هل الصدأ الألومنيوم？

1. مقدمة

السؤال "هل الصدأ الألومنيوم?" ينشأ بشكل متكرر في هندسة المواد, التصميم الصناعي, وحتى مشاريع DIY اليومية.

بالمعنى الدقيق للكلمة, يشير الصدأ إلى أكسيد الحديد, منتج التآكل المحمر البني الحمراء من الحديد والصلب.

لأن الألومنيوم يشكل أكسيد مختلف (أكسيد الألومنيوم), من الناحية الفنية لا يصدأ بالطريقة التي يفعلها الحديد. مع ذلك, يمكن أن يتآكل الألمنيوم في ظل ظروف معينة.

تشرح هذه المقالة الكيمياء وراء أكسدة الألومنيوم, تباينه مع الصدأ الحديدي, يفحص أوضاع التآكل المختلفة, ويحدد استراتيجيات الحماية.

2. تحديد "الصدأ" مقابل. أكسيد الألومنيوم

من الناحية الفنية, يشير الصدأ إلى مادة قشرية محمر-بني-أكسيد الحديد- يتشكل عندما يتفاعل الحديد مع الأكسجين والرطوبة.

الألومنيوم, كونه معدن غير محرور, لا يصدأ بهذه الطريقة. بدلاً من, يخضع أكسدة, إنتاج صعب, عديم اللون, وطبقة ملتصقة أكسيد الألومنيوم (al₂o₃).

تتشكل طبقة الأكسيد هذه على الفور تقريبًا في وجود الهواء والماء, خلق حاجز طبيعي يمنع المزيد من التآكل.

بينما يشار أحيانًا إلى هذه العملية باسم "الصدأ الأبيض" من حيث العلماء, إنه يختلف اختلافًا جذريًا عن صدأ الصلب.

3. طبقة أكسيد واقية على الألومنيوم

تكوين الأكسيد الأصلي وسمكه

مباشرة عند التعرض للهواء, يطور الألومنيوم أكسيد أصلي بسمك 2-5 نانومتر. دراسات صناعة الأفلام (XPS, البسيط) تأكد من أن هذه الطبقة تتشكل في غضون ثوان.

في الهواء الجاف, الهضاب سمك; في البيئات الرطبة, يمكن أن يثخن قليلا (5-10 نانومتر) ولكن لا يزال الحماية.

آلية التصوير الذاتي

إذا انتهك خدش صغير الأكسيد, الألومنيوم الطازج تحت الأكسدة لإصلاح الفيلم.

هذا الشفاء الذاتي الآلية تضمن الحماية المستمرة طالما وجود كافي الأكسجين أو بخار الماء.

في إعدادات الأكسجين المحدودة (على سبيل المثال, تحت الماء في المياه الراكدة), يمكن أن يحدث التخميل ولكن قد يكون أبطأ.

الخواص الميكانيكية والكيميائية من al₂o₃

أكسيد الألومنيوم هو:

• صعب (موس ~ 9), زيادة مقاومة الخدش السطحية.
• مستقر كيميائيا في وسائل الإعلام المحايدة والقلوية تصل إلى ~ ph 9, على الرغم من الهجوم في الحمضية بقوة (PH < 4) أو القلوية (PH > 9) البيئات.
• الموصلية الكهربائية المنخفضة, التي يمكن أن تسهم في التآكل الموضعي (على سبيل المثال, الحفر) في ظل ظروف معينة.

4. سلوك التآكل للألمنيوم في بيئات مختلفة

التعرض في الغلاف الجوي

• المناخ الجاف: الحد الأدنى من الأكسدة وراء الفيلم الأصلي; المظهر لا يزال لامع.
• الهواء الرطب: طبقة الأكسيد تسممها قليلاً, الحفاظ على الحماية. الملوثات (سو, لا) يمكن تحمض الندى, تسبب حفر معتدل.
• الجو البحري: الهباء الجوي المحملة بالكلوريد أكسيد, مما يؤدي إلى الحفر إذا كانت الطلاءات الوقائية غائبة.

البيئات المائية

• المياه العذبة: الألومنيوم يقاوم الماء المحايد المعتدل, تشكيل مستقر al₂o₃.
• مياه البحر: الكلوريد العالي (~ 19000 جزء في المليون) يعزز تآكل التآكل. يمكن أن تتشكل الحفر الصغيرة, لكن التآكل الموحد لا يزال منخفضًا.
• الحلول الحمضية/القلوية:

• • PH < 4: الأكسيد يذوب, تعريض المعادن العارية للهجوم السريع.
  • PH > 9: الأكسيد يذوب أيضا (يزيد قابلية الذوبان), مما يؤدي إلى تآكل نشط.

أكسدة درجة الحرارة العالية

أعلاه ~ 200 درجة مئوية في الهواء, طبقة الأكسيد تنمو أكثر سمكا (يصل إلى ميكرومترات) في اتجاه معدل مكافئ.

بينما لا تزال حماية, يمكن أن يؤدي التمدد الحراري التفاضلي بين AL و al₂o₃. في مكونات المحرك (على سبيل المثال, المكابس), حسابات تصميم نمو الأكسيد الخاضع للرقابة.

التآكل الجلفاني

عندما يتصل الألمنيوم بمعدن أكثر نبيلة (فُولاَذ, نحاس) في وجود كهربائي, يصبح الألمنيوم هو الأنود ويتآكل بشكل تفضيلي.

العزل المناسب أو الحماية الكاثودية يمنع الهجوم الكلفاني.

5. أنواع تآكل الألومنيوم

على الرغم من أن فيلم الأكسيد الأصلي في الألومنيوم يوفر حماية كبيرة في ظل العديد من الظروف, يمكن أن تؤدي البيئات والضغوط المختلفة إلى أن تؤدي إلى أوضاع تآكل مميزة.

تآكل موحد

تآكل موحد (تسمى أحيانًا التآكل العام) ينطوي على فقدان نسبيًا للمعادن عبر الأسطح المكشوفة.

في الألومنيوم, يحدث تآكل موحد عندما يكون أكسيد الواقي (al₂o₃) يذوب أو يصبح غير مستقر كيميائيا, السماح للمعدن الأساسي بالتأكسد بمعدل ثابت تقريبًا.

تآكل التآكل

يبدأ الحفر عندما ينتهك كلوريد أو أي أنيونات عدوانية أخرى حاجز Al₂o₃ السلبي في بقعة محلية.

مرة واحدة حفرة النواة, يحدث التحمض المحلي (بسبب التحلل المائي من AL⁺⁺ الذائبة), مزيد من إذابة الألومينا وتسريع عمق الحفرة.

غالبًا ما يكون مورفولوجيا الحفرة ضيقة وعميقة, مما يجعل من الصعب اكتشافه قبل الاختراق الكبير.

التآكل الحبيبي

التآكل الحبيبي (IGC) يهاجم منطقة حدود الحبوب بشكل تفضيلي, في كثير من الأحيان حيث ترسبت عناصر صناعة السبائك أثناء المعالجة الحرارية (على سبيل المثال, في درجات الحرارة 150-350 درجة مئوية).

هذه الرواسب (Cu - غري, mg₂si, أو al₂cu) استنفد المصفوفة المجاورة لسلالات السبائك, إنشاء مسار أنودي ضيقة على طول حدود الحبوب.

عندما تنغمس في بيئات التآكل, تتآكل حدود الحبوب قبل التصميمات الداخلية للحبوب, مما أدى إلى انخفاض الحبوب أو مسارات الفشل الهشة.

تكسير التآكل (SCC)

SCC هو وضع فشل تآزري يتطلب ثلاثة شروط: سبيكة حساسة, بيئة تآكل, والإجهاد الشد (المتبقية أو التطبيقية).

في ظل هذه الظروف, تبدأ الشقوق في واجهة المعادن/الأكسيد وتنتشر بين الخلايا أو عبر الحبيبات عند مستويات الإجهاد أقل بكثير من قوة العائد.

تآكل شق

يتطور Crevice Corrosion في المناطق المحمية أو المحصورة - بحشيات, برشام الرؤوس, أو مفاصل اللفة - حيث يصبح المنحل بالكهرباء الراكدة مستنفدة من الأكسجين.

داخل شق, يولد الذوبان المعدني al⁺⁺ ويؤدي إلى حمض البيئة المحلية (Al₂O₃ → Al³⁺ + 3أوه).

رد الفعل الكاثودي (الحد من الأكسجين) يحدث خارج الشقوق, دفع مزيد من الانحلال في الداخل.

تركز أيونات الكلوريد في شق للحفاظ على حياد الشحنة, تسريع الهجوم.

الجدول الملخص - آليات تآكل الألومنيوم

6. آثار السبائك على مقاومة التآكل

تنبع مقاومة التآكل الجوهرية للألومنيوم من التكوين السريع من رقيقة, أكسيد الألومنيوم الملتصق (al₂o₃) فيلم.

لكن, في الممارسة الهندسية, يتم استخدام كل الألومنيوم الهيكلي تقريبًا في شكل ملموسة, ويمكن أن يؤثر كل عنصر من عناصر صناعة السبائك بشكل كبير على استقرار وحماية طبقة الأكسيد.

الألومنيوم النقي مقابل. سبائك الألومنيوم

• الألومنيوم النقي (1100 مسلسل): مقاومة تآكل استثنائية بسبب الحد الأدنى من intermetallics; تستخدم للمعدات الكيميائية.
• 2سلسلة xxx (كال): انخفاض مقاومة التآكل, وخاصة سبائك هطول الأمطار (على سبيل المثال, 2024), عرضة لـ SCC والهجوم بين الحبيبية.
• 5سلسلة xxx (آل): مقاومة التآكل البحري الجيد; شائع في أجسام السفن (على سبيل المثال, 5083, 5052).
• 6سلسلة xxx (al -mg -i): القوة المتوازنة ومقاومة التآكل; يستخدم على نطاق واسع في عمليات السحب المعماري (على سبيل المثال, 6061).
• 7سلسلة xxx (Al -Zn -Mg): قوة عالية جدا ولكن عرضة ل SCC دون علاج مناسب.

دور النحاس, المغنيسيوم, السيليكون, الزنك, وعناصر أخرى

• نحاس: يزيد من القوة ولكنه يقلل من مقاومة التآكل ومقاومة التآكل.
• المغنيسيوم: يعزز مقاومة التآكل في البيئات البحرية ولكن يمكن أن يعزز التآكل بين الخلايا إذا لم يتم التحكم فيه.
• السيليكون: يحسن السيولة وقابليتها; سبائك مثل A356 تظهر أداء تآكل متواضع.
• الزنك: يساهم في القوة ولكنه يقلل من مقاومة التآكل العام.
• عناصر تتبع (Fe, MN, كر): تقليل intermetallics ضارة; MN يساعد في تحسين بنية الحبوب, استفادة من سلوك التآكل.

معالجة الحرارة وتأثير البنية المجهرية

• حل المعالجة الحرارية والشيخوخة: يذوب رواسب ضارة, تقليل التآكل البيني.
• المفرط: يمكن أن تؤدي الترسبات الخشنة عند حدود الحبوب إلى تفاقم التآكل.
• تصلب هطول الأمطار: يتطلب التحكم الدقيق في موازنة القوة والتآكل.
• العمل الحراري: العمل البارد (على سبيل المثال, المتداول) يمكن أن تنتج خلعًا يعزز التآكل المحلي ما لم يتبعه الصلب المناسب.

7. التدابير الوقائية والعلاجات السطحية

الأنود

• عملية: الأكسدة الكهربائية تبني طبقة أكثر سمكا (10-25 ميكرون).
• الأنواع:

• • حمض الكبريتيك الأنود (النوع الثاني): شائع للمنتجات المعمارية والمستهلكين (ملون).
  • الصلبة (النوع الثالث): أكثر سمكا (25-100 ميكرون), مقاومة عالية التآكل; تستخدم في الآلات والفضاء.
  • حامض الكروم أنود (النوع الأول): أرق (5-10 ميكرون), أفضل مقاومة للتآكل, الحد الأدنى من التغير الأبعاد; تستخدم لمكونات الفضاء.

• فوائد: تعزيز حماية التآكل, تحسين التصاق للدهانات, التشطيبات الزخرفية.

الطلاء التحويل

• طلاء تحويل الكرومات: سداسي سداسي أو ثلاثي التكافؤ القائم على الكروم; يوفر مقاومة تآكل جيدة والالتصاق بالطلاء.
  المخاوف البيئية تدفع بدائل ثلاثية التكافؤ.
• الطلاء الفوسفات: أقل شيوعا على الألومنيوم; يستخدم أحيانًا لتحسين التصاق الطلاء.
• بدائل غير مريئة: القائم على الفلورايد, الزركونات, أو كيمياء تيتانيت التي تقدم حماية للتآكل دون كروم سداسي.

الطلاء العضوي

• الدهانات السائلة: الاشعال الايبوكسي, المعاطف البولي يوريثان, أو ينتهي البوليمرات الفلورية الحماية من الرطوبة والأشعة فوق البنفسجية.
• طلاء مسحوق: البوليستر, الايبوكسي, أو يتم تطبيق مساحيق البولي يوريثان وتخبز لتشكيل أفلام متينة. تغطية أكثر سمكا تقاوم التآكل والتآكل.

الحماية الكاثودية والأنودس الذبيحة

• أنودس الذبيحة (الزنك, المغنيسيوم): تستخدم في مياه البحر لحماية هياكل الألومنيوم المغمورة; يتآكل الأنود بشكل تفضيلي.
• أعجب تيار: أقل شيوعا لعناصر الألمنيوم الصغيرة; تستخدم للهياكل البحرية الكبيرة.

8. خاتمة

الألومنيوم يفعل لا صدأ بالمعنى التقليدي, لكن ذلك لا يتآكل, عادةً ما تشكل طبقة أكسيد مستقرة تحميها من مزيد من الهجوم.

مقاومة المواد للتآكل, إلى جانب نسبة القوة إلى الوزن, يجعلها مثالية للصناعات التي تتراوح من الفضاء إلى البناء.

لكن, فهم آليات التآكل, القيود البيئية, والتدابير الوقائية أمر بالغ الأهمية لضمان طول العمر وأدائه.

من خلال الجمع بين السبائك الصحيحة, المعالجة السطحية, وتصميم اعتبارات, يمكن أن يوفر الألومنيوم عقودًا من الخدمة الخالية من الصيانة.

 

المفاهيم الخاطئة الشائعة

على الرغم من أن سلوك تآكل الألومنيوم قد تمت دراسة على نطاق واسع, تستمر العديد من سوء الفهم في كل من الصناعة والخطاب الشعبي.

يساعد معالجة هذه المفاهيم الخاطئة المهندسين, المصممون, ويتخذ المستخدمون النهائيون قرارات مستنيرة عند اختيار أو الحفاظ على مكونات الألومنيوم.

"الألمنيوم لا يتآكل أبدًا"

يعتقد اعتقاد واسع النطاق أن الألومنيوم غير محاصر لجميع أشكال التآكل. في الواقع, على الرغم من أن الألومنيوم لا يصدأ مثل الصلب, لا يزال يخضع للتآكل.

فيلم أكسيد الطبيعي (al₂o₃) النماذج فور التعرض للهواء, توفير حماية ممتازة - ولكن ليس مطلقًا -.

في ظل ظروف عدوانية مثل البيئات الغنية بالكلوريد أو المصارف الحمضية, يمكن أن تنهار تلك الطبقة السلبية, يؤدي إلى التآكل أو التآكل.

لذلك, في حين أن الألومنيوم غالبا ما يتفوق على الصلب غير المطلي, لا يزال يتطلب اختيار السبائك المناسبة والمعالجة السطحية لطول العمر.

"مسحوق أبيض على الألومنيوم غير ضار"

عندما تتطور أسطح الألومنيوم أبيض, البقايا البودرة - يشار إليها بشكل غير مألوف باسم "الصدأ الأبيض" - العودية تفترض أنها لا تشكل أي تهديد.

لكن, ينتج هذا المسحوق عن رواسب الهيدروكسيد أو الكربونات التي تتشكل تحت الرطوبة العالية أو التعرض الكيميائي.

ترك دون معالجة, يمكن أن تحتفظ هذه الرواسب بالرطوبة ضد المعدن, تعزيز التآكل المترجمة تحت التراكم.

يعد تطبيق التنظيف والطلاء الواقي المنتظم أمرًا ضروريًا لمنع الأضرار الأساسية, لا سيما على الأعضاء المعدنية أو الهيكلية المكشوفة.

"جميع سبائك الألومنيوم لها نفس سلوك التآكل"

الاعتقاد الخاطئ الآخر هو أن جميع سبائك الألومنيوم تظهر مقاومة تآكل موحدة. في الحقيقة, عناصر السبائك تغير الأداء بشكل كبير.

على سبيل المثال, 5سلسلة xxx (ملغ) تظهر السبائك مقاومة ممتازة في الإعدادات البحرية,

بينما سلسلة 2xxx و 7xxx (النحاس- و Zn الحاملة) تكون عرضة للتأليف وتآكل الإجهاد إذا تركت دون علاج.

بافتراض منخفضة التكلفة, سبيكة عالية القوة تكفي في كل بيئة تخاطر بالفشل السابق لأوانه.

هكذا, إن تحديد السلسلة الصحيحة والمزاج - وربما تطبيق الأنود أو الكسوة - يؤثر على حياة الخدمة المطلوبة.

"التآكل الجلفاني يهم فقط في الظروف القاسية"

يعتقد بعض المصممين أن التآكل الجلفاني لا يحدث إلا في خدمة عدوانية أو مغمورة للغاية.

في الحقيقة, حتى كميات تتبع الرطوبة, مثل ندى الصباح في المناخ الساحلي, يمكن أن تخلق كافية الموصلية

لبدء خلية جلفانية بين السحابات الألومنيوم والأسلاك النحاسية, أو تقليم الألومنيوم على اتصال مع الفولاذ المقاوم للصدأ.

متأخر , بعد فوات الوقت, سوف يتآكل الألمنيوم الأنودي بشكل تفضيلي, مما يؤدي إلى تخفيف المفاصل أو الضعف الهيكلي.

لتجنب هذا, يجب على المهندسين دائمًا عزل المعادن المختلفة أو تحديد السحابات المتوافقة.

"أنوود يجعل الألمنيوم مقاومًا تمامًا للتآكل"

من المؤكد أن الأنود يحسن مقاومة التآكل عن طريق سماكة طبقة الأكسيد, لكنه لا يجعل الألومنيوم غير معرض.

يمكن أن تطور الأسطح ذات الصلبة المصغرة في حالة تعرضها لركوب الدراجات الحرارية أو الإجهاد الميكانيكي, وبدون ختم مناسب, يظلون مساميين للأيونات العدوانية.

بالتالي, قد يؤدي الاعتماد فقط على أنوود حمض كبريتيك قياسي لبيئة بحرية إلى الحفر بمرور الوقت.

الجمع بين الأنود مع السدادات, المعاطف, أو غالبًا ما تصبح الحماية الكاثودية ضرورية للطلب.

"عالي النقاء الألومنيوم يخفف كل مخاوف التآكل"

النقاء يعزز مقاومة الألومنيوم الفطرية للأكسدة, حتى الآن 99.99% يمكن أن يعاني الألمنيوم النقي من تآكل الشق.

تتبع الشوائب - الاينتور, السيليكون, النحاس - التركيز على حدود الحبوب, إنشاء خلايا جلفانية محلية.

في الممارسة العملية, سبائك الألومنيوم عالية النقاء (على سبيل المثال, 1100) ابحث عن استخدام محدود في التطبيقات الهيكلية على وجه التحديد لأنها تفتقر إلى القوة الميكانيكية للتعويض عن الهجوم الموضعي.

لا يزال موازنة النقاء مع عناصر صناعة السبائك الضرورية ضرورية.