پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ و خوردگی گالوانیکی آلومینیومی توضیح داده شده است

بله، آلومینیوم با فولاد ضد زنگ واکنش نشان می دهد - اما قابل مدیریت است

وقتی یک پیچ فولادی ضد زنگ برای بستن آلومینیوم استفاده می شود، این دو فلز در تماس الکتریکی مستقیم هستند. از آنجایی که آنها روی سری گالوانیکی جدا هستند، یک واکنش الکتروشیمیایی می تواند در حضور یک الکترولیت - مانند آب باران، رطوبت، یا اسپری نمک - رخ دهد که باعث می شود آلومینیوم ترجیحاً خورده شود. آلومینیوم خورده می شود. پیچ فولاد ضد زنگ این کار را نمی کند.

خبر خوب این است که این واکنش - معروف به خوردگی گالوانیکی - به خوبی درک شده است، با نسبت سطح درگیر قابل اندازه‌گیری است و با تکنیک‌های جداسازی مناسب قابل پیشگیری است. میلیون ها مجموعه ساختاری در سرتاسر جهان از پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در قطعات آلومینیومی با موفقیت استفاده می کنند، به شرطی که به درستی طراحی و نصب شوند. این مقاله علم، سطوح خطر واقعی در محیط‌های مختلف، و اینکه دقیقاً برای جلوگیری از آسیب چه باید کرد را توضیح می‌دهد.

چه چیزی باعث می‌شود پیچ و مهره‌های فولادی ضد زنگ به انتخابی برای اتصال دهنده‌ها تبدیل شوند

قبل از پرداختن به سازگاری، درک اینکه چرا پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در وهله اول به طور گسترده ای مشخص شده اند کمک می کند. اتصال دهنده های فولادی ضد زنگ - عمدتاً گریدهای 304، 316، و 18-8 - مقاومت در برابر خوردگی خود را مدیون یک لایه نازک و پایدار غیر فعال اکسید کروم هستند که به طور خود به خود روی سطح تشکیل می شود و در صورت خراشیدگی خود به خود ترمیم می شود.

گریدهای رایج پیچ فولادی ضد زنگ و خواص آنها

پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ درجه 316 هستند مشخص ترین بست برای مجموعه های آلومینیومی در معرض محیط‌های بیرونی یا دریایی، به دلیل افزودن مولیبدن که مقاومت در برابر حفره‌های ناشی از کلرید را بهبود می‌بخشد - همان مکانیسمی که حمله گالوانیکی بین فلزات غیرمشابه در محیط‌های آب شور را تسریع می‌کند.

واکنش گالوانیکی بین آلومینیوم و فولاد ضد زنگ توضیح داده شد

خوردگی گالوانیکی به سه شرایط همزمان نیاز دارد: دو فلز الکتروشیمیایی غیرمشابه، تماس الکتریکی بین آنها، و یک الکترولیت که هر دو سطح را پل می کند. هر یک از این سه را بردارید و واکنش به طور کامل متوقف می شود. درک این موضوع پایه و اساس هر استراتژی پیشگیری است.

جایی که آلومینیوم و فولاد ضد زنگ روی سری Galvanic قرار می گیرند

سری گالوانیکی فلزات را با پتانسیل الکتروشیمیایی آنها در یک الکترولیت معین (معمولاً آب دریا) رتبه بندی می کند. فلزات دور از هم در این مقیاس هنگام جفت شدن سریعتر خورده می شوند. فلزات نزدیک به هم نسبتاً سازگار هستند. آلومینیوم تقریباً می نشیند -0.76 V در مقابل SCE ، در حالی که فولاد ضد زنگ (غیرفعال) تقریباً روی آن قرار می گیرد -0.05 تا 0.20 V در مقابل SCE - اختلاف پتانسیل 0.5-1.0 V بسته به درجه و شرایط.

این شکاف به اندازه‌ای بزرگ است که جریان گالوانیکی معنی‌داری ایجاد کند. آلومینیوم به دلیل آندی بودن (کمتر نجیب) به عنوان آند عمل می کند و خورده می شود. پیچ فولادی ضد زنگ، که کاتدیک تر (نجیب تر) است، محافظت می شود و بی پیرایه باقی می ماند. از نظر عملی: آلومینیوم اطراف سوراخ پیچ خورده می شود. پیچ فولاد ضد زنگ به خودی خود تخریب نمی شود.

چرا نسبت مساحت سطح متغیر بحرانی است؟

شدت خوردگی گالوانیکی به شدت تحت تأثیر نسبت سطح کاتدی (فولاد ضد زنگ) به سطح آندی (آلومینیوم) است. یک کاتد بزرگ که یک آند کوچک را هدایت می کند، جریان خوردگی را در یک منطقه کوچک متمرکز می کند و حمله سریع و شدید ایجاد می کند.

• نسبت نامطلوب (خطرناک): یک صفحه فولادی ضد زنگ بزرگ که با یک پرچ آلومینیومی بسته شده است. پرچ آلومینیومی بسیار سریع خورده می شود - به طور بالقوه در چند ماه در یک محیط دریایی از بین می رود.
• نسبت مطلوب (کمتر شدید): یک پیچ فولادی ضد زنگ که یک پانل آلومینیومی بزرگ را می‌بندد. منطقه آلومینیومی بزرگ، چگالی جریان گالوانیکی را بر روی یک سطح وسیع توزیع می کند و سرعت خوردگی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.
• قاعده کلی: همیشه از فلز نجیب تر (فولاد ضد زنگ) به عنوان جزء کوچکتر - یعنی پیچ و مهره - هرگز به عنوان ورق بزرگ استفاده نکنید. به همین دلیل است که پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در سازه های آلومینیومی بسیار قابل قبول تر از پیچ و مهره های آلومینیومی در سازه های فولادی ضد زنگ هستند.

در واقع چقدر خوردگی رخ می دهد - داده های دنیای واقعی

مطالعه ای توسط انجمن آلومینیوم اروپا نشان داد که خوردگی گالوانیکی بین آلیاژ آلومینیوم 6061-T6 و فولاد ضد زنگ 316 در پاشش نمک پیوسته (شرایط ASTM B117) باعث از دست دادن جرم آلومینیوم قابل اندازه گیری تقریباً می شود. 0.3-0.8 میلی گرم بر سانتی متر مربع در سال در منطقه تماس - برای مواد ورق نازک قابل توجه است، اما اغلب برای اجزای ساختاری ضخیم قابل چشم پوشی است. در محیط های خشک داخلی با رطوبت گاه به گاه، نرخ حمله به نزدیک به صفر کاهش می یابد. محیط، نه فقط جفت فلزات، ریسک دنیای واقعی را تعیین می کند.

ارزیابی ریسک: هنگام استفاده از پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در آلومینیوم ایمن در مقابل مشکل ساز است

همه برنامه ها دارای ریسک یکسان نیستند. خطر واقعی خوردگی گالوانیکی بین پیچ های فولادی ضد زنگ و آلومینیوم به شدت به شرایط قرار گرفتن در معرض، در دسترس بودن الکترولیت و عمر طراحی مورد نیاز بستگی دارد. جدول زیر یک چارچوب عملی را ارائه می دهد.

نکته کلیدی از میز: در محیط های داخلی خشک - محفظه های الکترونیکی، سخت افزار مبلمان، اتصالات معماری داخلی - پیچ فولادی ضد زنگs can be used in aluminum without any special precautions و در طول عمر معمولی باعث ایجاد مشکل خوردگی نخواهد شد. این خطر تنها زمانی قابل توجه است که یک الکترولیت رسانا به طور مداوم وجود داشته باشد.

نحوه جلوگیری از خوردگی گالوانیکی هنگام استفاده از پیچ های فولادی ضد زنگ با آلومینیوم

پیشگیری همیشه به سه شرط لازم برای خوردگی گالوانیکی باز می گردد. حذف هر یک از آنها - فلزات غیر مشابه، تماس الکتریکی یا الکترولیت - واکنش را متوقف می کند. در عمل، قابل اعتمادترین رویکرد، ایزوله سازی را با کاربرد درزگیر ترکیب می کند، زیرا حذف الکترولیت به تنهایی در محیط های بیرونی به ندرت در درازمدت امکان پذیر است.

واشر و آستین عایق

بوش های عایق غیر رسانا یا واشرهای ساخته شده از نایلون، PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) یا نئوپرن بین ساقه پیچ فولادی ضد زنگ و دیواره سوراخ آلومینیومی و بین سر پیچ/مهره و سطح آلومینیوم قرار می گیرند. این امر مسیر مستقیم الکتریکی فلز به فلز را می شکند. کیت های جداسازی PTFE بادوام ترین انتخاب هستند برای محیط های با دمای بالا یا مواد شیمیایی تهاجمی، برای استفاده مداوم تا 260 درجه سانتی گراد رتبه بندی شده است.

• نایلون واشر: کم هزینه، مناسب برای کاربردهای دمای محیط زیر 80 درجه سانتیگراد
• آستین های PTFE: از نظر شیمیایی بی اثر، عالی برای محیط های دریایی و شیمیایی
• واشر نئوپرن: انعطاف پذیر، مناسب برای اتصالات ساختاری که نیاز به میرایی لرزش دارند.

ترکیبات ضد خوردگی و درزگیرهای مفصلی

استفاده از یک ترکیب غیر رسانا یا درزگیر به سوراخ پیچ و سطوح تماس قبل از مونتاژ، رطوبت را از اتصال حذف می کند و به طور مستقیم به وضعیت الکترولیت رسیدگی می کند. مواد متداول مورد استفاده عبارتند از:

• آغازگر روی کرومات یا پرایمر غنی از روی: به آلومینیوم اطراف سوراخ پیچ در کاربردهای هوافضا و دفاعی ساختاری اعمال می شود. حتی اگر پوشش خراشیده شود، محافظت فداکارانه ای را ارائه می دهد.
• درزگیر پلی سولفید: به طور گسترده در سازه های آلومینیومی هوافضا و دریایی استفاده می شود. تمام فضاهای خالی را پر می کند و برای همیشه آب را از رابط مشترک خارج می کند.
• ترکیب ضد تشنج مبتنی بر لانولین: یک انتخاب عملی برای محیط های تعمیر و نگهداری که در آن پیچ ها به طور دوره ای برداشته می شوند. همچنین از گیر کردن پیچ فولادی ضد زنگ در رزوه آلومینیومی به دلیل گاز گرفتن جلوگیری می کند.
• درزگیر سیلیکونی: یک گزینه به طور گسترده در دسترس برای ساخت و ساز عمومی؛ پس از سفت شدن در اطراف محیط سر پیچ اعمال می شود تا محیط اتصال در برابر نفوذ آب آب بندی شود.

آندایز کردن آلومینیوم

آندایز کردن یک لایه اکسید آلومینیوم ضخیم و سخت (معمولاً 5-25 میکرومتر برای نوع II؛ 25-75 میکرومتر برای آنودایز سخت نوع III) تولید می کند که از نظر الکتریکی نارسانا است. سطح آلومینیوم آنودایز شده در تماس مستقیم با پیچ فولادی ضد زنگ به طور قابل توجهی کمتر در معرض خوردگی گالوانیکی است زیرا لایه اکسید مسیر الکتریکی را قطع می کند. با این حال، آندایزینگ در دیوارهای سوراخ تراش خورده و لبه های برش خورده به خطر می افتد جایی که فلز پایه در معرض دید قرار می گیرد، بنابراین استفاده از درزگیر در این نقاط همچنان در محیط های مرطوب توصیه می شود.

انتخاب یک ماده اتصال دهنده سازگارتر

در کاربردهایی که جداسازی غیرعملی است یا دسترسی طولانی مدت به تعمیر و نگهداری محدود است، جابجایی به مواد اتصال دهنده سازگارتر با گالوانیکی مشکل را در مرحله طراحی برطرف می کند:

• پیچ و مهره های آلومینیومی: اختلاف پتانسیل گالوانیکی صفر مناسب برای کاربردهای کم بار و غیر سازه ای. استحکام محدود (حدود 300 مگاپاسکال کششی برای پیچ و مهره های آلیاژ آلومینیوم 2024 در مقابل 700 مگاپاسکال برای فولاد ضد زنگ).
• پیچ و مهره تیتانیوم: نزدیک به فولاد ضد زنگ در سری گالوانیکی بنشینید، اما درایو گالوانیکی کمتری نسبت به فولاد ضد زنگ در برابر آلومینیوم تولید کنید. در هوافضا و کاربردهای دریایی با کارایی بالا استفاده می شود که در آن صرفه جویی در وزن حق بیمه هزینه را توجیه می کند (معمولاً 5-10× قیمت پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ).
• پیچ و مهره های فولادی گالوانیزه گرم: روکش روی هم نسبت به فولاد و هم آلومینیوم آندی است و محافظت فداکارانه ای را ارائه می دهد. یک انتخاب عملی برای اتصالات ساختاری فولاد به آلومینیوم در ساخت و سازهایی که ایزوله کامل مشخص نشده است.

یک مشکل ثانویه: بین پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ و رزوه های آلومینیومی

خوردگی گالوانیکی تنها نگرانی در هنگام رزوه کشی پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ به آلومینیوم نیست. گند زدن - جوش سرد نیز نامیده می شود - زمانی اتفاق می افتد که رزوه پیچ فولادی ضد زنگ پاره می شود و تحت فشار و گرمای ایجاد شده در حین سفت شدن به رزوه آلومینیوم نرم تر جوش می خورد. نتیجه یک بست محکم است که بدون از بین بردن نخ یا مواد اطراف آن جدا نمی شود.

فولاد ضد زنگ مخصوصاً مستعد داغ شدن است زیرا لایه اکسید غیرفعال آن در اثر اصطکاک شکسته می شود و فلز لختی را که به صورت سرد به سطح جفت می شود در معرض دید قرار می دهد. وقتی این اتفاق در یک سوراخ آلومینیومی می افتد، نخ آلومینیوم - که ماده نرم تری است - معمولاً از بین می رود.

جلوگیری از گند زدگی در اتصالات رزوه ای آلومینیومی

• از روان کننده ضد گیر استفاده کنید: ترکیب ضد گیره مبتنی بر نیکل، بر پایه مس یا دی سولفید مولیبدن (MoS2) که قبل از نصب روی رزوه پیچ اعمال می شود، تنها موثرترین مرحله پیشگیرانه است. ضریب اصطکاک را 40 تا 60 درصد در مقایسه با مونتاژ خشک کاهش می دهد.
• از درج های رشته ای استفاده کنید: درج‌های رزوه‌ای از جنس استنلس استیل Helicoil یا Keensert که در آلومینیوم نصب شده‌اند، رابط رزوه‌ای از ضد زنگ به ضد زنگ را ایجاد می‌کنند که هم خطر سوزش و هم آسیب نخ آلومینیوم را از بین می‌برد. این یک روش استاندارد در مجموعه های آلومینیومی هوافضا و خودرو است.
• کنترل گشتاور نصب: گشتاور بیش از حد به طور چشمگیری خطر صفراوی را افزایش می دهد. همیشه از یک آچار گشتاور کالیبره شده استفاده کنید و از مشخصات گشتاور سازنده پیروی کنید - که برای پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در آلومینیوم معمولاً 15 تا 25 درصد کمتر از مقدار گشتاور استاندارد فولاد ضد زنگ برای در نظر گرفتن قدرت تحمل کمتر آلومینیوم.
• از درگیری کافی رشته اطمینان حاصل کنید: برای توزیع بار و کاهش تنش رزوه واحد، حداقل درگیری رزوه با قطر پیچ 1.5× برای آلومینیوم توصیه می شود. برای اتصالات سازه ای بحرانی، قطر 2× ترجیح داده می شود.

دستورالعمل های نصب عملی برای پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در آلومینیوم

پیروی از یک فرآیند نصب ثابت به طور قابل توجهی خطرات گالوانیکی و مکانیکی را کاهش می دهد. مراحل زیر برای اتصالات سازه ای در فضای باز که در آن قرار گرفتن در معرض رطوبت مورد انتظار است اعمال می شود - سخت ترین سناریوی رایج.

1. انتخاب کنید 316 پیچ استیل ضد زنگ برای کاربردهای دریایی یا ساحلی؛ 304/18-8 برای اکثر محیط های بیرونی دیگر کافی است.
2. واشرهای جداکننده PTFE یا نایلونی را زیر سر پیچ و مهره نصب کنید و در صورت نیاز به عایق الکتریکی، یک غلاف PTFE از سوراخ پیچ نصب کنید.
3. قبل از وارد کردن پیچ، ترکیب ضد گیر (MoS2 یا مبتنی بر نیکل) را روی رزوه‌های پیچ بمالید تا از گند زدگی جلوگیری شود.
4. یک مهره از پلی سولفید یا درزگیر سیلیکونی را در اطراف محیط سر پیچ و مهره پس از سفت کردن بمالید تا در برابر نفوذ رطوبت آب بندی شود.
5. گشتاور به مقدار مشخص شده برای درجه و قطر پیچ - از آچار گشتاور استفاده کنید، نه از یک محرک ضربه ای.
6. مفصل را سالانه در محیط های پر نور بازرسی کنید. در صورت مشاهده ترک خوردگی یا انقباض، درزگیر را مجدداً بمالید.

به دنبال این ترتیب، پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ را می توان به طور قابل اعتماد در سازه های آلومینیومی برای عمر مفید استفاده کرد. 20-30 سال یا بیشتر ، حتی در محیط های ساحلی - همانطور که با عملکرد طولانی مدت سیستم های نصب خورشیدی با قاب آلومینیومی و سیستم های روکش معماری درجه یک در سطح جهان نشان داده شده است.

سوالات متداول در مورد پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ و سازگاری آلومینیوم

آیا پیچ فولادی ضد زنگ هنگام استفاده در آلومینیوم دچار خوردگی می شود؟

خیر. در یک جفت گالوانیکی بین فولاد ضد زنگ و آلومینیوم، فولاد ضد زنگ فلز نجیب تر (کاتدی) است و محافظت می شود. پیچ فولاد ضد زنگ به خودی خود خورده نمی شود - فقط آلومینیوم اطراف ممکن است تحت تأثیر قرار گیرد. به همین دلیل است که پیچ‌های فولادی ضد زنگ حتی در مجموعه‌هایی که آلومینیوم اطراف سوراخ پیچ نشانه‌هایی از خوردگی پودری سفید (هیدروکسید آلومینیوم) را نشان می‌دهد، از نظر ساختاری دست نخورده باقی می‌مانند.

آیا فولاد ضد زنگ 304 یا 316 برای اتصالات آلومینیومی در فضای باز بهتر است؟

برای استفاده عمومی در فضای باز در فاصله بیش از 1 کیلومتری از ساحل، 304 پیچ فولادی ضد زنگ مناسب و مقرون به صرفه تر هستند. در 1 کیلومتری آب شور، یا برای هر کاربرد در معرض نمک های یخ زدا (نمک جاده، تصفیه پیاده رو)، فولاد ضد زنگ 316 انتخاب صحیحی است . افزودن 2% مولیبدن در 316 به طور خاص در برابر خوردگی شکاف ناشی از کلرید مقاومت می کند، که می تواند در ناحیه تماس تنگ بین پیچ و آلومینیوم حتی با ایزولاسیون خوب رخ دهد.

آیا می توان از پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ با همه آلیاژهای آلومینیوم استفاده کرد؟

بله، رابطه گالوانیکی در بین آلیاژهای آلومینیوم سازگار است - همه در یک محدوده کلی در سری گالوانیکی نسبت به فولاد ضد زنگ قرار دارند. با این حال، برخی از آلیاژهای آلومینیوم ذاتاً نسبت به سایرین در برابر خوردگی مقاوم‌تر هستند: آلیاژهای سری 5000 (دریایی) و سری 6000 نسبت به سری 2000 (حاوی مس) و سری 7000 (سری آلیاژهای حاوی روی و کورروگال فعال‌تر که دارای کنتاکت بیشتر و حاوی کورروگال فعال‌تر هستند) به طور قابل توجهی در برابر خوردگی مقاوم‌تر هستند. با فولاد ضد زنگ در محیط های مرطوب.