پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ در آلومینیوم: درجه ها، خطر گالوانیکی و پیشگیری

چرا مهندسان پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ را برای مجموعه های آلومینیومی انتخاب می کنند؟

آلومینیوم به یک دلیل ساده بر طراحی ساختاری مدرن غالب است: نسبت مقاومت به وزن استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی طبیعی و سهولت ساخت را ارائه می دهد. از روسازه‌های دریایی و قاب‌های نصب خورشیدی گرفته تا نماهای دیوار پرده و زیرفراب‌های خودرو، اجزای آلیاژ آلومینیوم در هر جایی که کاهش وزن در اولویت طراحی باشد ظاهر می‌شوند. چالش این است که آنها را ایمن ببندید.

اتصال دهنده های آلومینیومی وجود دارند، اما فاقد استحکام کششی و سختی مورد نیاز در اتصالات سخت هستند - به ویژه در مواردی که لرزش، بارگذاری دینامیکی، یا مونتاژ و جداسازی مکرر از عوامل هستند. پیچ و مهره های فولاد کربنی استحکام را ارائه می دهند، اما در همان محیط های مرطوب و بیرونی که آلومینیوم برتری دارد، به راحتی خورده می شوند. پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ این تضاد را حل کنید: آنها از نظر استحکام با فولاد کربنی مطابقت دارند یا از آن فراتر می روند در حالی که در برابر خوردگی اتمسفر مقاومت می کنند و آنها را به گزینه ای عملی برای اکثریت قریب به اتفاق کاربردهای مونتاژ آلومینیوم تبدیل می کند.

جفت شدن در سراسر صنایع ظاهر می شود. سیستم های قفسه بندی پنل های خورشیدی بست های ضد زنگ را به ریل های آلومینیومی اکسترود شده می پیچند. سخت افزار عرشه دریایی از طریق صفحه آلومینیومی با پیچ های شش گوش ضد زنگ لنگر می گیرد. سیستم‌های روکش معماری، پانل‌های آلومینیومی را با استفاده از تثبیت‌کننده‌های ضدزنگ که برای عمر مفید ساختمان بدون تعویض طراحی شده‌اند، می‌بندند. در هر مورد، این ترکیب کار می کند - به شرطی که مهندسان یک خطر مهم جفت شدن را درک و مدیریت کنند: خوردگی گالوانیکی. کاوش طیف کاملی از پیچ های سر شش گوش از جنس استنلس استیل برای چسباندن ساختاری مناسب برای برنامه های مونتاژ آلومینیوم.

مشکل خوردگی گالوانیکی توضیح داده شد

خوردگی گالوانیکی یک نگرانی تئوری نیست - این یک مکانیسم خرابی مستند است که ساختارها را در معرض خطر قرار می دهد، ضمانت ها را باطل می کند و هنگامی که در مرحله طراحی نادیده گرفته می شود باعث بازسازی گران قیمت می شود. درک اینکه چرا رخ می دهد اولین گام برای جلوگیری از آن است.

برای ایجاد خوردگی گالوانیکی باید سه شرط به طور همزمان وجود داشته باشد: دو فلز الکتروشیمیایی غیرمشابه باید در تماس باشند، یک مسیر رسانای الکتریکی باید آنها را به هم متصل کند، و یک الکترولیت مایع باید برای حمل یون بین فلزات وجود داشته باشد. هر یک از این سه حالت را حذف کنید و خوردگی گالوانیکی را متوقف کنید. این اساس عملی هر استراتژی پیشگیری است.

در جفت فولاد ضد زنگ / آلومینیوم، موقعیت های الکتروشیمیایی این دو فلز به خوبی از هم جدا شده اند. آلومینیوم به سمت انتهای فعال (آندی) سری گالوانیکی قرار می گیرد، در حالی که فولاد ضد زنگ به سمت انتهای نجیب (کاتدی) قرار می گیرد. اختلاف پتانسیل بین آنها تقریباً است 0.5 ولت در اکثر محیط ها - شکافی به اندازه کافی بزرگ برای ایجاد جریان خوردگی معنی دار هنگامی که رطوبت روی اتصال پل می زند. نتیجه این است که آلومینیوم، به عنوان فلز کمتر نجیب، آند می شود و ترجیحاً خورده می شود، در حالی که پیچ فولادی ضد زنگ محافظت می شود. چارچوب مرجع برای ارزیابی این خطرات است ASTM G82، راهنمای استاندارد برای توسعه و استفاده از نمودارهای سری گالوانیکی برای پیش‌بینی عملکرد خوردگی فلزات غیرمشابه .

سرعت حمله گالوانیکی به شدت به محیط بستگی دارد. در شرایط داخلی خشک، خطر ناچیز است - بدون الکترولیت، هیچ سلول خوردگی تشکیل نمی شود. در محیط‌های مرطوب بیرونی و به‌ویژه در محیط‌های دریایی یا ساحلی که رطوبت مملو از نمک تقریباً ثابت است، همان مفصل می‌تواند به سرعت تخریب شود. اتمسفرهای صنعتی با آلاینده های اسیدی این فرآیند را تسریع می کنند. مهندسان باید برای بدترین نوردهی معتبر طراحی کنند، نه شرایط متوسط.

یکی از عواملی که به نفع طراح عمل می کند، نسبت مساحت بین دو فلز است. خوردگی گالوانیکی حمله را در سطح سطح آندی توزیع می کند. یک پیچ کوچک ضد زنگ که یک پانل آلومینیومی بزرگ را می‌بندد، هر جریان گالوانیکی را در یک منطقه آلومینیومی قابل توجه پخش می‌کند و نرخ حمله محلی را پایین نگه می‌دارد. معکوس - بست های آلومینیومی کوچک در اجزای بزرگ ضد زنگ - حمله به یک آند کوچک را متمرکز می کند و منجر به شکست سریع می شود. به همین دلیل است که پیچ‌های ضد زنگ در سازه‌های آلومینیومی پیکربندی بسیار ایمن‌تری نسبت به پرچ‌های آلومینیومی در چارچوب‌های ضد زنگ دارند.

انتخاب درجه مناسب: SS304 در مقابل SS316

همه فولادهای ضد زنگ در تماس با آلومینیوم به طور یکسان عمل نمی کنند و انتخاب درجه ارتباط مستقیمی با یکپارچگی طولانی مدت اتصال دارد. دو درجه ای که در اکثریت قریب به اتفاق کاربردهای بست آلومینیومی ظاهر می شوند 304 و 316 هستند و انتخاب بین آنها توسط خورندگی محیط سرویس تعیین می شود.

درجه 304 (18٪ کروم، 8٪ نیکل) نیروی کار اتصال دهنده های ضد زنگ است. لایه اکسید کروم غیر فعال آن مقاومت در برابر خوردگی قابل اعتمادی را در محیط های جوی و خورنده خفیف ایجاد می کند. 304 برای مجموعه های آلومینیومی داخلی، سازه های فضای باز محافظت شده و کاربردها در آب و هوای قاره ای با رطوبت کم، عملکرد خوبی دارد و مزیت هزینه ای را نسبت به 316 ارائه می دهد. پیچ آلن SS304 و SS316 برای مونتاژهای دقیق هر دو درجه را در یک محدوده اندازه متریک کامل برای کاربردهایی که فاصله سر یک محدودیت طراحی است، پوشش دهد.

درجه 316 تقریباً 2-3٪ مولیبدن به ترکیب 304 اضافه می کند که به طور قابل توجهی مقاومت در برابر خوردگی حفره ای ناشی از کلرید را افزایش می دهد. در محیط‌های دریایی، مکان‌های ساحلی در چند کیلومتری دریا، سازه‌های استخر و هر کاربرد که در آن نمک جاده یا مواد شیمیایی یخ‌زدا وجود دارد، 316 حداقل مشخصات قابل قبول است. مقاومت بالای حفره ای آن به این معنی است که لایه غیرفعال تحت شرایط حمله کلرید که 304 شروع به خوردگی می کند دست نخورده باقی می ماند.

یک نکته مهم اما اغلب نادیده گرفته می شود: این مقاومت در برابر خوردگی پیچ فولادی ضد زنگ است که برای طول عمر اتصال مهم است، نه فقط اشراف الکتروشیمیایی آن نسبت به آلومینیوم. پیچ 304 که در یک محیط غنی از کلرید حفره‌های سطحی ایجاد می‌کند ممکن است حالت غیرفعال‌شده خود را از دست بدهد و شروع به خوردگی کند - هدف از مشخصات ضد زنگ را کاملاً شکست می‌دهد. در محیط های تهاجمی، هزینه اضافی 316 به طور مداوم با نتایج عمر مفید توجیه می شود.

استراتژی های جداسازی برای جلوگیری از حمله گالوانیکی

انتخاب درجه به تنهایی از خوردگی گالوانیکی جلوگیری نمی کند - فقط میزان خوردگی خود پیچ ضد زنگ را کنترل می کند. محافظت از آلومینیوم در برابر حمله گالوانیکی مستلزم شکستن یکی از سه شرایطی است که به سلول خوردگی اجازه کار می دهد. در عمل، قابل اعتمادترین روش عایق الکتریکی است: جداسازی فیزیکی فولاد ضد زنگ از آلومینیوم به طوری که تماس مستقیم فلز با فلز هرگز رخ ندهد.

تنها مهم ترین جزء جداسازی یک است آستین عایق - یک لوله نایلونی یا PTFE که در اطراف ساقه پیچ و از سوراخ آلومینیومی نصب شده است. بدون این آستین، رزوه‌های پیچ و ساقه در تماس مستقیم با سوراخ آلومینیومی در سراسر عمق سوراخ کامل باقی می‌مانند و مدار گالوانیکی را بدون توجه به واشرهایی که در سر یا روی مهره قرار می‌گیرند تکمیل می‌کنند. یک خطای رایج نصب این است که فقط یک واشر نایلونی زیر سر پیچ قرار می‌دهید در حالی که ساقه در تماس با آلومینیوم قرار می‌گیرد - این تقریبا هیچ محافظتی را ایجاد نمی‌کند. جداسازی مناسب با اتصال دهنده به عنوان یک سیستم رفتار می کند: آستین دور ساق، واشرهای عایق در هر دو وجه یاتاقان و درزگیر برای جلوگیری از رطوبت از شکاف مفصل.

واشر تخت فولاد ضد زنگ برای توزیع بار و جداسازی در اتصالات آلومینیومی عملکرد دوگانه ای دارند: آنها بار گیره را در یک منطقه یاتاقان بزرگتر توزیع می کنند (کاهش غلظت تنش در آلومینیوم نرم تر) و هنگامی که در نایلون یا PTFE مشخص می شود، مسیر الکتریکی در سر پیچ و سطوح بلبرینگ مهره را می شکند. برای اتصالاتی که واشرهای فلزی به دلایل باربری مورد نیاز هستند، یک لایه نازک PTFE یا لایه ماستیک بین واشر و سطح آلومینیومی به همان شکست الکتریکی بدون از بین بردن ناحیه تحمل می‌رسد.

کاربرد درزگیر در رابط مشترک مستحق توجه یکسان است. رطوبت وارد شده به اتصال پیچ شده از طریق عملکرد مویرگی، الکترولیت مورد نیاز برای فعال کردن یک سلول گالوانیکی را فراهم می کند. استفاده از یک درزگیر انعطاف پذیر و غیر رسانا - پلی سولفید، سیلیکون یا پلی اورتان بسته به کاربرد - در اطراف محیط سوراخ پیچ قبل از مونتاژ این مسیر ورودی را حذف می کند. در سازه های آلومینیومی در فضای باز، این جزئیات واحد اغلب تعیین می کند که یک اتصال 5 سال یا 25 سال دوام می آورد.

ترکیبات ضد تشنج یک اقدام مکمل ارائه می دهند. قبل از مونتاژ در آلومینیوم روی رزوه های ضد زنگ اعمال می شود، درگیری را روغن کاری می کنند، در حین نصب مانع از ایجاد ضربه می شوند و مانعی غیر رسانا در سطح مشترک رزوه ایجاد می کنند. برای این کاربرد از ضد چسبندگی بر پایه مس خودداری کنید - مس حتی از فولاد ضد زنگ در سری گالوانیکی نجیب‌تر است و در صورت ورود به مفصل، خوردگی آلومینیوم را تسریع می‌کند. ضد تشنج مبتنی بر نیکل یا PTFE انتخاب های مناسبی هستند.

درگیری با موضوع و ملاحظات مکانیکی

خوردگی گالوانیکی مهمترین چالش در اتصالات آلومینیومی ضد زنگ است، اما عوامل مکانیکی مستحق توجه مهندسی یکسان هستند. آلیاژهای آلومینیوم به طور قابل توجهی نرم تر از فولاد ضد زنگ هستند - آلومینیوم معمولی 6061-T6 دارای سختی حدود 95 HB در مقابل 160-200 HB برای 304 زنگ نزن است - و این تفاوت بر نحوه رفتار رزوه ها تحت بار تأثیر می گذارد.

قاعده مهندسی استاندارد برای پیچ و مهره در سوراخ های آلومینیومی این است قانون درگیری با نخ دوبعدی : عمق درگیری رزوه باید حداقل دو برابر قطر اسمی پیچ باشد. اتصال استاندارد فولاد به فولاد برای استحکام معادل فقط به درگیری 1 بعدی نیاز دارد، اما مقاومت برشی کمتر آلومینیوم به این معنی است که خطر درگیری کوتاه‌تر باعث جدا شدن نخ تحت بارهای گیره‌ای است که پیچ‌های ضد زنگ می‌توانند ایجاد کنند. برای پیچ M10 که به آلومینیوم رزوه می شود، این به معنای حداقل عمق درگیری 20 میلی متر است. در جاهایی که ضخامت آلومینیوم کافی نیست، رزوه های فولادی یا فولادی ضد زنگ (هلیکویل یا درج های جامد) استحکام کامل رزوه را بدون نیاز به ضخامت مواد اضافی باز می گرداند.

کنترل گشتاور بسیار مهم است. پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ ضریب اصطکاک کمتری نسبت به فولاد کربنی دارند، که اگر جداول گشتاور استاندارد برای فولاد کربنی بدون تنظیم اعمال شود، می تواند منجر به کاهش گشتاور شود. اتصالات کم گشتاور در سازه های آلومینیومی یک خطر خستگی هستند - بار ناکافی گیره باعث ایجاد خراش بین سطوح اتصال می شود که هم سایش و هم خوردگی را تسریع می کند. استفاده از ابزارهای گشتاور کالیبره شده و مقادیر گشتاور مخصوص ضد زنگ سازنده بست، عمل صحیحی است.

عدم تطابق انبساط حرارتی یک ملاحظات طولانی مدت را اضافه می کند. آلومینیوم دارای ضریب انبساط حرارتی (CTE) تقریباً 23 میکرومتر بر متر · درجه سانتیگراد است، در حالی که فولاد ضد زنگ حدود 17 میکرومتر / متر · درجه سانتیگراد است. در مجموعه هایی که در معرض چرخه دما هستند - سازه های خورشیدی، اجزای خودرو، عناصر معماری در فضای باز - این تفاوت 35 درصدی در نرخ انبساط به این معنی است که پیچ و سازه آلومینیومی به طور مداوم نسبت به یکدیگر در حال حرکت هستند. با گذشت زمان، این می تواند بار گیره را کاهش دهد و در رابط مشترک ایجاد کند. واشر فنری استیل ضد زنگ برای اتصالات مقاوم در برابر لرزش یک عنصر حفظ پیش بار کنترل شده را فراهم می کند که این آرامش تدریجی را جبران می کند و یکپارچگی مفصل را در طول چرخه های حرارتی حفظ می کند.

خلاصه برنامه های کاربردی صنعت و بهترین روش

ترکیب پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ و ساختار آلومینیوم در طیف گسترده ای از صنایع ظاهر می شود و جزئیات بهترین عملکرد بسته به محیط کاربرد متفاوت است.

دریایی و فراساحلی برنامه های کاربردی خواستارترین انتهای طیف هستند. اسپری نمک، رطوبت ثابت و غوطه وری بالقوه، خطر گالوانیکی را به حداکثر می رساند. درجه 316 حداقل مشخصات است. در مناطق پاشش یا غوطه ور شدن مداوم، نمرات ضد زنگ دوبلکس محافظت بیشتری را ارائه می دهند. کیت های ایزولاسیون کامل با آستین و واشر PTFE، همراه با درزگیر پلی سولفید در تمام رابط های مشترک، روش استاندارد هستند. بازرسی دوره ای و گشتاور مجدد در برنامه تعمیر و نگهداری ضروری است - محیط های دریایی نسبت به تعمیر و نگهداری معوق نابخشودنی هستند.

سازه های انرژی خورشیدی در دهه گذشته باعث پذیرش قابل توجه اتصالات آلومینیومی ضد زنگ شده است، زیرا سیستم های قفسه بندی روی زمین و پشت بام به طور گسترده از اکستروژن آلومینیوم استفاده می کنند. در اکثر تاسیسات خورشیدی مستقر در زمین در فواصل متوسط ​​از ساحل، ضد زنگ 304 در طول عمر سیستم 25 تا 30 ساله زمانی که با جداسازی اولیه در نقاط تماس ترکیب می‌شود، عملکرد مناسبی دارد. پروژه های خورشیدی ساحلی باید 316 را در کل مشخص کنند. الزامات حجمی پروژه های خورشیدی، کیت های اتصال دهنده استاندارد - پیچ، واشر، عنصر عایق - را به یک رویکرد خرید عملی تبدیل می کند.

پوشش های معماری و نما شامل سیستم های پانل آلومینیومی با اتصالات ضد زنگ است که برای عمر ساختمان 50 سال یا بیشتر باید بدون نیاز به تعمیر و نگهداری عمل کنند. یکپارچگی درزگیر در این کاربردها بسیار مهم است، زیرا آبی که در اتصال نما نفوذ می کند جایی برای تخلیه سریع ندارد و برای مدت طولانی با مجموعه اتصال دهنده در تماس باقی می ماند. بازرسی منظم نما باید شامل بررسی وضعیت اتصال دهنده ها باشد، به ویژه در مسیرهای پایین تر که روان آب باران در آن متمرکز می شود.

خودرو و حمل و نقل برنامه های کاربردی، پانل های آلومینیومی بدنه و اجزای ساختاری را با اتصال دهنده های ضد زنگ جفت می کنند تا وزن را مدیریت کنند و در عین حال دوام مفصل را از طریق چرخه های شستشو، دمای شدید و قرار گرفتن در معرض نمک جاده حفظ کنند. استفاده از درج نخ در آلومینیوم خودرو نسبت به سایر بخش‌ها رایج‌تر است، که منعکس‌کننده چرخه‌های بار بالاتر و تحمل‌های گشتاور محدودتر است.

تکمیل سیستم بست با مسائل سخت افزاری همسان. مشخص کردن مهره های شش گوش فولادی ضد زنگ برای کامل کردن سیستم های بست مقاوم در برابر خوردگی اطمینان حاصل می‌کند که مهره و پیچ از یک خانواده فلزی هستند - مخلوط کردن گریدها یا استفاده از مهره‌های فولاد کربنی با پیچ‌های ضدزنگ، جفت‌های گالوانیکی جدیدی را در سطح مهره معرفی می‌کند که حفاظت به‌دست‌آمده در نقاط دیگر اتصال را تضعیف می‌کند. یک مجموعه بست ثابت و تمام ضد زنگ - پیچ، واشر و مهره - پایه عملی یک اتصال آلومینیومی بادوام است.