Właściwy wybór obróbki powierzchni ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu i wyborze elementów złącznych. Dostępnych jest wiele różnych procesów obróbki powierzchnielementy złączne. Projektanci powinni wybrać ekonomiczne i kompatybilne rozwiązania zgodnie z warunkami pracy, wymaganiami dotyczącymi odporności na korozję, wydajnością montażu, temperaturą otoczenia, normami ochrony środowiska i budżetami kosztów. Większość dostępnych na rynku elementów złącznych jest wykonana ze stali węglowej lub stopowej, które są podatne na korozję. Nawet elementy złączne wykonane z materiałów odpornych na korozję wymagają obróbki powierzchni w celu odizolowania mediów korozyjnych i opóźnienia utleniania.
Powłoki elementów złącznych muszą charakteryzować się dużą przyczepnością, brakiem odprysków podczas montażu i demontażu oraz odpowiednią grubością, która nie zakłóca połączenia gwintu. Ponadto granica odporności temperaturowej większości powłok jest niższa niż w przypadku podstawowego materiału stalowego; dlatego przy wyborze należy wziąć pod uwagę temperaturę pracy. Poza wyglądem i funkcjami antykorozyjnymi, obróbka powierzchni ma ogromny wpływ na skuteczność mocowania elementów złącznych, zwłaszcza na stałość siły napięcia wstępnego momentu obrotowego. Profesjonalny projekt kompleksowo równoważy odporność na korozję, możliwości produkcyjne montażu, stabilność operacyjną i zgodność z wymogami ochrony środowiska. W artykule przedstawiono główne procesy obróbki powierzchni elementów złącznych o dużej wytrzymałości i odporności na korozję.
1. Cynkowanie galwaniczne
Cynkowanie galwaniczne jest najpowszechniej stosowaną powłoką w przypadku komercyjnych elementów złącznych. Jest ekonomiczny, ma schludny wygląd i jest dostępny w wielu wykończeniach, w tym z białym cynkiem, żółtym cynkiem, czarnym cynkiem i oliwkowo-szarym. Jednakże oferuje stosunkowo słabą odporność na korozję wśród powłok na bazie cynku. Trwałość neutralnej mgły solnej (NSS) w przypadku konwencjonalnego cynkowania galwanicznego wynosi 72 godziny. Dzięki zaawansowanym środkom uszczelniającym odporność na mgłę solną może przekraczać 200 godzin, ale koszt jest od 5 do 8 razy wyższy niż w przypadku zwykłego cynkowania.
Proces galwanizacji łatwo powoduje kruchość wodorową. W związku z tym śruby o wysokiej wytrzymałości klasy 10.9 i wyższej generalnie nie mogą być poddawane zwykłemu cynkowaniu galwanicznemu. Chociaż odwodornienie podczas pieczenia jest możliwe, folia pasywacyjna zostanie uszkodzona w temperaturze powyżej 60 stopni. Zatem odwodornienie należy przeprowadzić po galwanizacji i przed pasywacją, co powoduje skomplikowaną operację i wysokie koszty. Większość producentów nie przeprowadza odwodornienia, chyba że klienci wymagają tego specjalnie.
Łączniki ocynkowane galwanicznie wykazują słabą i niestabilną zgodność momentu obrotowego z napięciem wstępnym, dlatego na ogół nie są stosowane w krytycznych połączeniach konstrukcyjnych. Po powlekaniu można zastosować powłokę smarową, aby poprawić stabilność momentu obrotowego i konsystencję napięcia wstępnego.
2. Fosforanowanie
Fosforanowanie jest tańsze niż cynkowanie galwaniczne, ale zapewnia niższą podstawową odporność na korozję. Aby zapewnić skuteczną ochronę, musi być uszczelniony olejem. Zwykły olej antykorozyjny zapewnia tylko 10 do 20 godzin odporności na NSS, podczas gdy wysokiej jakości olej antykorozyjny może wydłużyć ten czas do 72 do 96 godzin przy 2 do 3 razy większym koszcie.
Do elementów złącznych stosuje się dwa główne rodzaje fosforanowania: fosforanowanie cynkowe i fosforanowanie manganowe. Fosforowanie cynkowe zapewnia doskonałą smarowność dla precyzyjnego montażu, podczas gdy fosforanowanie manganowe zapewnia doskonałą odporność na korozję i odporność na zużycie w zakresie temperatur roboczych od 107 stopni do 204 stopni (225 stopni F do 400 stopni F).
Największą zaletą fosforanowania jest doskonała zgodność momentu obrotowego z napięciem wstępnym, zapewniająca stabilne i dokładne napięcie wstępne montażu. Jest szeroko stosowany w krytycznych połączeniach przemysłowych, takich jak zespoły konstrukcji stalowych, śruby korbowodu silnika, śruby głowicy cylindrów, łączniki łożysk głównych, śruby koła zamachowego i koła. Ponadto fosforanowanie nie powoduje kruchości wodorowej, co czyni go standardową obróbką powierzchni śrub o wysokiej wytrzymałości klasy 10.9 i wyższej.
3. Niebiesko-tlenkowe (powłoka z czarnego tlenku)
Bluing plus olejowanie to najtańsza obróbka powierzchni przemysłowych elementów złącznych o estetycznym wyglądzie, odpowiednia do suchych pomieszczeń wewnętrznych. Sama warstwa czarnego tlenku prawie nie ma właściwości antykorozyjnych i całkowicie opiera się na powierzchniowej ochronie olejowej. Bez oleju powierzchnia szybko rdzewieje. Odporność NSS uszczelnionych olejem oksydowanych elementów złącznych wynosi tylko 3 do 5 godzin.
Zanieczyszczone elementy złączne mają słabą spójność momentu obrotowego i napięcia wstępnego. Smar plastyczny nałożony na powierzchnie gwintu przed montażem może poprawić jakość połączenia i stabilność napięcia wstępnego.
4. Kadmowanie
Powłoka kadmowa zapewnia wyjątkową odporność na korozję, szczególnie doskonałą wydajność w mgle solnej w środowisku morskim w porównaniu z konwencjonalnymi metodami obróbki. Jednakże oczyszczanie ścieków jest trudne i niebezpieczne dla środowiska, a koszty produkcji są niezwykle wysokie, około 15–20 razy wyższe niż w przypadku cynkowania galwanicznego. Jest stosowany wyłącznie w ekstremalnych warunkach pracy, takich jak morskie platformy wiertnicze i elementy złączne w przemyśle lotniczym, i jest rzadko stosowany w przemyśle ogólnym. Powlekanie kadmem powoduje również kruchość wodorową i nie nadaje się do ultra-śruby o dużej wytrzymałości.
5. Chromowanie
Powłoki chromowe są chemicznie stabilne w środowiskach atmosferycznych, charakteryzują się doskonałym zachowaniem połysku, wysoką twardością i doskonałą odpornością na zużycie. W przypadku elementów złącznych chromowanie stosuje się głównie w celach dekoracyjnych. Jest rzadko używany do zastosowań antykorozyjnych o dużym obciążeniu ze względu na wysoki koszt porównywalny ze stalą nierdzewną. Stosuje się go tylko wtedy, gdy stal nierdzewna nie może spełnić wymagań wytrzymałościowych.
Chromowanie wymaga podkładów z miedzi i niklu, aby zapewnić przyczepność i odporność na korozję. Powłoka może wytrzymać wysokie temperatury do 650 stopni (1200 stopni F), ale kruchość wodorowa pozostaje potencjalnym ryzykiem w przypadku śrub o wysokiej wytrzymałości.
6. Posrebrzanie i niklowanie
Posrebrzanie zapewnia zarówno odporność na korozję, jak i solidne smarowanie. Utrzymuje stabilną pracę w temperaturach do 870 stopni (1600 stopni F) i skutecznie zapobiega utlenianiu gwintów i zacieraniu się w warunkach wysokiej temperatury. Ze względu na ograniczenia kosztowe stosuje się go głównie do nakrętek i małych precyzyjnych śrub w urządzeniach wysokotemperaturowych.
Niklowanie jest stosowane głównie w scenariuszach wymagających zarówno odporności na korozję, jak i przewodności elektrycznej, takich jak elementy złączne zacisków akumulatorów pojazdów.
7. Cynkowanie ogniowe (HDG)
Cynkowanie ogniowe to wysokotemperaturowa powłoka cynku termodyfuzyjnego o grubości od 15 do 100 μm i doskonałej odporności na korozję, szeroko stosowana w ciężkim sprzęcie inżynieryjnym na zewnątrz. Charakteryzuje się słabą jednorodnością grubości i poważnym zanieczyszczeniem środowiska spowodowanym pozostałościami cynku i oparami cynku podczas produkcji.
Gruba powłoka często powoduje zakleszczanie się gwintu i trudności w zaczepianiu. Typowe rozwiązania obejmują gwintowanie gwintów wewnętrznych po cynkowaniu (co uszkadza częściową powłokę i zmniejsza odporność na korozję) lub wstępne powiększanie otworów na gwinty nakrętek o 0,16 do 0,75 mm (dla M5–M30) przed cynkowaniem (co nieznacznie zmniejsza wytrzymałość konstrukcyjną). Konstrukcja gwintu Spiralock zapobiegająca poluzowaniu może rozwiązać ten problem, nakładając grube powłoki, zachowując jednocześnie pełną odporność na korozję i wytrzymałość mechaniczną.
Ze względu na wysoką temperaturę przetwarzania zmieniającą strukturę metalograficznąśruby poddane obróbce cieplnejcynkowanie ogniowe jest zabronione w przypadku elementów złącznych klasy 10.9 i wyższej.
8. Dyfuzja cynku w proszku
Dyfuzja cynku proszkowego to metalurgiczny proces dyfuzji cieplnej w stanie stałym, w wyniku którego tworzy się jednolite powłoki na skomplikowanych powierzchniach, takich jak gwinty i ślepe otwory. Grubość powłoki mieści się w zakresie od 10 do 110 µm z kontrolą błędu grubości w granicach 10%. Spośród wszystkich obróbek na bazie cynku zapewnia najwyższą siłę wiązania i stabilność korozyjną przy zerowym zanieczyszczeniu i kruchości wodorowej, idealny do precyzyjnych, wytrzymałych i odpornych na korozję elementów złącznych.
9. Powłoka Dacromet
Dacromet (powłoka cynkowo-chromowa) charakteryzuje się zerowym ryzykiem kruchości wodorowej i doskonałą spójnością momentu obrotowego i napięcia wstępnego. Zapewnia doskonałą odporność na mgłę solną, stabilność w wysokich temperaturach i odporność na korozję chemiczną, a także skutecznie zapobiega korozji galwanicznej i kruchości oksydacyjnej spowodowanej odmiennym kontaktem metali. Pomijając ograniczenia środowiskowe dotyczące sześciowartościowego chromu, jest to jedna z najlepszych metod obróbki powierzchni elementów złącznych o wysokiej wytrzymałości, wymagających ekstremalnej odporności na korozję.
Typowe gatunki Dacromet obejmują 9028, G917 i G980, dostępne w wykończeniach srebrnym i czarnym. Klasa 9028 to ekonomiczna formuła konwencjonalnej ochrony przed korozją; G917 oferuje doskonałą odporność chemiczną w złożonych środowiskach medialnych; G980 zapewnia wyjątkową odporność na wysokie temperatury przy ciągłej pracy powyżej 200 stopni.
Zgodnie z dyrektywami środowiskowymi ELV, WEEE i RoHS, Dacromet jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, AGD i budowlanym. Nadaje się do elementów wysokotemperaturowych i silnie korozyjnych, takich jak osłony termiczne spalin samochodowych, chłodnice, części podwozia, gazomierze i sprzęt morski.
