¿Aluminio óxido？

1. Introducción

La pregunta "¿El aluminio óxido?" surge con frecuencia en la ingeniería de materiales, diseño industrial, E incluso proyectos de bricolaje dias.

Estrictamente hablando, El óxido se refiere al óxido de hierro, El producto de corrosión marrón rojizo de hierro y acero.

Porque el aluminio forma un óxido diferente (óxido de aluminio), Técnicamente no se oxide en la forma en que el hierro. Sin embargo, El aluminio puede corroerse bajo ciertas condiciones.

Este artículo explica la química detrás de la oxidación de aluminio., contrastarlo con el oxiding de hierro, examina varios modos de corrosión, y describe estrategias de protección.

2. Definiendo "óxido" vs. Óxido de aluminio

Técnicamente, El óxido se refiere a la sustancia escamosa de color marrón rojizoóxido de hierro—As se forma cuando el hierro reacciona con oxígeno y humedad.

Aluminio, Ser un metal no ferroso, no se oxide de esta manera. En cambio, se sufre oxidación, produciendo un duro, incoloro, y capa adherente de óxido de aluminio (Al₂O₃).

Esta capa de óxido se forma casi instantáneamente en presencia de aire y agua., Crear una barrera natural que inhiba una mayor corrosión.

Si bien este proceso a veces se conoce como "óxido blanco" en términos laicos, es fundamentalmente diferente de la oxidación del acero.

3. Capa protectora de óxido en aluminio

Formación de óxido nativo y grosor

Inmediatamente tras la exposición al aire, El aluminio desarrolla un óxido nativo de ~ 2–5 nm de espesor. Estudios para cine (XPS, elipsometría) Confirme que esta capa se forma en segundos.

En aire seco, grosor mesetas; En ambientes húmedos, puede espesarse ligeramente (5–10 nm) pero sigue siendo protector.

Mecanismo de auto-pasivación

Si un pequeño rasguño rompe el óxido, Aluminio fresco debajo de oxidaciones para reparar la película.

Este autosanación El mecanismo garantiza la protección continua siempre que esté presente suficiente oxígeno o vapor de agua.

En configuraciones de oxígeno limitado (P.EJ., bajo el agua en agua estancada), La pasivación aún puede ocurrir pero puede ser más lenta.

Propiedades mecánicas y químicas de al₂o₃

El óxido de aluminio es:

• Duro (Mohs ~ 9), Aumento de la resistencia a los rasguños de la superficie.
• Estable químicamente en medios neutros y alcalinos hasta ~ ph 9, aunque atacado en fuertemente ácido (ph < 4) o alcalino (ph > 9) entornos.
• Baja conductividad eléctrica, que puede contribuir a la corrosión localizada (P.EJ., boquiabierto) bajo ciertas condiciones.

4. Comportamiento de corrosión del aluminio en varios entornos

Exposición atmosférica

• Clima seco: Oxidación adicional mínima más allá de la película nativa; La apariencia sigue siendo brillante.
• Aire húmedo: La capa de óxido se espesa ligeramente, Mantener la protección. Contaminantes (So₂, Noₓ) puede acidificar rocío, causando picaduras suaves.
• Atmósfera marina: Aerosoles cargados de cloruro óxido de ataque, conduciendo a las picaduras si los recubrimientos protectores están ausentes.

Entornos acuosos

• Agua dulce: El aluminio resiste agua neutra suave, Formando establo al₂o₃.
• Agua de mar: Cloruro alto (~ 19,000 ppm) promociona corrosión de picadura. Se pueden formar pequeños pozos, Pero la corrosión uniforme sigue siendo baja.
• Soluciones ácidas/alcalinas:

• • ph < 4: El óxido se disuelve, Exponer el metal desnudo al ataque rápido.
  • ph > 9: El óxido también se disuelve (Al₂o₃ Solubility aumenta), conduciendo a la corrosión activa.

Oxidación a alta temperatura

Por encima de ~ 200 ° C en el aire, la capa de óxido se vuelve más gruesa (hasta los micrómetros) En una tendencia de tasa parabólica.

Mientras aún es protector, La expansión térmica diferencial entre Al y Al₂o₃ puede inducir la espalación si se enfría rápidamente. En los componentes del motor (P.EJ., pistones), Cuentas de diseño para el crecimiento controlado de óxido.

Corrosión galvánica

Cuando el aluminio contacta con un metal más noble (acero, cobre) en presencia de un electrolito, El aluminio se convierte en el ánodo y corroe preferentemente.

El aislamiento adecuado o la protección catódica evita el ataque galvánico.

5. Tipos de corrosión de aluminio

Aunque la película de óxido nativo del aluminio ofrece una protección sustancial en muchas condiciones, Varios entornos y tensiones pueden desencadenar modos de corrosión distintos.

Corrosión uniforme

Corrosión uniforme (a veces llamado corrosión general) implica una pérdida relativamente uniforme de metal en superficies expuestas.

En aluminio, La corrosión uniforme ocurre cuando el óxido protector (Al₂O₃) se disuelve o se vuelve químicamente inestable, Permitir que el metal subyacente se oxida a una velocidad casi constante.

Corrosión de picadura

Las picaduras comienzan cuando el cloruro u otros aniones agresivos violan la barrera pasiva de Al₂o₃ en un lugar localizado.

Una vez que un pozo se nuclea, Se produce la acidificación local (Debido a la hidrólisis de la Alte disuelto), Disolver aún más alúmina y acelerar la profundidad del pozo.

La morfología del pozo a menudo es estrecha y profunda, Haciendo que sea difícil detectar antes de una penetración significativa.

Corrosión intergranular

Corrosión intergranular (IGC) ataca la región límite de grano preferentemente, a menudo donde los elementos de aleación han precipitado durante el tratamiento térmico (P.EJ., A temperaturas 150–350 ° C).

Estos precipitados (Cú -rico, Mg₂si, o al₂cu) agotar la matriz adyacente de solutos de aleación, creando un camino anódico estrecho a lo largo de los límites de grano.

Cuando se sumerge en entornos corrosivos, Los límites de grano se corroen por delante de los interiores de grano, dando como resultado la caída de grano o las rutas de falla frágiles.

Agrietamiento de estrés por corrosión (SCC)

SCC es un modo de falla sinérgica que requiere tres condiciones: una aleación susceptible, Un entorno corrosivo, y estrés por tracción (residual o aplicado).

En estas condiciones, Las grietas se inician en la interfaz metal/óxido y se propagan de manera intergranular o transgranular a niveles de estrés muy por debajo de la resistencia al rendimiento.

Corrosión de grietas

La corrosión de la grieta se desarrolla en áreas blindadas o confinadas, bajo juntas, cabezales de remaches, o juntas de regazo, donde un electrolito estancado se agota de oxígeno.

Dentro de la grieta, La disolución del metal genera Al³⁺ y acidifica el entorno local (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

La reacción catódica (reducción de oxígeno) ocurre fuera de la grieta, Conducir más disolución anódica dentro.

Los iones de cloruro se concentran en la grieta para mantener la neutralidad de la carga, Acelerando el ataque.

Tabla resumida - Mecanismos de corrosión de aluminio

6. Efectos de aleación sobre la resistencia a la corrosión

La resistencia a la corrosión intrínseca del aluminio proviene de la rápida formación de una delgada, óxido de aluminio adherente (Al₂O₃) película.

Sin embargo, en práctica de ingeniería, Casi todo el aluminio estructural se usa en forma aleada, y cada elemento de aleación puede influir significativamente en la estabilidad y la protección de la capa de óxido.

Aluminio puro vs. Aleaciones de aluminio

• Aluminio puro (1100 serie): Resistencia de corrosión excepcional debido a los intermetálicos mínimos; utilizado para equipos químicos.
• 2serie xxx (Al-CU): Resistencia a la corrosión más baja, Especialmente aleaciones endurecidas por precipitación (P.EJ., 2024), propenso a SCC y un ataque intergranular.
• 5serie xxx (Al -MG): Buena resistencia a la corrosión marina; Común en los cascos de los barcos (P.EJ., 5083, 5052).
• 6serie xxx (Al -mg -i): Resistencia equilibrada y resistencia a la corrosión; ampliamente utilizado en extrusiones arquitectónicas (P.EJ., 6061).
• 7serie xxx (Al -Zn - MG): Muy alta fuerza pero vulnerable a SCC sin un tratamiento adecuado.

Papel del cobre, Magnesio, Silicio, Zinc, y otros elementos

• Cobre: Aumenta la resistencia pero reduce la resistencia a la corrosión y la resistencia a las picaduras.
• Magnesio: Mejora la resistencia a la corrosión en entornos marinos, pero puede promover la corrosión intergranular si no se controla.
• Silicio: Mejora la fluidez y la capacidad de castigo; Las aleaciones como A356 muestran un modesto rendimiento de corrosión.
• Zinc: Contribuye a la resistencia pero reduce la resistencia a la corrosión general.
• Elementos traza (Ceñudo, Minnesota, CR): Minimizar intermetálicos perjudiciales; Mn ayuda a refinar la estructura de grano, beneficiar el comportamiento de la corrosión.

Tratamiento térmico e influencia de microestructura

• Tratamiento térmico y envejecimiento de la solución: Disuelve precipitados dañinos, Reducción de la corrosión intergranular.
• En exceso: Los precipitados engrosados ​​en los límites de grano pueden empeorar la corrosión.
• Endurecimiento por precipitación: Requiere un control cuidadoso para equilibrar la fuerza y ​​la corrosión.
• Trabajo térmico: Trabajo frío (P.EJ., laminación) puede producir dislocaciones que mejoran la corrosión local a menos que sean seguidos de recocido apropiado.

7. Medidas protectoras y tratamientos superficiales

Anodizante

• Proceso: La oxidación electrolítica construye una capa Al₂o₃ más gruesa (10–25 μm).
• Tipos:

• • Ácido sulfúrico Anodizante (Tipo II): Común para los productos arquitectónicos y de consumo (de colores).
  • Anodización dura (Tipo III): Más grueso (25–100 μm), alta resistencia al desgaste; utilizado en maquinaria y aeroespacial.
  • Anodizante de ácido crómico (Tipo I): Disolvente (5–10 μm), mejor resistencia a la corrosión, cambio dimensional mínimo; utilizado para componentes aeroespaciales.

• Beneficios: Protección de corrosión mejorada, Adhesión mejorada para pinturas, acabados decorativos.

Revestimiento de conversión

• Revestimiento de conversión de cromato: Hexavalent o trivalente a base de cromo; proporciona una buena resistencia a la corrosión y adhesión de pintura.
  Las preocupaciones ambientales están impulsando alternativas trivalentes.
• Recubrimientos fosfato: Menos común en el aluminio; Ocasionalmente se usa para mejorar la adhesión de la pintura.
• Alternativas que no son cromadas: Basado en fluoruro, circonato, o químicas de titanato que ofrecen protección contra la corrosión sin cromo hexavalente.

Revestimiento orgánico

• Pinturas líquidas: Cebadores epoxi, abrigos de poliuretano, o los acabados de fluoropolímero protegen contra la humedad y los rayos UV.
• Revestimiento de polvo: Poliéster, epoxy, o los polvos de poliuretano se aplican y se hornean para formar películas duraderas. La cobertura más gruesa resiste la corrosión y la abrasión.

Protección catódica y anodes de sacrificio

• Anodos sacrificados (Zinc, Magnesio): Usado en agua de mar para proteger las estructuras de aluminio sumergidas; el ánodo corroe preferentemente.
• Corriente impresa: Menos común para artículos de aluminio pequeños; utilizado para grandes estructuras marinas.

8. Conclusión

El aluminio lo hace no óxido en el sentido convencional, Pero se corroe, típicamente formando una capa de óxido estable que la proteja del ataque adicional.

La resistencia del material a la corrosión, combinado con su relación de fuerza / peso, lo hace ideal para industrias que van desde aeroespacial hasta construcción.

Sin embargo, Comprender sus mecanismos de corrosión, limitaciones ambientales, y las medidas de protección son cruciales para garantizar su longevidad y rendimiento.

Combinando la aleación correcta, tratamiento superficial, y consideraciones de diseño, El aluminio puede proporcionar décadas de servicio sin mantenimiento.

 

Conceptos erróneos comunes

A pesar de que el comportamiento de corrosión de aluminio se ha estudiado ampliamente, Varios malentendidos persisten tanto en la industria como en el discurso popular.

Abordar estos conceptos erróneos ayuda a los ingenieros, diseñadores, y los usuarios finales toman decisiones informadas al seleccionar o mantener componentes de aluminio.

"El aluminio nunca se corroe"

Una creencia generalizada sostiene que el aluminio es impermeable a todas las formas de corrosión.. En realidad, Aunque el aluminio no se oxide como acero, todavía sufre corrosión.

Su película de óxido natural (Al₂O₃) se forma casi inmediatamente después de la exposición al aire, Proporcionar excelente, pero no absoluta, protección.

En condiciones agresivas como entornos ricos en cloruro o desagües ácidos, Esa capa pasiva puede romperse, conduciendo a la corrosión de las picaduras o las grietas.

Por lo tanto, mientras que el aluminio a menudo supera el acero sin recubrimiento, todavía requiere una selección de aleación apropiada y tratamiento de superficie para la longevidad..

"El polvo blanco sobre aluminio es inofensivo"

Cuando las superficies de aluminio desarrollan un blanco, Residuo en polvo, comúnmente conocido como "óxido blanco", muchos suponen que no representa amenaza.

Sin embargo, Este polvo resulta de depósitos de hidróxido o carbonato que se forman bajo alta humedad o exposición química.

No se aborda, Estos depósitos pueden retener la humedad contra el metal., Fomentar la corrosión localizada debajo de la acumulación.

La aplicación de limpieza y recubrimiento protectora regular es fundamental para evitar daños subyacentes, particularmente en chapa expuesta o miembros estructurales.

"Todas las aleaciones de aluminio tienen el mismo comportamiento de corrosión"

Otro error es que todas las aleaciones de aluminio exhiben resistencia a la corrosión uniforme. De hecho, Elementos de aleación altera drásticamente el rendimiento.

Por ejemplo, 5serie xxx (Mg) Las aleaciones muestran una excelente resistencia en entornos marinos,

Mientras que la serie 2xxx y 7xxx (Cu- y Zn-portando) son propensos a las picaduras y el agrietamiento por estrés por la corrosión si no se tratan.

Asumiendo un bajo costo, La aleación de alta resistencia será suficiente en todos los riesgos de la falla prematura.

De este modo, Especificar la serie y el temperamento correctos, y posiblemente aplicando anodización o revestimiento, fijan la vida útil deseada.

"La corrosión galvánica solo importa en condiciones extremas"

Algunos diseñadores piensan que la corrosión galvánica solo ocurre en un servicio altamente agresivo o sumergido.

En verdad, Incluso trazas de humedad, como el rocío de la mañana en un clima costero, puede crear suficiente conductividad

iniciar una célula galvánica entre los sujetadores de aluminio y el cableado de cobre, o molduras de aluminio en contacto con acero inoxidable.

Con el tiempo, el aluminio anódico corroerá preferentemente, conducir al aflojamiento de la articulación o el debilitamiento estructural.

Para evitar esto, Los ingenieros siempre deben aislar metales diferentes o especificar sujetadores compatibles.

"La anodización hace que el aluminio sea completamente a prueba de corrosión"

La anodización ciertamente mejora la resistencia a la corrosión al engrosar la capa de óxido, Pero no hace que el aluminio sea invulnerable.

Las superficies anodizadas duras pueden desarrollar microcracks si están expuestas al ciclo térmico o al estrés mecánico, y sin un sellado adecuado, permanecen porosos a iones agresivos.

Como consecuencia, Confiar únicamente en un anodizado estándar de ácido sulfúrico para un entorno marino puede conducir a las picaduras con el tiempo.

Combinando anodización con selladores, abrigos, o la protección catódica a menudo se vuelve necesaria para exigir aplicaciones.

"El aluminio de alta pureza alivia todas las preocupaciones de corrosión"

La pureza mejora la resistencia innata del aluminio a la oxidación, Sin embargo, incluso 99.99% El aluminio puro puede sufrir corrosión de grietas en juntas o recintos sellados en el interior.

Trace impurezas: hierro, silicio, cobre: ​​tend para concentrarse en los límites de grano, Creación de células galvánicas localizadas.

En la práctica, aleaciones de aluminio de muy alta pureza (P.EJ., 1100) Encuentre un uso limitado en aplicaciones estructurales precisamente porque carecen de la resistencia mecánica para compensar un ataque localizado.

Equilibrar la pureza con los elementos de aleación necesarios sigue siendo esencial.