeit und spröde Textur.

4) Als Verbindungselement ist die Konstanz von Drehmoment und Vorspannung gut.

5) Die Farbe ist dunkel, beispielsweise hellgrau, und der dekorative Effekt ist schlecht.

6) Geringe Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffversprödung, kann für hochfeste Schrauben verwendet werden.

7) Niedrige Kosten.

2. Metallbeschichtungstechnologie

Die Metallbeschichtungstechnologie ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei dem hauptsächlich eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche von Metallmaterialien gebildet wird, indem Metallmaterialien mithilfe der Beschichtungstechnologie dekorative oder schützende Eigenschaften verliehen werden. In städtischen Schienenfahrzeugen besteht die Metallisierungstechnologie für Verbindungselemente hauptsächlich aus Verzinkung sowie anderen speziellen Metallbeschichtungen (Verchromung, Vernickelung, Cadmiumbeschichtung, Versilberung usw.).

2.1 Verzinken

Zink und Eisen sind mischbar und ihr Standardelektrodenpotential beträgt -0,76 V. Für das Stahlsubstrat ist die Zinkbeschichtung eine anodische Beschichtung, die das Stahlsubstrat besser schützen kann. Daher wird die Verzinkungstechnologie bei Verbindungselementen sehr häufig eingesetzt. Es gibt drei gängige Verzinkungsmethoden: Feuerverzinkung, galvanische Verzinkung und mechanische Verzinkung.

2.1.1 Feuerverzinkung

Unter Feuerverzinkung versteht man den Prozess, bei dem Stahlteile in geschmolzenes flüssiges Zink getaucht werden, wodurch eine Reihe physikalischer und chemischer Reaktionen auf der Oberfläche des Werkstücks ausgelöst werden, um eine metallische Zinkbeschichtung zu bilden. Die Dicke der feuerverzinkten Beschichtung ist relativ dick (bis zu 30–60 μm) und ihre Korrosionsbeständigkeit ist ausgezeichnet. Es wird häufig in Stahlteilen verwendet, die lange Zeit im Freien verwendet werden (z. B. Fernsehtürme, Leitplanken für Autobahnen usw.). Bei Verbindungselementen ist die Feuerverzinkung im Allgemeinen für Schrauben ab M6 anwendbar, sie kann jedoch nicht für hochfeste Verbindungselemente verwendet werden. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Betriebstemperatur des Feuerverzinkungsprozesses relativ hoch ist (400 bis 500 Grad), was leicht zu einer Anlasserweichung hochfester Verbindungselemente und einer Verringerung ihrer Festigkeit führen kann.

2.1.2 Elektroverzinkung

Bei der Elektroverzinkung wird das Prinzip der Elektrolyse genutzt, um eine gleichmäßige, dichte und gut haftende Zinkschicht auf der Oberfläche von Stahlteilen zu bilden. Die Dicke der elektroverzinkten Zinkschicht ist relativ gering (5–30 μm) und ihre Korrosionsbeständigkeit ist die schlechteste unter den verzinkten Korrosionsschutzbehandlungen. Das Verfahren ist jedoch einfach, die Kosten sind gering und es hat nur geringe Auswirkungen auf den Gewindeeingriff, sodass es häufig in Verbindungselementen verwendet wird. Da die elektrolytische Verzinkung eine hohe Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit aufweist und es schwierig ist, Wasserstoff vollständig zu entfernen (die elektroverzinkte Schicht löst sich ab oder fällt ab, wenn die Temperatur über 100 Grad liegt), kann die elektrolytische Verzinkung nicht für hochfeste Verbindungselemente verwendet werden.

2.1.3 Mechanische Verzinkung

Unter mechanischer Verzinkung versteht man einen Oberflächenbehandlungsprozess, bei dem Stahlteile eine Zinkschicht bilden, indem die Oberfläche von Stahlteilen mit Schlagmedien unter Einwirkung chemischer Substanzen wie Zinkpulver, Dispergiermittel und Beschleuniger beaufschlagt wird. Die Dicke der mechanisch verzinkten Schicht beträgt im Allgemeinen 5 bis 50 μm. Die Oberfläche der Beschichtung ist dicht und gleichmäßig, mit guter dekorativer Wirkung und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit; Darüber hinaus weist es keine Nachteile wie Hochtemperaturanlassen und Wasserstoffversprödung auf, die beim Feuerverzinken und Elektroverzinken auftreten, sodass es sich um ein Oberflächenbehandlungsverfahren handelt, das sich besonders für den Korrosionsschutz von Verbindungselementen eignet.

2.2 Andere Metallbeschichtungen

2.2.1 Verchromung

Als Metallbeschichtung zeichnet sich Chrom durch starke Haftung, gute Verschleißfestigkeit, hervorragende dekorative Wirkung und hohe Hitzebeständigkeit aus (kann normalerweise unter 500 Grad verwendet werden). Daher ist es sehr ideal, eine Chrombeschichtung als Metallbeschichtung von Verbindungselementen zu verwenden.

Die Hauptnachteile der Verchromung sind folgende:

1) Der Prozess ist komplex und vor dem Verchromen muss zuerst Nickel oder Kupfer plattiert werden.

2) Hoher Preis.

3) Die Chrombeschichtung ist hart und spröde und kann leicht abfallen.

2.2.2 Vernickeln

Als Metallbeschichtung hat Nickel eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Härte, eine gute dekorative Wirkung und eine Hitzebeständigkeit (kann normalerweise unter 600 Grad verwendet werden), daher ist es auch ideal für die Verwendung von Nickelbeschichtungen für Verbindungselemente.

Die Hauptnachteile der Vernickelung sind folgende:

1) Der Prozess ist komplex und das Kupfer muss vor dem Vernickeln zuerst plattiert werden (das Original „vor dem Verchromen“ ist ein Tippfehler).

2) Die Nickelbeschichtung ist porös und die Matrixkorrosion wird beschleunigt, wenn die Beschichtung dünn ist.

3) Hoher Preis.

2.2.3 Cadmiumbeschichtung

Als Metallbeschichtung ist Cadmium eine anodische Beschichtung, die die Eigenschaften einer starken Salzsäure-Korrosionsbeständigkeit, einer geringen Wasserstoffversprödung und einer guten dekorativen Wirkung aufweist. Es eignet sich besonders für Befestigungselemente, die in Meeresumgebungen verwendet werden (z. B. Befestigungselemente von Schiffsflugzeugen und Ölbohrplattformen).

Die Hauptnachteile der Cadmiumbeschichtung sind folgende:

① Hohe Umweltbelastung. Das beim Schmelzen von Cadmium entstehende Gas und lösliche Cadmiumsalze sind giftig.

② Hoher Preis.

2.2.4 Versilberung

Als Metallbeschichtung weist Silber eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, eine hervorragende Reflexionsleistung, eine gute Gleitfähigkeit und eine hervorragende Hitzebeständigkeit auf (kann normalerweise unter 870 Grad verwendet werden). Daher wird die Versilberung häufig in Bereichen wie der Elektronik und Elektrotechnik sowie bei Hochfrequenzkomponenten (z. B. leitenden Generatorbolzen, Fahrzeugbatterie-Ausgangsklemmen) eingesetzt.

Die Hauptnachteile der Versilberung sind folgende:

① Der Prozess ist komplex und vor der Versilberung muss zuerst Kupfer plattiert werden.

② Der Preis ist sehr teuer.

2.2.5 Zink-Nickel-Beschichtung

Die Zink-Nickel-Verbundbeschichtung ist eine neue Art von Legierungsmetallbeschichtung, die auf der Grundlage der Oberflächenbehandlungstechnologie der Verzinkung entwickelt wurde und viele Vorteile bietet:

1) Die Dauer des neutralen Salzsprühtests (NSS) kann 500 bis 1500 Stunden betragen.

2) Das Elektrodenpotential der Beschichtung liegt zwischen Fe und Zn, was besser für die Montage mit Aluminiumteilen geeignet ist.

3) Hohe Beschichtungshärte und gute dekorative Wirkung.

4) Nahezu keine Wasserstoffversprödung, kann verwendet werdenhochfeste Verbindungselemente.

5) Gute Hitzebeständigkeit (kann normalerweise unter 800 Grad verwendet werden; das Original „8009C“ ist ein Tippfehler).

Der Hauptnachteil der Zink-Nickel-Beschichtung ist ihr hoher Preis (etwa sechsmal so hoch wie bei einer herkömmlichen Verzinkung), aber ihre hervorragende Gesamtleistung wird immer mehr anerkannt.

3. Beschichtungstechnologie

Bei der Beschichtungstechnologie handelt es sich um eine Oberflächenbehandlungstechnologie, die mit bestimmten Geräten und Methoden spezifische Beschichtungen auf die Oberfläche von Objekten aufträgt, um einen dichten, kontinuierlichen und gleichmäßigen Film auf der Oberfläche zu bilden, und diese anschließend durch natürliche oder künstliche Methoden trocknet und aushärtet, um eine schützende oder dekorative Beschichtung zu bilden.

Bei Verbindungselementen ist die Zink-Chrom-Beschichtungstechnologie die am weitesten verbreitete Beschichtungstechnologie. Dabei handelt es sich um eine Beschichtung, die auf der Oberfläche von Stahlteilen durch Auftragen einer Zink-Chrom-Beschichtung auf Stahlteile und Einbrennen in einem vollständigen Beschichtungszyklus im geschlossenen Kreislauf gebildet wird, auch bekannt als Dacromet-Behandlung. Es verfügt über die folgenden hervorragenden Eigenschaften:

1) Die Dauer des neutralen Salzsprühtests (NSS) kann 500 bis 1000 Stunden betragen.

2) Gute Durchlässigkeit.

3) Keine Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffversprödung.

4) Geringe Umweltverschmutzung.

5) Als Verbindungselement ist die Konstanz von Drehmoment und Vorspannung sehr gut.

6) Moderater Preis (ungefähr doppelt so hoch wie bei normaler Verzinkung).

Die Hauptnachteile der Dacromet-Behandlung sind folgende:

1) Schlechte Verschleißfestigkeit (Härte beträgt nur 1 H).

2) Einfarbig (nur Silberweiß und Silbergrau), schlechte dekorative Wirkung.

3) Schlechte elektrische Leitfähigkeit, nicht geeignet für Teile mit leitenden Verbindungen.

4. Veränderung der Mikrostruktur von Stahl

4.1 Änderung der Zusammensetzung (z. B. Edelstahl)

Edelstahl ist die Abkürzung für rostfreien, säurebeständigen Stahl, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine gute dekorative Wirkung aufweist und in verschiedenen Bereichen weit verbreitet ist. Derzeit wird allgemein angenommen, dass der Korrosionsbeständigkeitsmechanismus von Edelstahl hauptsächlich wie folgt ist:

1) Wenn der Cr-Gehalt 13 % übersteigt, steigt das Elektrodenpotential des Stahls von negativem Potential auf positives Potential, wodurch die Stahlmatrix selbst „inert“ wird;

2) Cr bildet auf der Stahloberfläche einen dichten Cr-reichen Passivfilm, um die Matrix zusätzlich zu schützen.

3) Edelstahl kann je nach Mikrostruktur in martensitischen Stahl, ferritischen Stahl, austenitischen Stahl, austenitisch-ferritischen Edelstahl usw. unterteilt werden. Unter diesen weist austenitischer Edelstahl die beste Korrosionsbeständigkeit auf, beispielsweise Edelstahl der Serien A2 und A4.

Edelstahl weist hauptsächlich die folgenden Mängel auf:

① Geringe Streckgrenze (im Allgemeinen nicht mehr als 300 MPa), nicht für die Verbindung größerer Strukturteile geeignet;

② Anfällig für Gewindefresser: Beim Anziehen von Edelstahlschrauben kann die Gewindeoberfläche leicht beschädigt werden. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich spontan eine Oxidschicht, die die Haftung und Verriegelung der Schrauben weiter verschlechtert.

③ Anfällig für interkristalline Korrosion: Bei einer bestimmten Temperatur bilden C und Cr in Edelstahl Verbindungen, insbesondere in der Nähe der Korngrenzen, was zum Auftreten von „Cr-armen Bereichen“ an den Korngrenzen führt und interkristalline Korrosion verursacht;

④ Schlechte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Cl⁻-Medium (außer Edelstahl A4);

⑤ Hoher Preis (etwa viermal so hoch wie bei der Dacromet-Behandlung).

4.2 Änderung des Wärmebehandlungszustands

Bei Stahlwerkstoffen handelt es sich überwiegend um mehrphasige Strukturen (Verunreinigungen, Karbide, intermetallische Verbindungen und andere Zweitphasen liegen im Stahl üblicherweise als Kathoden vor, während die Fe-Matrix als Anode fungiert). Zwischen jeder Phase in der mehrphasigen Struktur besteht ein Potenzialunterschied, der eine Korrosionsmikrozelle bildet. Die zweite Phase kann entweder eine anodische Passivierungsphase oder eine kathodische Auflösungsphase sein, die beide die Korrosionsbeständigkeit der Matrix beeinflussen.

Am Beispiel von Edelstahl erfordern dessen Schweiß- und Wärmebehandlungsverfahren besondere Vorsicht. Wenn rostfreier Stahl nach der Hochtemperatur-Lösungsbehandlung auf eine Temperatur zwischen 400 und 850 Grad erhitzt wird, scheiden sich zahlreiche Cr₂₃C₆- und Cr₇C₃-Karbide entlang der Korngrenzen aus und bilden einen an Cr verarmten Bereich in der Nähe der Korngrenzen. Karbide fungieren als Kathode der Korrosionszelle und der Cr-verarmte Bereich fungiert als Anode der Korrosionszelle, was zu interkristalliner Korrosion führt und zu einer erheblichen Verringerung der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl führt.