Da li aluminijska hrđa?

1. Uvod

Pitanje "Radi li aluminijska hrđa?" pojavljuje se često u inženjeringu materijala, Industrijski dizajn, pa čak i svakodnevni DIY projekti.

Strogo govoreći, Rust se odnosi na željezni oksid, Flaky crvenkasto-smeđi korozijski proizvod željeza i čelika.

Jer aluminijum formira drugačiji oksid (Aluminijum oksid), tehnički ne zahvati na putu gvožđe. Ipak, aluminijum može koriti pod određenim uvjetima.

Ovaj članak objašnjava hemiju iza oksidacije aluminija, Kontrastna je gvožđem hrđem, ispituje različite načine korozije, i obriše zaštitne strategije.

2. Definiranje "rđe" vs. Aluminijum oksid

Tehnički, hrđa se odnosi na crvenkasto-smeđe mahune tvari -željezni oksid-To se obrasci kada gvožđe reagira sa kisikom i vlagom.

Aluminijum, biti obojen metal, ne hrđa na ovaj način. Umjesto toga, podvrgava se oksidacija, proizvodeći teško, bezbojan, i adhentan sloj Aluminijum oksid (Al₂o₃).

Ovaj oksidni sloj formira gotovo odmah u prisustvu zraka i vode, Stvaranje prirodne barijere koja inhibira dalju koroziju.

Iako se ovaj proces ponekad naziva "bijelom hrđem" u pojmovima, U osnovi je različit od hrđe čelika.

3. Zaštitni oksidni sloj na aluminijumu

Native formiranje i debljina urođenog oksida

Odmah nakon izlaganja zraka, aluminijum razvija rodni oksid debljine ~ 2-5 Nm. Studije snimanja filmskih studija (Xps, ellipsometry) Potvrdite da se ovaj sloj obrasci u roku od nekoliko sekundi.

U suvom zraku, Debljina visoravni; U vlažnim okruženjima, Može se malo zgusnuti (5-10 nm) ali ostaje zaštitni.

Mehanizam za samostalanstvo

Ako mala ogrebotina krši oksid, Svježi aluminijum ispod oksidira popraviti film.

Ovo samoizlišan Mehanizam osigurava stalnu zaštitu sve dok je prisutan dovoljno kisika ili vodene pare.

U ograničenim podešavanjima kisika (npr., pod vodom u stajaćim vodama), Passivacija se i dalje može pojaviti, ali može biti sporija.

Mehanička i hemijska svojstva al₂o₃

Aluminijum oksid je:

• Teško (Mohs ~ 9), Povećanje otpornosti na površinu.
• Hemijski stabilan u neutralnom i alkalnom medu do ~ ph 9, Iako napadnut u snažno kiselom (ph < 4) ili alkalne (ph > 9) okruženja.
• Niska električna provodljivost, što može doprinijeti lokaliziranoj koroziji (npr., pištanje) pod određenim uslovima.

4. Korozinsko ponašanje aluminija u raznim okruženjima

Atmosfersko izlaganje

• Suha klimu: Minimalna daljnja oksidacija izvan domaćeg filma; Izgled ostaje sjajan.
• Vlažan zrak: Oksidni sloj se ne lagano zgušnjava, održavanje zaštite. Zagađivači (Tako, Neₓ) može zakiseliti rosu, izazivajući blagu pitting.
• Morska atmosfera: Hlorid-Laden Aerosols Attack oksid, što dovodi do pittjenja ako su zaštitni premazi odsutni.

Vodena okruženja

• Slatka voda: Aluminijum se uklanja blago neutralnom vodom, Forming stabilne al₂o₃.
• Morska voda: Visoki hlorid (~ 19.000 ppm) Promocije pitting korozija. Male jame mogu se formirati, Ali ujednačena korozija ostaje niska.
• Kisela / alkalna rješenja:

• • ph < 4: Oksid se rastvara, izlažući goli metal na brzi napad.
  • ph > 9: Oksid takođe rastvara (Al₂o₃ rastvorljivost povećava se), što dovodi do aktivne korozije.

Visoka temperaturna oksidacija

Iznad ~ 200 ° C u zraku, Oksidni sloj raste deblji (do mikrometara) U trendu paroboličke stope.

Dok još uvijek zaštitni, Diferencijalna toplotna ekspanzija između Al i Al₂o₃ može izazvati prospiće ako se brzo hladi. U komponentama motora (npr., klipovi), Dizajnerski računi za kontrolirani rast oksida.

Galvanska korozija

Kad aluminijum kontaktira plemenito metal (čelik, bakar) U prisustvu elektrolita, aluminijum postaje anoda i korodina preferencijalno.

Pravilna izolacija ili katodna zaštita sprečava galvanski napad.

5. Vrste korozije aluminija

Iako aluminijski domaći oksidni film pruža značajnu zaštitu u mnogim uvjetima, Različita okruženja i naprezanja mogu pokrenuti različite načine korozije.

Jedinstvena korozija

Jedinstvena korozija (Ponekad se naziva opća korozija) uključuje relativno ravnomjeran gubitak metala širom izloženih površina.

U aluminijumu, Ujednačena korozija nastaje kada je zaštitni oksid (Al₂o₃) rastvara ili postaje hemijski nestabilan, omogućavajući osnovnim metalom da oksidira u gotovo stalnoj stopi.

Pitting korozija

Pitting počinje kada hlorid ili drugi agresivni anioni prekršaju pasivnu barijeru Al₂o₃ na lokalizovanom mjestu.

Jednom nukleate, dolazi do lokalne zakiseljenja (Zbog hidrolize rastvorenog al³⁺), daljnje rastvaranje alumina i ubrzavanje dubine jame.

Morfologija jama često je uska i duboka, čineći da se izazove otkrije prije značajnog prodora.

Intergranularna korozija

Intergranularna korozija (IGC) Napada regija granične granice zrna, često tamo gdje su legirani elementi precipirali tokom toplotnog tretmana (npr., na temperaturama 150-350 ° C).

Ovi taložiri (Cu-bogati, Mg₂si, ili al₂cu) iscrpljuju susjednu matricu legirajućih rješenja, Stvaranje uske anodne staze duž granica žita.

Kada se uronjeni u korozivnim okruženjima, Granice žitarica Korodi ispred interijera zrna, što rezultira ispustanjem zrna ili krhkih puteva kvara.

Pucanje stresa-korozije (SCC)

SCC je režim sinergističkog kvara koji zahtijeva tri uvjeta: osjetljiva legura, Korozivno okruženje, i zatezni stres (preostali ili primijenjeni).

Pod ovim uvjetima, pukotine iniciraju na sučelju metala / oksida i razmnožavaju intergranularno ili prelazno na stresnim nivoima znatno ispod čvrstoće prinosa.

Crevece Corrosion

Crevece Corozion razvija se u zaštićenim ili zatvorenim područjima - pod brtve, zakovice glave, ili krupne spojeve - gde stajaće elektrolit se iscrpljuje od kiseonika.

Unutar pukotine, Metalno raspuštanje generira al³⁺ i zakiseljuje lokalno okruženje (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

Katodna reakcija (smanjenje kisika) događa se izvan pukotina, Vožnja daljnjom anodnom otapalu iznutra.

Hloridni joni koncentriraju se u pukovima da bi održali neutralnost punjenja, ubrzavanje napada.

Rezime Tabela - Aluminijski mehanizmi korozije

6. Legirani efekti na otpornost na koroziju

Aluminijska intrinzična otpornost na koroziju proizlazi iz brzog formacije tanke, Pridržani aluminijum oksid (Al₂o₃) film.

Međutim, u inženjerskoj praksi, Gotovo sav strukturni aluminij koristi se u legurenom obliku, a svaki legirani element može značajno utjecati na stabilnost i zaštitu sloja oksida.

Čisti aluminijum vs. Aluminijske legure

• Čisti aluminijum (1100 serija): Izuzetan otpor korozijom zbog minimalnih intermetallika; koristi se za hemijsku opremu.
• 2Serija XXX (Al-Cu): Niži otpor korozije, posebno oborine - očvršćene legure (npr., 2024), sklon SCC-u i intergranularnom napadu.
• 5Serija XXX (Al-mg): Dobar morski otpor korozije; uobičajeno u brodskim trupom (npr., 5083, 5052).
• 6Serija XXX (Al -mg -i): Izbalansirana čvrstoća i otpornost na koroziju; široko se koristi u arhitektonskim ekstruzima (npr., 6061).
• 7Serija XXX (Al-zn-mg): Vrlo visoka čvrstoća, ali ranjiva na SCC bez pravilnog tretmana.

Uloga bakra, Magnezijum, Silicijum, Cink, i ostali elementi

• Bakar: Povećava snagu, ali smanjuje otpor korozije i otpornosti na otpornost.
• Magnezijum: Povećava otpor korozije u morskim okruženjima, ali može promovirati intergranularu koroziju ako se ne kontroliše.
• Silicijum: Poboljšava fluidnost i castilnost; Legure poput A356 Prikaži skromne performanse korozije.
• Cink: Doprinosi snazi, ali smanjuje opću otpornost na koroziju.
• Elementi u tragovima (FE, MN, CR): Minimizirajte štetne intermetralte; MN pomaže u prefinjenoj strukturi zrna, koristi ponašanje korozije.

Uticaj toplotne obrade i mikrostrukture

• Rješenje toplotne obrade i starenje: Rastvara štetne taloge, Smanjenje intergranularne korozije.
• Prekoračenje: Grubini taloženi na graničnim granivima mogu pogoršati koroziju.
• Otvrdnjavanje oborina: Zahtijeva pažljivu kontrolu za ravnotežu snage i korozije.
• Termalni rad: Radno hladno (npr., kotrljanje) mogu proizvesti dislokacije koje poboljšavaju lokalnu koroziju, osim ako slijedi odgovarajuća žarenje.

7. Zaštitne mjere i površinske tretmane

Anodiziranje

• Proces: Elektrolitička oksidacija gradi deblju al₂o₃ sloj (10-25 μm).
• Tipovi:

• • Sumporna kiselina Anodiziranje (Tip II): Uobičajeno za arhitektonske i potrošačke proizvode (boja).
  • Teško anodiziranje (Tip III): Deblji (25-100 μm), Visoka otpornost na habanje; koristi se u mašinama i vazduhoplovstvu.
  • Anodiziranje hrome kiseline (Tip I): Razrjeđivač (5-10 μm), Bolja otpornost na koroziju, Minimalna dimenzionalna promjena; koristi se za vazduhoplovne komponente.

• Prednosti: Poboljšana zaštita od korozije, Poboljšana adhezija slika, Dekorativne završne obrade.

Pretvorbeni premazi

• Prevlačenje kromate pretvorbe: Heksavalentni ili trivalentni hromirani hromi; Pruža dobar otpor korozije i adheziju boja.
  Zabrinutost za okoliš su staze trovalentne alternative.
• Fosfatni premazi: Manje uobičajeno na aluminijumu; povremeno se koristi za poboljšanje adhezije boja.
• Bez hromne alternative: Zasnovan na fluoridima, cirkorativ, ili titanate hemijsku koja nude zaštitu od korozije bez heksavalentnog hroma.

Organski premazi

• Tečne boje: Epoksidni temeljici, Poliuretanske topcoats, ili fluoropolimer završava zaštitu od vlage i UV-a.
• Praškasti premaz: Poliester, epoksi, ili se primenjuju poliuretanske pudere i pečeni za formiranje trajnih filmova. Deblje pokriće odolijeva koroziju i abraziju.

Katodna zaštita i žrtvene anode

• Žrtvene anode (Cink, Magnezijum): Koristi se u morskoj vodi za zaštitu potopljenih aluminijskih konstrukcija; Preferencijalno anode korude.
• Impresionirana struja: Manje uobičajeno za male aluminijske predmete; koristi se za velike morske konstrukcije.

8. Zaključak

Aluminijum ima ne rđa U konvencionalnom smislu, ali to da li korodira, obično formira stabilan oksidni sloj koji ga štiti od daljnjeg napada.

Otpornost materijala na koroziju, u kombinaciji sa omjerom snage do težine, čini ga idealnim za industrije u rasponu od zrakoplovnog do izgradnje.

Međutim, Razumijevanje njegovih korozijskih mehanizama, Ograničenja okoliša, i zaštitne mjere su ključne za osiguravanje njegove dugovječnosti i performansi.

Kombinirajući pravu leguru, površinski tretman, i dizajniranje razmatranja, Aluminijum može pružiti decenije usluge bez održavanja.

 

Uobičajene zablude

Iako je aluminijsko ponašanje korozije intenzivno proučeno, I dalje postoji nekoliko nesporazuma u obje industrije i popularnom diskursu.

Bavljenje tim zabluda pomaže inženjerima, Dizajneri, a krajnji korisnici donose informirane odluke pri odabiru ili održavanju aluminijskih komponenti.

"Aluminij nikad korude"

Rasprostranjeno veruje da je aluminijum neprobojan za sve oblike korozije. U stvarnosti, Iako aluminij ne zahrđa poput čelika, još uvijek podvrgava koroziju.

Njegov prirodni oksidni film (Al₂o₃) obrasci gotovo odmah po izlaganju zraku, Pružanje odlične - ali ne apsolutne zaštite.

U agresivnim uvjetima poput okruženja bogate hloridom ili kiselim odvodima, taj pasivni sloj se može pokvariti, dovodeći do korozije pinjanja ili pukotine.

Stoga, Dok aluminij često nadmašuje neoboćeno čelik, Još uvijek zahtijeva odgovarajuću izbora legure i površinski tretman za dugovječnost.

"Bijeli prah na aluminijumu je bezopasan"

Kad aluminijske površine razvijaju bijelu, Praškasti ostaci - obično se naziva "Bijelom hrđem" -May pretpostavlja da ne predstavlja prijetnju.

Međutim, Ovaj prašak rezultira hidroksida ili karbonata koji se oblikuju pod visokom vlagom ili hemijskom izlaganjem.

Ostalo bez obzira, Ovi depoziti mogu zadržati vlagu protiv metala, Podsticanje lokalizirane korozije ispod nakupljanja.

Redovno čišćenje i zaštitni premaz su kritični za sprečavanje osnovne štete, posebno na izloženim limom ili strukturnim članovima.

"Sve legure aluminija imaju isto ponašanje korozije"

Još jedna zabluda je da sve legure aluminija pokazuju jedinstvenu otpornost na koroziju. U stvari, Legirani elementi dramatično mijenjaju performanse.

Na primjer, 5Serija XXX (Mg-ležaj) Legure prikazuju izvrsnu otpornost u morskim postavkama,

Dok je 2xxx i 7xxx serija (Cu- i ZN-ležaj) skloni su pingama i stresnoj pukotini ako se ne liječe.

Pod pretpostavkom da je jeftin, Legura visoke čvrstoće bit će dovoljna u svim okruženjem rizika prerano kvar.

Dakle, Navođenje ispravne serije i temperamenta - i moguće primjene anodiziranja ili obloge - osigurava željeni radni vijek.

"Galvanska korozija je samo pitanja u ekstremnim uvjetima"

Neki dizajneri misle da se galvanska korozija javlja samo u visoko agresivnoj ili potopnoj usluzi.

Istinom, Čak i u praknu količine vlage, poput jutarnje rose u obalnoj klimi, mogu stvoriti dovoljno provodljivosti

Da biste pokrenuli galvansku ćeliju između aluminijskih pričvršćivača i bakrenog ožičenja, ili aluminijumske obloge u dodiru sa nehrđajućim čelikom.

S vremenom, Anodni aluminijum će korodirati preferencijalno, što dovodi do zajedničkog labava ili strukturnog slabljenja.

Da bi se to izbjeglo, Inženjeri uvijek trebaju izolirati različite metale ili odrediti kompatibilne pričvršćivanje.

"Anodiziranje čini aluminij potpuno korozijskim otpornim na koroziju"

Anodiziranje sigurno poboljšava otpornost na koroziju zadebljanjem oksidnog sloja, ali ne čini se aluminij neražljivim.

Tvrdine površine mogu razviti mikrokrakove ako su izložene toplinskom biciklizmu ili mehaničkom stresu, i bez pravilnog brtvljenja, oni ostaju porozni za agresivne jone.

Samim tim, Oslanjajući se isključivo na standardnoj anodiziranju sumpornog kiselina za morsko okruženje može dovesti do pića s vremenom.

Kombiniranje anodiziranja sa zaptivačima, Topcoats, ili katodna zaštita često postaje potrebna za zahtjevne aplikacije.

"Aluminij visoke čistoće ublažava sve zabrinutosti korozije"

Čistoća poboljšava aluminijsko urođeno otpornost na oksidaciju, pa ipak 99.99% Čisti aluminijum može trpjeti koroziju pukotine ispod brtve ili unutar zatvorenih kućišta.

Nečistoća u tragu - glačalo, silicijum, bakar-skloni koncentraciji na granične granice, Stvaranje lokaliziranih galvanskih ćelija.

U praksi, Veoma visoke aluminijske legure (npr., 1100) Pronađite ograničenu upotrebu u strukturnim aplikacijama, jer im nedostaje mehanička čvrstoća za nadoknadu lokaliziranog napada.

Čistoća uravnoteženja sa potrebnim legiranim elementima ostaje neophodna.