Rostet Aluminium？？？

1. Einführung

Die Frage „Rostet Aluminium?” entsteht häufig in der Materialtechnik, Industriedesign, und sogar alltägliche DIY -Projekte.

Streng genommen, Rost bezieht sich auf Eisenoxid, Das schuppige rotbraune Korrosionsprodukt von Eisen und Stahl.

Weil Aluminium ein anderes Oxid bildet (Aluminiumoxid), Es rostet technisch nicht in der Art, wie Eisen tut. Trotzdem, Aluminium kann unter bestimmten Bedingungen korrodieren.

Dieser Artikel erklärt die Chemie hinter der Aluminiumoxidation, Kontrastiere es mit Eisenrost, Untersucht verschiedene Korrosionsmodi, und beschreibt Schutzstrategien.

2. „Rost“ definieren vs. Aluminiumoxid

Technisch, Rust bezieht sich auf die rotbraune, schuppige Substanz-Eisenoxid- Dies bildet sich, wenn Eisen mit Sauerstoff und Feuchtigkeit reagiert.

Aluminium, ein Nichteisenmetall sein, rostet auf diese Weise nicht. Stattdessen, es unterzogen Oxidation, Hart produzieren, farblos, und anhaftende Schicht von Aluminiumoxid (Al₂o₃).

Diese Oxidschicht bildet sich fast sofort in Gegenwart von Luft und Wasser, Schaffung einer natürlichen Barriere, die weitere Korrosion hemmt.

Während dieser Prozess manchmal als „weißer Rost“ bezeichnet wird, Es unterscheidet sich grundlegend vom Rost von Stahl.

3. Schutzoxidschicht auf Aluminium

Native Oxidbildung und Dicke

Unmittelbar nach der Lufteinstellung, Aluminium entwickelt ein natives Oxid mit einer Dicke von ~ 2–5 nm. Filmemachenstudien (XPS, Ellipsometrie) Bestätigen Sie, dass diese Schicht innerhalb von Sekunden bildet.

In trockener Luft, Dickenplateau; in feuchten Umgebungen, Es kann sich leicht verdicken (5–10 nm) bleibt aber schützend.

Selbstverkäufermechanismus

Wenn ein kleiner Kratzer das Oxid verletzt, Frisches Aluminium unter oxidiert oxidiert, um den Film zu reparieren.

Das Selbstheilung Der Mechanismus sorgt für den anhaltenden Schutz, solange ausreichend Sauerstoff oder Wasserdampf vorliegt.

In Einstellungen mit begrenzter Sauerstoff (Z.B., Unterwasser in stagnierendem Wasser), Passivierung kann immer noch auftreten, kann aber langsamer sein.

Mechanische und chemische Eigenschaften von Al₂o₃

Aluminiumoxid ist:

• Hart (MOHS ~ 9), Erhöhung der Kratzwiderstand von Oberflächen.
• Chemisch stabil in neutralen und alkalischen Medien bis ~ pH 9, obwohl in stark saurer Angriff (pH < 4) oder alkalisch (pH > 9) Umgebungen.
• Niedrige elektrische Leitfähigkeit, was zu lokalisierter Korrosion beitragen kann (Z.B., Lochfraß) unter bestimmten Bedingungen.

4. Korrosionsverhalten von Aluminium in verschiedenen Umgebungen

Atmosphärische Exposition

• Trockenes Klima: Minimale weitere Oxidation jenseits des nativen Films; Das Aussehen bleibt glänzend.
• Feuchte Luft: Die Oxidschicht dickt leicht, Schutz aufrechterhalten. Schadstoffe (So₂, Noₓ) kann Tau ansäuern, leichte Lochfraß verursachen.
• Meeresatmosphäre: Chlorid-beladene Aerosole greifen Oxid an, was zu Lochfraß führt, wenn Schutzbeschichtungen fehlen.

Wässrige Umgebungen

• Süßwasser: Aluminum widersteht mildem neutralem Wasser, stabile al₂o₃ bilden.
• Meerwasser: Hochchlorid (~ 19.000 ppm) fördert Korrosion Lochfraß. Kleine Gruben können sich bilden, aber einheitliche Korrosion bleibt niedrig.
• Saure/alkalische Lösungen:

• • pH < 4: Oxid löst sich auf, Bare Metall dem schnellen Angriff aussetzen.
  • pH > 9: Oxid löst sich auch auf (Al₂o₃ Löslichkeit nimmt zu), führt zu aktiver Korrosion.

Hochtemperaturoxidation

Über ~ 200 ° C in Luft, Die Oxidschicht wird dicker (bis zu Mikrometern) in einem Parabolratestrend.

Während immer noch beschützt, Die differentielle thermische Expansion zwischen AL und Al₂o₃ kann eine Überwachung induzieren, wenn sie schnell gekühlt werden. In Motorkomponenten (Z.B., Kolben), Design macht kontrolliertes Oxidwachstum aus.

Galvanische Korrosion

Wenn Aluminium ein edeleres Metall kontaktiert (Stahl, Kupfer) in Gegenwart eines Elektrolyten, Aluminium wird zur Anode und korrodiert bevorzugt.

Die richtige Isolierung oder der kathodische Schutz verhindert den galvanischen Angriff.

5. Arten von Aluminiumkorrosion

Obwohl der native Oxidfilm von Aluminium unter vielen Bedingungen einen erheblichen Schutz bietet, Verschiedene Umgebungen und Spannungen können unterschiedliche Korrosionsmodi auslösen.

Einheitliche Korrosion

Einheitliche Korrosion (Manchmal als allgemeine Korrosion bezeichnet) beinhaltet einen relativ sogar gleichmäßigen Metallverlust über exponierte Oberflächen.

Im Aluminium, Einheitliche Korrosion tritt beim Schutzoxid auf (Al₂o₃) löst sich auf oder wird chemisch instabil, Das zugrunde liegende Metall kann nahezu konstant oxidieren.

Korrosion Lochfraß

Lochfraß beginnt, wenn Chlorid oder andere aggressive Anionen gegen die passive Al₂o₃ -Barriere an einer lokalen Stelle verstoßen.

Einmal kernt eine Grube ein, Lokale Versauerung tritt auf (Aufgrund der Hydrolyse von gelöstem AL³⁺), Weiterlebende Aluminiumoxid und Beschleunigung der Grubentiefe.

Grubenmorphologie ist oft eng und tief, Es schwierig zu erkennen, bevor es vor einer erheblichen Penetration erfasst.

Intergranuläre Korrosion

Intergranuläre Korrosion (IGC) greift die Korngrenzregion bevorzugt an, Oft, wo die Legierungselemente während der Wärmebehandlung ausgefallen sind (Z.B., bei Temperaturen 150–350 ° C).

Diese Niederschläge (Cu -reichen, Mg₂si, oder Al₂cu) die angrenzende Matrix von Legierungsstängern erschöpfen, Erstellen eines schmalen anodischen Weges entlang der Korngrenzen.

Wenn in korrosive Umgebungen eingetaucht, Getreidegrenzen korrodieren vor Getreideiniors, was zu Getreideabropfen oder spröden Versagenswegen führt.

Stresskorrosionsrisse (SCC)

SCC ist ein synergistischer Fehlermodus, für den drei Bedingungen erforderlich sind: eine anfällige Legierung, eine ätzende Umgebung, und Zugspannung (Rest oder angewendet).

Unter diesen Bedingungen, Risse initiieren an der Metalle/Oxid -Grenzfläche und propagieren Sie intergranular oder traditionell an Spannungsniveaus, die weit unter der Streckgrenze liegt.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion entwickelt sich in abgeschirmten oder engen Gebieten - unter Dichtungen, Nietköpfe, oder Rundenfugen - wo ein stagnierender Elektrolyt aus Sauerstoff erschöpft ist.

Innerhalb des Spaltens, Die Metallauflösung erzeugt AL³⁺ und sätbare die lokale Umgebung (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Oh).

Die kathodische Reaktion (Sauerstoffreduktion) tritt außerhalb des Spaltes auf, Weitere anodische Auflösung im Inneren fahren.

Chloridionen konzentrieren sich im Spalt, um die Ladungsneutralität beizubehalten, den Angriff beschleunigen.

Zusammenfassungstabelle - Aluminiumkorrosionsmechanismen

6. Legierungseffekte auf die Korrosionsbeständigkeit

Aluminiums intrinsische Korrosionsresistenz beruht auf der schnellen Bildung eines Dünn, anhaftendes Aluminiumoxid (Al₂o₃) Film.

Jedoch, in der Ingenieurpraxis, Fast alle strukturellen Aluminium werden in legierter Form verwendet, und jedes Legierungselement kann die Stabilität und den Schutz der Oxidschicht erheblich beeinflussen.

Reines Aluminium vs. Aluminiumlegierungen

• Reines Aluminium (1100 Serie): Außergewöhnliche Korrosionsresistenz aufgrund minimaler Intermetallik; für chemische Geräte verwendet.
• 2XXX -Serie (Al-Cu): Niedrigere Korrosionsbeständigkeit, vor allem mit Niederschlag gehärtete Legierungen (Z.B., 2024), Anfällig für SCC und intergranularer Angriff.
• 5XXX -Serie (Al - mg): Gute marine Korrosionsresistenz; häufig in Schiffsrümpfen (Z.B., 5083, 5052).
• 6XXX -Serie (Al -mg -i): Ausgewogene Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit; in architektonischen Extrusionen weit verbreitet (Z.B., 6061).
• 7XXX -Serie (Al -Zn -mg): Sehr hohe Stärke, aber anfällig für SCC ohne ordnungsgemäße Behandlung.

Rolle von Kupfer, Magnesium, Silizium, Zink, und andere Elemente

• Kupfer: Erhöht die Festigkeit, senkt jedoch die Korrosionsbeständigkeit und die Lochfraßresistenz.
• Magnesium: Verbessert die Korrosionsresistenz in Meeresumgebungen, kann jedoch die intergranuläre Korrosion fördern, wenn sie nicht kontrolliert werden.
• Silizium: Verbessert die Fließfähigkeit und Gussbarkeit; Legierungen wie A356 zeigen eine bescheidene Korrosionsleistung.
• Zink: Trägt zur Stärke bei, reduziert aber die allgemeine Korrosionsbeständigkeit.
• Spurenelemente (Fe, Mn, Cr): Minimieren Sie schädliche Intermetallik; MN hilft bei der Verfeinerung der Getreidestruktur, Korrosionsverhalten zugute kommen.

Wärmebehandlung und Mikrostruktureinfluss

• Lösungswärmebehandlung und Alterung: Löst schädliche Ausfälle auf, Reduzierung der intergranulären Korrosion.
• Überlegen: Vergröste Niederschläge an Korngrenzen können Korrosion verschlimmern.
• Niederschlagshärtung: Erfordert eine sorgfältige Kontrolle, um Stärke und Korrosion auszugleichen.
• Wärmearbeit: Kaltarbeit (Z.B., rollen) kann Versetzungen erzeugen, die die lokale Korrosion verbessern.

7. Schutzmaßnahmen und Oberflächenbehandlungen

Eloxieren

• Verfahren: Elektrolytoxidation baut eine dickere Al₂o₃ -Schicht auf (10–25 μm).
• Typen:

• • Schwefelsäure Eloxieren (Typ II): Gemeinsam für architektonische und Konsumgüterprodukte (farbig).
  • Harte Anodierung (Typ III): Dicker (25–100 μm), hoher Verschleißfestigkeit; in Maschinen und Luft- und Raumfahrt verwendet.
  • Chromsäure -Anodisierung (Typ I): Verdünner (5–10 μm), Bessere Korrosionsbeständigkeit, minimale dimensionale Änderung; Wird für Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet.

• Vorteile: Verbesserter Korrosionsschutz, Verbesserte Haftung für Farben, Dekorative Oberflächen.

Umwandlungsbeschichtungen

• Chromatkonvertierungsbeschichtung: Hexavalent oder dreifach Chrombasis; Bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und Farb Adhäsion.
  Umweltprobleme führen zu dreifachen Alternativen.
• Phosphatbeschichtungen: Weniger häufig auf Aluminium; Gelegentlich zur Verbesserung der Lack -Adhäsion verwendet.
• Nichtchrome Alternativen: Fluoridbasiert, Zirkonat, oder Titanatchemie, die Korrosionsschutz ohne hexavalentes Chrom bieten.

Bio -Beschichtungen

• Flüssige Farben: Epoxy -Primer, Polyurethan -Topcoats, oder Fluoropolymer -Oberflächen schützen vor Feuchtigkeit und UV.
• Pulverbeschichtung: Polyester, Epoxid, oder Polyurethanpulver werden angewendet und gebacken, um langlebige Filme zu bilden. Dickere Abdeckung widersetzt sich Korrosion und Abrieb.

Kathodischer Schutz und Opferanoden

• Opferanoden (Zink, Magnesium): In Meerwasser verwendet, um untergetauchte Aluminiumstrukturen zu schützen; Die Anode korrodiert bevorzugt.
• Beeindruckter Strom: Weniger häufig für kleine Aluminiumartikel; Wird für große Meerestrukturen verwendet.

8. Abschluss

Aluminium tut es nicht rosten im konventionellen Sinne, Aber es korrodiert, Typischerweise bilden Sie eine stabile Oxidschicht, die sie vor weiteren Angriffen schützt.

Der Korrosionsbeständigkeit des Materials, kombiniert mit dem Verhältnis von Stärke zu Gewicht, macht es ideal für Branchen, die von der Luft- und Raumfahrt bis zum Bau reichen.

Jedoch, Verständnis seiner Korrosionsmechanismen, Umweltbeschränkungen, und Schutzmaßnahmen sind entscheidend für die Gewährleistung ihrer Langlebigkeit und Leistung.

Durch Kombination der richtigen Legierung, Oberflächenbehandlung, und Designüberlegungen, Aluminium kann jahrzehntelange wartungsfreie Service bieten.

 

Häufige Missverständnisse

Auch wenn das Korrosionsverhalten von Aluminium ausgiebig untersucht wurde, Mehrere Missverständnisse bestehen sowohl in der Industrie als auch in einem Volksdiskurs bestehen.

Die Behebung dieser Missverständnisse hilft Ingenieuren, Designer, und Endbenutzer treffen fundierte Entscheidungen bei der Auswahl oder Wartung von Aluminiumkomponenten.

"Aluminium korrodiert nie"

Ein weit verbreiteter Glaube besagt, dass Aluminium gegen alle Formen der Korrosion undurchlässig ist. In Wirklichkeit, Obwohl Aluminium nicht wie Stahl rostet, Es wird immer noch Korrosion unterzogen.

Sein natürlicher Oxidfilm (Al₂o₃) bildet sich fast unmittelbar nach Lufteinwirkung, Ausgezeichnet - aber nicht absolut - Schutz.

Unter aggressiven Bedingungen wie chloridreichen Umgebungen oder sauren Abflüssen, Diese passive Schicht kann zusammenbrechen, führt zu Loch- oder Spaltkorrosion.

daher, Während Aluminium oft unbeschichteten Stahl übertrifft, Es erfordert immer noch eine angemessene Legierungsauswahl und Oberflächenbehandlung für die Langlebigkeit.

"Weißes Pulver auf Aluminium ist harmlos"

Wenn Aluminiumoberflächen ein Weiß entwickeln, pudrige Rückstände - gewohnt als „weißer Rost“ bezeichnet -, vermutlich, dass es keine Bedrohung darstellt.

Jedoch, Dieses Pulver resultiert aus Hydroxid- oder Carbonatablagerungen, die sich unter hoher Luftfeuchtigkeit oder chemischer Exposition bilden.

Links ungesadressen, Diese Einlagen können Feuchtigkeit gegen das Metall behalten, Förderung der lokalisierten Korrosion unter dem Aufbau.

Regelmäßige Reinigungs- und Schutzbeschichtungsanwendung sind entscheidend, um zugrunde liegende Schäden zu verhindern, insbesondere bei exponierten Blech- oder Baumitgliedern.

"Alle Aluminiumlegierungen haben das gleiche Korrosionsverhalten"

Ein weiteres Missverständnis ist, dass alle Aluminiumlegierungen einen gleichmäßigen Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Tatsächlich, Legierungselemente verändern die Leistung dramatisch.

Zum Beispiel, 5XXX -Serie (Mg-tragend) Legierungen zeigen einen hervorragenden Widerstand in marinen Umgebungen,

während 2xxx- und 7xxx -Serien (Cu- und Zn-tragend) sind anfällig für Lochfraß- und Stresskorrosionsrisse, wenn sie unbehandelt bleiben.

Unter der Annahme einer kostengünstigen, Hochfeste Legierung reicht in jedem Umgebungsrisiko vor vorzeitiger Ausfall.

Daher, Wenn Sie die richtige Serie und das Temperament angeben - und möglicherweise die Anwendung von Anodisierung oder Verkleidung - verleiht die gewünschte Lebensdauer.

"Galvanische Korrosion ist nur unter extremen Bedingungen von Bedeutung"

Einige Designer der Meinung sind.

In Wahrheit, Sogar Spurenmengen an Feuchtigkeit, wie morgendliche Tau in einem Küstenklima, kann genug Leitfähigkeit erzeugen

Initiieren einer galvanischen Zelle zwischen Aluminiumverschluss und Kupferkabel, oder Aluminiumverkleidung in Kontakt mit Edelstahl.

Im Laufe der Zeit, Das anodische Aluminium korrodiert bevorzugt, was zur Gelenklockerung oder zur strukturellen Schwächung führt.

Um dies zu vermeiden, Ingenieure sollten immer unterschiedliche Metalle isolieren oder kompatible Befestigungselemente angeben.

"Anodisierung macht Aluminium vollständig korrosionssicher"

Die Anodierung verbessert sicherlich die Korrosionsbeständigkeit durch Verdicken der Oxidschicht, aber es macht Aluminium nicht unverwundbar.

Hartanodierte Oberflächen können Mikrorisse entwickeln, wenn sie thermischem Radfahren oder mechanischer Spannung ausgesetzt sind, und ohne ordnungsgemäße Versiegelung, Sie bleiben aggressiven Ionen porös.

Folglich, Wenn Sie sich ausschließlich auf eine Standardschwefel-Säure-Anodierung für eine Meeresumgebung verlassen.

Kombination der Anodisierung mit Versiegelung, Topcoats, oder kathodischer Schutz wird häufig für anspruchsvolle Anwendungen notwendig.

"Aluminium mit hoher Reinheit lindert alle Korrosionsbedenken"

Reinheit verbessert die angeborene Resistenz von Aluminium gegen Oxidation, doch gerade 99.99% Reines Aluminium kann unter Dichtungen oder in versiegelten Gehäusen spaltete Korrosion leiden.

Verunreinigungen von Spuren - Eisen, Silizium, Kupfer - näher dazu, sich an Korngrenzen zu konzentrieren, Erstellen lokalisierter galvanischer Zellen.

In der Praxis, Sehr hohe Aluminiumlegierungen (Z.B., 1100) Finden Sie die begrenzte Verwendung in strukturellen Anwendungen genau, weil ihnen die mechanische Stärke fehlt, um einen lokalisierten Angriff auszugleichen.

Das Gleichgewicht der Reinheit mit den notwendigen Legierungselementen bleibt wesentlich.