Bu lông, đai ốc, ốc vít và các ốc vít khác dễ bị ăn mòn xuống cấp sau thời gian sử dụng lâu dài, làm suy giảm độ ổn định và an toàn của các kết nối cơ học. Trong giai đoạn thiết kế sản phẩm, các kỹ sư phải lựa chọn cẩn thận vật liệu, lớp mạ bề mặt và lớp phủ bảo vệ theo môi trường sử dụng thực tế để giảm thiểu sự ăn mòn, ngăn ngừa suy giảm hiệu suất và mất tuổi thọ sử dụng, đồng thời đảm bảo độ tin cậy vận hành chung của thiết bị cơ khí. Bài viết này trình bày một cách có hệ thống các phương thức ăn mòn phổ biến, cơ chế bên trong và nguyên lý bảo vệ của lớp phủ bề mặt cho ốc vít, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho việc lựa chọn vật liệu và tối ưu hóa chống ăn mòn của các sản phẩm ốc vít.

1. Khái niệm cơ bản về ăn mòn

Ăn mòn kim loại đề cập đến sự xuống cấp hủy diệt của chất nền kim loại do tương tác hóa học hoặc điện hóa với môi trường xung quanh và đây là một trong những chế độ hư hỏng phổ biến nhất của ốc vít cơ học.

Ăn mòn hóa học thuần túy xảy ra khi các ốc vít tiếp xúc trực tiếp với các chất hóa học ăn mòn mà không có sự tham gia của dòng điện. Ví dụ, chất điện phân của pin bị rò rỉ có thể ăn mòn trực tiếp bề mặt dây buộc và làm hỏng vật liệu nền. Trong dịch vụ công nghiệp thực tế, hầu hết các hư hỏng do ăn mòn của ốc vít đều là do phản ứng điện hóa gián tiếp, điển hình bao gồm gỉ thép và ăn mòn điện.

Sự lan truyền ăn mòn trong ốc vít giống như sự phân hủy của răng. Nó bắt nguồn từ những khiếm khuyết cực nhỏ không thể nhìn thấy và lây lan nhanh chóng, dần dần làm xói mòn tính toàn vẹn cấu trúc của các mối nối ren. Sự ăn mòn tăng dần làm tiêu hao nền kim loại, làm giảm độ bền cơ học và cuối cùng dẫn đến lỏng hoặc gãy các ốc vít. Ngoài ra, phản ứng điện hóa cũng có thể gây ra hiện tượng ăn mòn cho các bộ phận được kết nối liền kề.

Ngoài sự suy giảm cường độ thông thường, ăn mòn có thể gây ra hai loại hư hỏng đặc biệt. Đầu tiên là các hư hỏng do ăn mòn do ứng suất gây ra như hiện tượng giòn do hydro dưới tác động kết hợp của ăn mòn và ứng suất kéo. Thứ hai là hư hỏng do mỏi do ăn mòn, trong đó các vết nứt nhỏ sinh ra tại các vùng bị ăn mòn mở rộng liên tục dưới các tải trọng xen kẽ và cuối cùng gây ra đứt gãy do mỏi của các ốc vít.

Lựa chọn vật liệu không đúng cách là nguyên nhân chính gây ra sự ăn mòn hóa học. Ăn mòn hóa học xảy ra khi vật liệu làm dây buộc hòa tan trong môi trường ăn mòn. Chẳng hạn, thông thườngbu lông thép cacbonsẽ nhanh chóng bị hòa tan và bị ăn mòn khi tiếp xúc với axit clohydric. Đối với môi trường ăn mòn nghiêm trọng và có thể dự đoán được, các hợp kim chống ăn mòn như thép không gỉ và hợp kim gốc niken được ưu tiên. Trong khi đó, lớp phủ bảo vệ dày đặc và không thấm nước có thể được sử dụng để cách ly cơ bản môi trường ăn mòn và tránh ăn mòn hóa học.

Trong các ứng dụng công nghiệp, sự ăn mòn dây buộc bị chi phối bởi sự ăn mòn điện hóa do dòng điện tự phát cực nhỏ gây ra, có tốc độ lan truyền nhanh hơn và phạm vi hư hỏng rộng hơn. Ăn mòn điện hóa phụ thuộc vào bốn điều kiện không thể thiếu: vùng cực dương và cực âm, môi trường điện phân dẫn điện, hiệu điện thế và vòng dẫn điện khép kín. Ăn mòn điện hóa liên tục sẽ diễn ra khi tất cả các điều kiện được thỏa mãn.

1.1 Cơ chế ăn mòn của thép cacbon

Rỉ sét là hình thức ăn mòn điện hóa điển hình và cơ bản nhất đối với vật liệu thép. Khi các giọt nước bám vào bề mặt thép, một sự khác biệt tiềm năng sẽ hình thành ở bề mặt tiếp xúc giữa nền thép và chất điện phân nước, tạo ra dòng điện vi mô và bắt đầu phản ứng rỉ sét. Phản ứng oxy hóa xảy ra ở vùng cực dương, nơi các nguyên tử sắt bị ion hóa và hòa tan vào chất điện phân. Tương ứng, các phản ứng khử diễn ra ở vùng cực âm, nơi oxy trong khí quyển phản ứng với nước tạo ra các ion hydroxit.

Các ion sắt kết hợp với các ion hydroxit trong chất điện phân, tạo thành cặn oxit sắt, cụ thể là rỉ sét, trên bề mặt dây buộc. Tiếp xúc lâu dài với môi trường ẩm ướt sẽ duy trì phản ứng điện hóa tuần hoàn, dẫn đến xói mòn bề mặt liên tục và suy giảm ăn mòn tiến triển.

1.2 Ăn mòn điện

Ăn mòn điện, còn được định nghĩa là ăn mòn kim loại khác nhau, là chế độ ăn mòn điện hóa điển hình. Phù hợp với ăn mòn điện hóa nói chung, nó đòi hỏi bốn điều kiện thiết yếu: cực dương, cực âm, chất điện phân và hiệu điện thế. Một vòng ăn mòn khép kín được hình thành khi hai kim loại khác nhau có điện thế khác nhau tiếp xúc trực tiếp.

Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc với chất điện phân, kim loại có điện thế cao hơn đóng vai trò là cực âm, trong khi kim loại có điện thế thấp hơn đóng vai trò là cực dương. Trong vòng kín, các nguyên tử của kim loại anốt liên tục bị ion hóa và tiêu thụ, dẫn đến hiện tượng ăn mòn ngày càng nghiêm trọng. Sự chênh lệch điện thế lớn hơn giữa hai kim loại sẽ tăng tốc và làm trầm trọng thêm sự ăn mòn điện.

Bảng dãy điện là hướng dẫn quan trọng để thiết kế các ốc vít chống ăn mòn. Vị trí của mỗi kim loại trong bảng biểu thị mức điện cực của nó. Hai kim loại càng cách xa nhau trong chuỗi thì hiệu điện thế của chúng càng lớn và nguy cơ ăn mòn điện càng cao. Ví dụ, hợp kim magie và bạch kim nằm ở hai đầu cuối của dãy, khiến chúng trở thành một tổ hợp lắp ráp không tương thích. Ngược lại, các kim loại có giá trị tiềm năng tương tự tạo ra phản ứng điện hóa không đáng kể và có nguy cơ ăn mòn thấp.

Mức độ nghiêm trọng của sự ăn mòn điện được xác định bởi ba yếu tố cốt lõi:

(1) Chênh lệch điện thế: Khoảng cách giữa hai kim loại trong dãy điện xác định trực tiếp mức độ ăn mòn. Sự kết hợp giữa các bộ phận bằng nhôm và các bộ phận bằng thép không gỉ 316 chịu sự ăn mòn điện nghiêm trọng hơn so với sự kết hợp của các bộ phận bằng thép cacbon và thiếc.

(2) Hoạt tính của chất điện phân: Nồng độ ion cao hơn giúp cải thiện độ dẫn điện của chất điện phân và đẩy nhanh các phản ứng ăn mòn. Nước muối chứa nhiều ion và đóng vai trò là chất điện phân hoạt động mạnh hơn nhiều so với nước khử ion, dẫn đến ăn mòn điện nhanh hơn trong môi trường muối.

(3) Tỷ lệ diện tích cực âm-cực dương: Diện tích cực âm lớn hơn so với cực dương làm tăng đáng kể sự ăn mòn anốt. Ví dụ, các ốc vít bằng nhôm nhỏ được lắp ráp trên các tấm thép không gỉ lớn hoạt động như các cực dương nhỏ và bị ăn mòn nhanh chóng trong môi trường điện phân. Ngược lại, nhỏốc vít bằng thép không gỉ kết hợp với các tấm nhôm lớn tạo thành một vùng cực âm nhỏ, hạn chế sự ăn mòn ở cạnh tiếp xúc và giảm thiểu hư hỏng tổng thể.

1.3 Ăn mòn đáng lo ngại

Ăn mòn dai dẳng là một dạng ăn mòn không hóa học và không điện hóa đặc biệt, thường xảy ra trong điều kiện ma sát tải cao. Trượt tương đối và nén liên tục giữa các bề mặt tiếp xúc làm mòn màng oxit bảo vệ tự nhiên của ốc vít. Chất nền kim loại tươi mới tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài và bị ăn mòn nhanh chóng.

Chốt làm bằng thép không gỉ, hợp kim nhôm và hợp kim titan rất nhạy cảm với sự ăn mòn. Bề mặt ổ trục và khu vực tiếp xúc ren của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào màng oxit bảo vệ để chống ăn mòn. Một khi các lớp oxit bị mòn đi, chất nền sẽ bị ăn mòn liên tục và tăng dần.

1.4 Ăn mòn kẽ hở

Ăn mòn kẽ hở là chế độ ăn mòn điện hóa cục bộ được che giấu. Nó xảy ra ở các khe hở kim loại hẹp, các góc vát, phần chuyển tiếp hồ quang và các khu vực dễ bị tích tụ bụi và giữ nước. Sự chênh lệch nồng độ của chất điện phân bên trong và bên ngoài các khe hở hẹp kích hoạt các phản ứng điện hóa cục bộ và gây ra sự ăn mòn có chọn lọc đối với chất nền kim loại bên trong.

Ăn mòn kẽ hở có tính chất cục bộ và khó phát hiện ở giai đoạn đầu, có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc nghiêm trọng sau khi tích tụ lâu dài. Trong khi đó, một lượng lớn hydro nguyên tử được tạo ra trong quá trình ăn mòn kẽ hở sẽ bị ma trận kim loại hấp thụ, dễ dàng tạo ra hiện tượng giòn hydro và làm tăng nguy cơ gãy của các ốc vít.

1.5 Ăn mòn rỗ

Ăn mòn rỗ là một dạng ăn mòn cục bộ cao, tạo ra các vết rỗ nhỏ trên bề mặt kim loại. Những khuyết tật vi mô ban đầu này dần dần sâu hơn và mở rộng thành các hố ăn mòn vĩ mô rõ ràng với các phản ứng ăn mòn kéo dài.

So với các chế độ ăn mòn khác, ăn mòn rỗ có ảnh hưởng hạn chế đến tính toàn vẹn cấu trúc tổng thể và hiệu suất cơ học của ốc vít mà không gây ra hư hỏng nhanh chóng. Cơ chế cốt lõi của nó nằm ở sự thiếu hụt oxy cục bộ trên bề mặt kim loại, hình thành các vùng anốt độc lập, gây ra các phản ứng điện hóa cục bộ và cuối cùng phát triển thành các hố ăn mòn sâu.

2. Cơ chế bảo vệ của ốc vít

Dựa trên các cơ chế ăn mòn ở trên, có thể áp dụng các biện pháp bảo vệ quy trình và tối ưu hóa cấu trúc có mục tiêu để cắt giảm các điều kiện ăn mòn và ngăn chặn các phản ứng điện hóa. Có bốn cơ chế bảo vệ chống ăn mòn cốt lõi cho ốc vít, có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp để đạt được hiệu suất chống ăn mòn tối ưu.

2.1 Cơ chế bảo vệ rào cản

Bảo vệ hàng rào là phương pháp chống ăn mòn cơ bản nhất. Một lớp phủ bảo vệ dày đặc và liên tục được phủ lên bề mặt kim loại để cách ly chất nền khỏi môi trường ăn mòn và chặn đường truyền ăn mòn. Tác dụng bảo vệ của nó phụ thuộc hoàn toàn vào tính toàn vẹn của lớp phủ. Lớp phủ nguyên vẹn mang lại khả năng bảo vệ chống ăn mòn ổn định lâu dài, trong khi các vết trầy xước, bong tróc hoặc mài mòn sẽ làm lộ lớp nền và ngay lập tức gây ra sự ăn mòn. Các ứng dụng điển hình bao gồm màng sơn và các lớp phủ bảo vệ phi kim loại khác.

2.2 Cơ chế bảo vệ cực dương hy sinh

Cơ chế bảo vệ cực dương hy sinh sử dụng lớp phủ bề mặt hoạt động mạnh hơn, ưu tiên ăn mòn để bảo vệ nền kim loại. Tác dụng bảo vệ này chỉ kéo dài khi lớp phủ hy sinh vẫn được hoàn thiện. Sau khi lớp phủ được tiêu thụ hoàn toàn, lớp nền sẽ lộ ra và bị ăn mòn. Lớp phủ mạ điện là một ứng dụng điển hình của cơ chế này, trong đó kẽm có hoạt tính hóa học cao hơn sẽ ăn mòn tốt hơn để bảo vệ nền thép carbon.

2.3 Cơ chế bảo vệ lớp thụ động

Bảo vệ thụ động dựa trên các màng oxit trơ, dày đặc được hình thành một cách tự nhiên trên bề mặt kim loại. Lớp thụ động ổn định về mặt hóa học cách ly môi trường ăn mòn bên ngoài và mang lại hiệu quả chống ăn mòn lâu dài.Chốtđược làm bằng thép không gỉ, hợp kim titan và hợp kim nhôm đạt được khả năng chống ăn mòn bền bỉ thông qua màng thụ động tự nhiên của chúng.

2.4 Cơ chế bảo vệ tự phục hồi

Bảo vệ tự phục hồi là một công nghệ chống ăn mòn tiên tiến và có độ tin cậy cao. Những hư hỏng nhẹ đối với lớp phủ bảo vệ hoặc màng thụ động có thể được sửa chữa tự nhiên trong môi trường tự nhiên để duy trì hiệu quả bảo vệ liên tục. Mặc dù phạm vi ứng dụng của nó còn hạn chế nhưng nó mang lại sự ổn định chống ăn mòn tuyệt vời. Màng thụ động của thép không gỉ austenit có khả năng tự phục hồi vượt trội, có thể tái tạo nhanh chóng sau những hư hỏng nhỏ và phục hồi khả năng chống ăn mòn.

3. Kết luận

Chốt có nhiều rủi ro ăn mòn bao gồm ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hóa, ăn mòn vết xước, ăn mòn kẽ hở và ăn mòn rỗ, tất cả đều làm hỏng tính toàn vẹn của cấu trúc và làm giảm độ tin cậy của kết nối. Do đó, các kỹ sư phải đánh giá đầy đủ các loại ăn mòn tiềm ẩn và rủi ro hỏng hóc theo điều kiện sử dụng và đặc điểm môi trường trong thiết kế kỹ thuật và ứng dụng thực tế. Lựa chọn vật liệu hợp lý, kết hợp lớp mạ và lớp phủ được tối ưu hóa cũng như cải tiến kết cấu có thể ngăn ngừa hoặc trì hoãn sự ăn mòn một cách hiệu quả, đảm bảo độ ổn định lâu dài của các kết nối ren và hoạt động an toàn của thiết bị cơ khí.