Ruster aluminiumsrust？

1. Indledning

Spørgsmålet ”Ruster aluminium?” opstår ofte i materialeteknik, Industrielt design, Og endda hverdagslige DIY -projekter.

Strengt taget, Rust henviser til jernoxid, Det flaky rødbrune korrosionsprodukt af jern og stål.

Fordi aluminium danner et andet oxid (Aluminiumoxid), det ruster teknisk ikke på den måde, jern gør. Ikke desto mindre, Aluminium kan korrodere under visse betingelser.

Denne artikel forklarer kemi bag aluminiumoxidation, Kontraster det med jernrustning, Undersøger forskellige korrosionstilstande, og skitserer beskyttelsesstrategier.

2. Definition af “Rust” vs.. Aluminiumoxid

Teknisk, Rust henviser til det rødbrune flassende stof-Jernoxid—Det danner, når jern reagerer med ilt og fugt.

Aluminium, At være et ikke-jernholdigt metal, Ruster ikke på denne måde. I stedet, det gennemgår oxidation, producerer en hård, Farveløs, og vedhæftende lag af Aluminiumoxid (Al₂o₃).

Dette oxidlag dannes næsten øjeblikkeligt i nærvær af luft og vand, Oprettelse af en naturlig barriere, der hæmmer yderligere korrosion.

Mens denne proces undertiden omtales som ”hvid rust” i lægger., Det er grundlæggende forskelligt fra rusten af ​​stål.

3. Beskyttende oxidlag på aluminium

Indfødt oxiddannelse og tykkelse

Umiddelbart efter lufteksponering, Aluminium udvikler en indfødt oxid på ~ 2–5 nm tykkelse. Filmfremstillingsundersøgelser (XPS, ellipsometri) Bekræft, at dette lag dannes inden for få sekunder.

I tør luft, Tykkelse plateauer; i fugtige miljøer, det kan tykkere lidt (5–10 nm) men forbliver beskyttende.

Selvpassivationsmekanisme

Hvis en lille ridse overtræder oxidet, Frisk aluminium under oxiderer for at reparere filmen.

Denne selvhelbredelse Mekanisme sikrer løbende beskyttelse, så længe der er tilstrækkeligt ilt- eller vanddamp.

I indstillinger med begrænset ilt (F.eks., Under vand i stillestående vand), passivering kan stadig forekomme, men kan være langsommere.

Mekaniske og kemiske egenskaber ved al₂o₃

Aluminiumoxid er:

• Hård (Mohs ~ 9), Stigende overfladebilleder.
• Kemisk stabil i neutrale og alkaliske medier op til ~ pH 9, skønt angrebet i stærkt surt (Ph < 4) eller alkalisk (Ph > 9) miljøer.
• Lav elektrisk ledningsevne, som kan bidrage til lokal korrosion (F.eks., pitting) under visse betingelser.

4. Korrosionsadfærd af aluminium i forskellige miljøer

Atmosfærisk eksponering

• Tør klima: Minimal yderligere oxidation ud over indfødt film; Udseende forbliver skinnende.
• Fugtig luft: Oxidlag tykner lidt, opretholdelse af beskyttelse. Forurenende stoffer (Så₂, Ingenₓ) Kan Surificere dug, forårsager mild pitting.
• Marine atmosfære: Chloridbelastede aerosoler angriber oxid, fører til pitting, hvis beskyttelsesbelægninger er fraværende.

Vandige miljøer

• Ferskvand: Aluminium modstår mildt neutralt vand, danner stabil al₂o₃.
• Havvand: Højt klorid (~ 19.000 ppm) Fremme Pitting korrosion. Der kan dannes små grober, Men ensartet korrosion forbliver lav.
• Sure/alkaliske opløsninger:

• • Ph < 4: Oxid opløses, udsætter bare metal for hurtigt angreb.
  • Ph > 9: Oxid opløses også (Al₂o₃ opløselighed øges), fører til aktiv korrosion.

Højtemperaturoxidation

Over ~ 200 ° C i luften, Oxidlaget vokser tykkere (op til mikrometer) I en parabolisk hastighedstrend.

Mens du stadig er beskyttende, Differentiel termisk ekspansion mellem Al og Al₂o₃ kan fremkalde spallation, hvis det afkøles hurtigt. I motorkomponenter (F.eks., stempler), Design tegner sig for kontrolleret oxidvækst.

Galvanisk korrosion

Når aluminium kontakter et mere ædel metal (stål, kobber) I nærvær af en elektrolyt, Aluminium bliver anode og korroderer fortrinsvis.

Korrekt isolering eller katodisk beskyttelse forhindrer galvanisk angreb.

5. Typer af aluminiumskorrosion

Selvom aluminiums oprindelige oxidfilm giver betydelig beskyttelse under mange forhold, Forskellige miljøer og spændinger kan udløse forskellige korrosionstilstande.

Ensartet korrosion

Ensartet korrosion (Nogle gange kaldet generel korrosion) involverer et relativt jævnt tab af metal på tværs af udsatte overflader.

I aluminium, Ensartet korrosion opstår, når det beskyttende oxid (Al₂o₃) opløser eller bliver kemisk ustabil, tillader det underliggende metal at oxidere med en næsten konstant hastighed.

Pitting korrosion

Pitting begynder, når chlorid eller andre aggressive anioner overtræder den passive al₂o₃ -barriere på et lokaliseret sted.

En gang en pit nucleates, Lokal forsuring forekommer (På grund af hydrolyse af opløst al³⁺), yderligere opløsende aluminiumoxid og accelererer pitdybden.

Pit -morfologi er ofte smal og dyb, Gør det udfordrende at opdage før betydelig penetration.

Intergranulær korrosion

Intergranulær korrosion (Igc) angriber korngrænseområdet fortrinsvis, Ofte hvor legeringselementer har udfældet under varmebehandling (F.eks., Ved temperaturer 150–350 ° C).

Disse bundfald (Cu -rich, Mg₂si, eller al₂cu) Udtøm den tilstødende matrix af legeringsopløsning, Oprettelse af en smal anodisk sti langs korngrænser.

Når det er nedsænket i ætsende miljøer, Korngrænser korroderer forud for korninteriør, hvilket resulterer i kornaffald eller sprøde fiasko stier.

Stresskorrosionskrakning (SCC)

SCC er en synergistisk fejltilstand, der kræver tre betingelser: En modtagelig legering, et ætsende miljø, og trækspænding (resterende eller anvendt).

Under disse forhold, revner initierer ved metal/oxidgrænsefladen og forplantes intergranulært eller transgranulært ved stressniveauer langt under udbyttestyrken.

Spredningskorrosion

Crevice -korrosion udvikler sig i afskærmede eller begrænsede områder - under pakninger, Rivet hoveder, eller skødfuger - hvor en stillestående elektrolyt bliver udtømt af ilt.

Inden for spalten, Metalopløsning genererer al³⁺ og syrer det lokale miljø (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3OH⁻).

Den katodiske reaktion (iltreduktion) forekommer uden for spalten, Kører videre anodisk opløsning indeni.

Chloridioner koncentrerer sig i spalten for at opretholde ladningsneutralitet, fremskynder angrebet.

Resuméstabel - Aluminiumskorrosionsmekanismer

6. Legeringseffekter på korrosionsbestandighed

Aluminiums iboende korrosionsmodstand stammer fra den hurtige dannelse af en tynd, vedhæftende aluminiumoxid (Al₂o₃) film.

Imidlertid, i ingeniørpraksis, Næsten alt strukturelt aluminium bruges i legeret form, og hvert legeringselement kan væsentligt påvirke stabiliteten og beskyttelsen af ​​oxidlaget.

Ren aluminium vs.. Aluminiumslegeringer

• Rent aluminium (1100 serie): Enestående korrosionsbestandighed på grund af minimal intermetallics; Bruges til kemisk udstyr.
• 2XXX -serie (Al-Cu): Lavere korrosionsmodstand, Især nedbørhærdede legeringer (F.eks., 2024), tilbøjelig til SCC og intergranulært angreb.
• 5XXX -serie (Al - mg): God marin korrosionsbestandighed; Almindelig i skibskrog (F.eks., 5083, 5052).
• 6XXX -serie (Al -mg -i): Afbalanceret styrke og korrosionsbestandighed; Visligt brugt i arkitektoniske ekstruderinger (F.eks., 6061).
• 7XXX -serie (Al - Zn - Mg): Meget høj styrke, men sårbar over for SCC uden ordentlig behandling.

Kobberens rolle, Magnesium, Silicium, Zink, og andre elementer

• Kobber: Øger styrken, men sænker korrosionsmodstand og bøjningsmodstand.
• Magnesium: Forbedrer korrosionsbestandighed i havmiljøer, men kan fremme intergranulær korrosion, hvis ikke kontrolleres.
• Silicium: Forbedrer fluiditet og rollebesætning; Legeringer som A356 viser beskeden korrosionsydelse.
• Zink: Bidrager til styrke, men reducerer generel korrosionsbestandighed.
• Sporelementer (Fe, Mn, Cr): Minimer skadelig intermetallik; MN hjælper med at forfine kornstruktur, Fordel korrosionsadfærd.

Varmebehandling og mikrostrukturpåvirkning

• Løsningsvarmebehandling og aldring: Opløses skadelige bundfald, Reduktion af intergranulær korrosion.
• Overgning: Grovede bundfald ved korngrænser kan forværre korrosion.
• Nedbørshærdning: Kræver omhyggelig kontrol for at balancere styrke og korrosion.
• Termisk arbejde: Koldbearbejdning (F.eks., rullende) kan producere dislokationer, der forbedrer lokal korrosion, medmindre det er efterfulgt af passende udglødning.

7. Beskyttelsesforanstaltninger og overfladebehandlinger

Anodisering

• Behandle: Elektrolytisk oxidation bygger et tykkere al₂o₃ -lag (10–25 μm).
• Typer:

• • Svovlsyre Anodisering (Type II): Fælles for arkitektoniske og forbrugerprodukter (Farvelig).
  • Hård anodisering (Type III): Tykkere (25–100 μm), høj slidstyrke; Brugt i maskiner og rumfart.
  • Krominsyreanodisering (Type i): Tyndere (5–10 μm), Bedre korrosionsbestandighed, Minimal dimensionel ændring; Bruges til luftfartskomponenter.

• Fordele: Forbedret korrosionsbeskyttelse, Forbedret vedhæftning til maling, Dekorative finish.

Konverteringsbelægninger

• Kromatkonverteringsbelægning: Hexavalent eller trivalent krombaseret; Tilvejebringer god korrosionsbestandighed og malingsadhæsion.
  Miljøproblemer driver trivalente alternativer.
• Fosfatbelægninger: Mindre almindeligt på aluminium; lejlighedsvis brugt til at forbedre malingsadhæsion.
• Ikke-krom-alternativer: Fluoridbaseret, Zirconat, eller titanatkemier, der tilbyder korrosionsbeskyttelse uden hexavalent krom.

Organiske belægninger

• Flydende maling: Epoxy -primere, Polyurethan topcoats, eller fluoropolymer finish beskytter mod fugt og UV.
• Pulverbelægning: Polyester, epoxy, Eller polyurethanpulvere anvendes og bages for at danne holdbare film. Tykkere dækning modstår korrosion og slid.

Katodisk beskyttelse og ofreanoder

• Offeranoder (Zink, Magnesium): Brugt i havvand til beskyttelse af nedsænkede aluminiumsstrukturer; Anoden korroderer fortrinsvis.
• Imponeret nuværende: Mindre almindelige for små aluminiumsgenstande; bruges til store marine strukturer.

8. Konklusion

Aluminium gør det ikke rust i konventionel forstand, men det Korroder, danner typisk et stabilt oxidlag, der beskytter det mod yderligere angreb.

Materialets modstand mod korrosion, kombineret med dets styrke-til-vægt-forhold, Gør det ideelt til industrier, der spænder fra rumfart til byggeri.

Imidlertid, Forståelse af dens korrosionsmekanismer, Miljøbegrænsninger, og beskyttelsesforanstaltninger er afgørende for at sikre dens levetid og ydeevne.

Ved at kombinere den rigtige legering, Overfladebehandling, og designovervejelser, Aluminium kan levere årtier med vedligeholdelsesfri service.

 

Almindelige misforståelser

Selvom aluminiums korrosionsadfærd er blevet undersøgt i vid udstrækning, Flere misforståelser vedvarer i både industri og populær diskurs.

At tackle disse misforståelser hjælper ingeniører, designere, og slutbrugere træffer informerede beslutninger, når du vælger eller opretholder aluminiumskomponenter.

“Aluminium korroderer aldrig”

En udbredt tro hævder, at aluminium er uigennemtrængelig for alle former for korrosion. I virkeligheden, Selvom aluminium ikke ruster som stål, det gennemgår stadig korrosion.

Dens naturlige oxidfilm (Al₂o₃) danner næsten umiddelbart efter eksponering for luft, giver fremragende - men ikke absolut - beskyttelse.

Under aggressive forhold såsom chloridrige miljøer eller sure afløb, Det passive lag kan gå i stykker, fører til pitting eller spalte korrosion.

Derfor, Mens aluminium ofte overgår ikke -overtrukket stål, Det kræver stadig passende alueringsvalg og overfladebehandling for lang levetid.

“Hvidt pulver på aluminium er ufarlig”

Når aluminiumsoverflader udvikler en hvid, Pulverformig rest - ofte omtalt som "hvid rust" - antager mange, at den ikke udgør nogen trussel.

Imidlertid, Dette pulver er resultatet af hydroxid- eller carbonataflejringer, der dannes under høj luftfugtighed eller kemisk eksponering.

Venstre uadresseret, Disse aflejringer kan bevare fugt mod metallet, Fremme af lokaliseret korrosion under opbygningen.

Regelmæssig rengørings- og beskyttelsesbelægningsanvendelse er kritisk for at forhindre underliggende skader, især på eksponerede metalplader eller strukturelle medlemmer.

“Alle aluminiumslegeringer har den samme korrosionsadfærd”

En anden misforståelse er, at alle aluminiumslegeringer udviser ensartet korrosionsbestandighed. Faktisk, legeringselementer ændrer dramatisk ydeevne dramatisk.

For eksempel, 5XXX -serie (Mg-bærende) Legeringer viser fremragende modstand i marine omgivelser,

hvorimod 2xxx og 7xxx serie (Cu- og Zn-bærende) er tilbøjelige til pitting og stresskorrosion revner, hvis de ikke behandles.

Under forudsætning af en billig pris, Legering med høj styrke vil være tilstrækkelig i ethvert miljø risikerer for tidlig fiasko.

Således, Specificering af den rigtige serie og temperament - og muligvis påføring af anodisering eller beklædning - er det ønskede levetid.

“Galvanisk korrosion betyder kun noget under ekstreme forhold”

Nogle designere synes, at galvanisk korrosion kun forekommer i meget aggressiv eller nedsænket service.

I sandhed, endda spore mængder fugt, såsom morgen dug i et kystklima, kan skabe nok ledningsevne

At starte en galvanisk celle mellem aluminiumsfastgørelser og kobberledninger, eller aluminiumsbeklædning i kontakt med rustfrit stål.

Over tid, Det anodiske aluminium korroderer fortrinsvis, Fører til fælles løsning eller strukturel svækkelse.

For at undgå dette, Ingeniører skal altid isolere forskellige metaller eller specificere kompatible fastgørelsesmidler.

“Anodisering gør aluminium fuldstændig korrosionssikker”

Anodisering forbedrer bestemt korrosionsmodstand ved at tykkende oxidlaget, Men det gør ikke aluminium,.

Hård anodiserede overflader kan udvikle mikrokrakker, hvis de udsættes for termisk cykling eller mekanisk stress, og uden ordentlig forsegling, De forbliver porøse til aggressive ioner.

Følgelig, At stole udelukkende på en standard svovlsyre-anodisering for et marine miljø kan føre til at slå over tid.

Kombination af anodisering med sealerere, topcoats, eller katodisk beskyttelse bliver ofte nødvendig for krævende applikationer.

“Aluminium med høj renhed lindrer alle korrosionsproblemer”

Renhed forbedrer aluminiums medfødte modstand mod oxidation, Alligevel lige 99.99% Rent aluminium kan lide spaltekorrosion under pakninger eller indvendige forseglede indkapslinger.

Spor urenheder - jern, silicium, Kobber - Tendens til at koncentrere sig ved korngrænser, Oprettelse af lokaliserede galvaniske celler.

I praksis, Meget aluminiumslegeringer med høj renhed (F.eks., 1100) Find begrænset brug i strukturelle applikationer netop fordi de mangler den mekaniske styrke til at kompensere for lokaliseret angreb.

Afbalancering af renhed med nødvendige legeringselementer forbliver vigtig.