آیا زنگ زدگی آلومینیوم

1. مقدمه

سوال "آیا زنگ زدگی آلومینیوم است?” غالباً در مهندسی مواد بوجود می آید, طراحی صنعتی, و حتی پروژه های DIY روزمره.

کاملاً صحبت کردن, زنگ زدگی به اکسید آهن اشاره دارد, محصول خوردگی مایل به قرمز مایل به قهوه ای آهن و فولاد.

زیرا آلومینیوم اکسید متفاوتی تشکیل می دهد (اکسید آلومینیوم), از نظر فنی به روشی که آهن انجام می دهد زنگ نمی زند. با این وجود, آلومینیوم می تواند تحت شرایط خاصی فاسد شود.

در این مقاله شیمی در پشت اکسیداسیون آلومینیوم توضیح داده شده است, متضاد آن با زنگ زدگی آهن, حالت های مختلف خوردگی را بررسی می کند, و استراتژی های محافظتی را تشریح می کند.

2. تعریف "زنگ زدگی" در مقابل. اکسید آلومینیوم

از نظر فنی, Rust به ماده پوسته پوسته مایل به قرمز مایل به قهوه ای اشاره دارد-اکسید آهن- این شکل می گیرد که آهن با اکسیژن و رطوبت واکنش نشان می دهد.

آلومینیوم, یک فلز غیر آهنی بودن, به این روش زنگ نمی زند. در عوض, تحت اکسیداسیون, تولید سخت, بی رنگ, و لایه چسبنده از اکسید آلومینیوم (الحس).

این لایه اکسید تقریباً فوراً در حضور هوا و آب تشکیل می شود, ایجاد یک مانع طبیعی که باعث خوردگی بیشتر می شود.

در حالی که این فرایند گاهی اوقات به اصطلاح "زنگ زدگی سفید" گفته می شود, اساساً با زنگ زدگی فولاد متفاوت است.

3. لایه اکسید محافظ بر روی آلومینیوم

تشکیل و ضخامت اکسید بومی

بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض هوا, آلومینیوم اکسید بومی با ضخامت 2-5 نانومتر ~ ایجاد می کند. مطالعات فیلم سازی (XPS, بیضومتری) تأیید کنید که این لایه در عرض چند ثانیه شکل می گیرد.

در هوای خشک, ضخامت; در محیط های مرطوب, می تواند کمی ضخیم شود (5-10 نانومتر) اما محافظ باقی مانده است.

مکانیزم روسری

اگر یک خراش کوچک اکسید را نقض کند, آلومینیوم تازه در زیر اکسیده شده برای ترمیم فیلم.

این خود داری مکانیسم تا زمانی که اکسیژن کافی یا بخار آب وجود داشته باشد ، محافظت مداوم را تضمین می کند.

در تنظیمات اکسیژن محدود (به عنوان مثال, زیر آب در آب راکد), انفعال هنوز هم می تواند رخ دهد اما ممکن است کندتر باشد.

خصوصیات مکانیکی و شیمیایی Al₂o₃

اکسید آلومینیوم است:

• سخت (Mohs 9 ~), افزایش مقاومت در برابر خراش سطح.
• از نظر شیمیایی پایدار در رسانه های خنثی و قلیایی تا pH 9, اگرچه به شدت اسیدی حمله شده است (PH < 4) یا قلیایی (PH > 9) محیط.
• هدایت الکتریکی کم, که می تواند به خوردگی موضعی کمک کند (به عنوان مثال, گودال) تحت شرایط خاص.

4. رفتار خوردگی آلومینیوم در محیط های مختلف

قرار گرفتن در معرض جوی

• آب و هوای خشک: حداقل اکسیداسیون بیشتر فراتر از فیلم بومی; ظاهر درخشان باقی مانده است.
• هوای مرطوب: لایه اکسید کمی ضخیم می شود, حفظ محافظت. الحاق (خیلی, نه) آیا می تواند شبنم را اسیدی کند, باعث گودال خفیف.
• جو دریایی: آئروسل های کلرید با اکسید حمله می کنند, در صورت وجود پوشش های محافظ ، منجر به گودبرداری می شود.

محیط های آبی

• آب شیرین: آلومینیوم در برابر آب خنثی خفیف مقاومت می کند, تشکیل al₂o₃ پایدار.
• آب دریا: کلرید (19،000 پوند در دقیقه) ترویج خوردگی. چاله های کوچک می توانند تشکیل شوند, اما خوردگی یکنواخت همچنان کم است.
• محلول های اسیدی/قلیایی:

• • PH < 4: اکسید حل می شود, قرار دادن فلز لخت در حمله سریع.
  • PH > 9: اکسید نیز حل می شود (حلالیت al₂o₃ افزایش می یابد), منجر به خوردگی فعال.

اکسیداسیون درجه حرارت بالا

بالاتر از 200 درجه سانتیگراد در هوا, لایه اکسید ضخیم تر می شود (تا میکرومتر) در یک روند نرخ پارابولیک.

در حالی که هنوز محافظ است, انبساط حرارتی دیفرانسیل بین آل و آلیاو در صورت خنک شدن به سرعت می تواند باعث ایجاد اسپل شدن شود. در اجزای موتور (به عنوان مثال, پیستون), طراحی برای رشد اکسید کنترل شده.

خوردگی گالوانیک

هنگامی که آلومینیوم با یک فلز نجیب تر تماس می گیرد (فولاد, مس) در حضور یک الکترولیت, آلومینیوم آند می شود و ترجیح می دهد.

عایق بندی مناسب یا محافظت از کاتدیک از حمله گالوانیک جلوگیری می کند.

5. انواع خوردگی آلومینیوم

اگرچه فیلم اکسید بومی آلومینیوم در بسیاری از شرایط محافظت قابل توجهی دارد, محیط ها و استرس های مختلف می تواند حالت های خوردگی متمایز را ایجاد کند.

خوردی یکنواخت

خوردی یکنواخت (گاهی اوقات خوردگی عمومی نامیده می شود) شامل از بین رفتن نسبتاً یکنواخت فلز در سطوح در معرض.

در آلومینیوم, خوردگی یکنواخت هنگامی رخ می دهد که اکسید محافظ (الحس) حل می شود یا از نظر شیمیایی ناپایدار می شود, اجازه می دهد فلز زیرین با سرعت تقریباً ثابت اکسیده شود.

خوردگی

گودال هنگامی شروع می شود که کلرید یا سایر آنیونهای تهاجمی مانع منفعل al₂o₃ را در یک نقطه بومی نقض کنند.

هنگامی که یک گودال هسته می شود, اسیدی شدن موضعی رخ می دهد (به دلیل هیدرولیز حل شده al³⁺), بیشتر حل آلومینا و تسریع در عمق گودال.

مورفولوژی گودال اغلب باریک و عمیق است, تشخیص آن قبل از نفوذ قابل توجه چالش برانگیز است.

خوردگی بین دانه ای

خوردگی بین دانه ای (igc) به منطقه مرزی دانه ترجیحاً حمله می کند, غالباً در جایی که عناصر آلیاژ در حین عملیات حرارتی رسوب کرده اند (به عنوان مثال, در دمای 150-350 درجه سانتیگراد).

این رسوبات (غنی کردن, mg₂si, یا آلکو) ماتریس مجاور املاح آلیاژ را کاهش دهید, ایجاد یک مسیر آندی باریک در امتداد مرزهای دانه.

هنگامی که در محیط های خورنده غوطه ور می شوند, مرزهای دانه پیش از فضای داخلی دانه خوردگی می کنند, منجر به قطره دانه - در مسیر یا خرابی شکننده می شود.

ترک خوردگی (SCC)

SCC یک حالت خرابی هم افزایی است که به سه شرط نیاز دارد: یک آلیاژ مستعد, یک محیط خورنده, و استرس کششی (باقیمانده یا کاربردی).

تحت این شرایط, ترک ها در رابط فلز/اکسید آغاز می شوند و به صورت بین گرا یا تجربی در سطح استرس بسیار پایین تر از قدرت عملکرد پخش می شوند.

خوردگی

خوردگی Crevice در مناطق محافظ یا محدود - زیر واشرها ایجاد می شود, سرهای پرچ, یا اتصالات دامان - جایی که یک الکترولیت راکد از اکسیژن تخلیه می شود.

درون شکاف, انحلال فلز باعث ایجاد آلوده می شود و محیط محلی را اسیدی می کند (al₂o₃ → al³⁺ + 3اوه).

واکنش کاتدی (کاهش اکسیژن) در خارج از شکاف رخ می دهد, رانندگی بیشتر در انحلال آندی در داخل.

یونهای کلرید برای حفظ بی طرفی بار در شکاف متمرکز می شوند, تسریع در حمله.

جدول خلاصه - مکانیسم های خوردگی آلومینیوم

6. اثرات آلیاژ بر مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت در برابر خوردگی ذاتی آلومینیوم ناشی از شکل گیری سریع یک نازک است, اکسید آلومینیوم چسبنده (الحس) فیلم.

هر چند, در تمرین مهندسی, تقریباً تمام آلومینیوم ساختاری به شکل آلیاژ استفاده می شود, و هر عنصر آلیاژ می تواند به طور قابل توجهی بر پایداری و محافظت از لایه اکسید تأثیر بگذارد.

آلومینیوم خالص در مقابل. آلیاژهای آلومینیوم

• آلومینیوم خالص (1100 سری): مقاومت در برابر خوردگی استثنایی به دلیل حداقل بین فلزی; مورد استفاده برای تجهیزات شیمیایی.
• 2سری xxx (الو): مقاومت در برابر خوردگی پایین, به خصوص آلیاژهای سخت بارش (به عنوان مثال, 2024), مستعد ابتلا به SCC و حمله بین دانه ای.
• 5سری xxx (ال MG): مقاومت در برابر خوردگی دریایی خوب; رایج در بدنه کشتی (به عنوان مثال, 5083, 5052).
• 6سری xxx (al -mg -i): مقاومت متعادل و مقاومت در برابر خوردگی; به طور گسترده در اکستروژن های معماری استفاده می شود (به عنوان مثال, 6061).
• 7سری xxx (zn -mg): استحکام بسیار بالا اما در برابر SCC بدون درمان مناسب آسیب پذیر است.

نقش مس, منیزیم, سیلیکون, روی, و عناصر دیگر

• مس: قدرت را افزایش می دهد اما مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر گودال را کاهش می دهد.
• منیزیم: مقاومت در برابر خوردگی در محیط های دریایی را تقویت می کند اما در صورت کنترل نمی تواند خوردگی بین دانه ای را تقویت کند.
• سیلیکون: سیالیت و ریخته گری را بهبود می بخشد; آلیاژهای مانند A356 عملکرد خوردگی متوسط ​​را نشان می دهند.
• روی: به قدرت کمک می کند اما مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می دهد.
• عناصر ردیابی (با, منگنه, کلوچه): بین فلزی های مضر را به حداقل برسانید; MN به اصلاح ساختار دانه کمک می کند, بهره مندی از رفتار خوردگی.

عملیات حرارتی و تأثیر ریزساختار

• عملیات حرارتی محلول و پیری: رسوبات مضر را حل می کند, کاهش خوردگی بین دانه ای.
• عمل بیش از حد: رسوبات درشت در مرزهای دانه می تواند خوردگی را بدتر کند.
• سخت شدن: برای تعادل قدرت و خوردگی نیاز به کنترل دقیق دارد.
• کار حرارتی: سرد (به عنوان مثال, نورد) می تواند جابجایی هایی ایجاد کند که باعث افزایش خوردگی محلی می شود مگر اینکه آن را بازپرداخت مناسب انجام دهد.

7. اقدامات محافظتی و تیمارهای سطحی

آندایز کردن

• فرآیند: اکسیداسیون الکترولیتی یک لایه ضخیم تر ایجاد می کند (10-25 میکرومتر).
• انواع:

• • اسید سولفوریک آندایز کردن (نوع دوم): مشترک برای محصولات معماری و مصرفی (رنگ پذیر).
  • آنودایزر سخت (نوع سوم): ضخیم (25-100 میکرومتر), مقاومت در برابر سایش زیاد; در ماشین آلات و هوافضا استفاده می شود.
  • آنودایز کردن اسید کرومیک (نوع I): نازک تر (5-10 میکرومتر), مقاومت در برابر خوردگی بهتر, حداقل تغییر بعدی; برای اجزای هوافضا استفاده می شود.

• فواید: محافظت در برابر خوردگی پیشرفته, چسبندگی بهبود یافته برای رنگ ها, پایان های تزئینی.

روکش های تبدیل

• پوشش تبدیل کرومات: هگزاوالنت یا سه ظرفیتی مبتنی بر کروم; مقاومت در برابر خوردگی خوب و چسبندگی رنگ را فراهم می کند.
  نگرانی های زیست محیطی جایگزین های سه ظرفیتی است.
• روکش های فسفات: کمتر در آلومینیوم رایج است; گاهی اوقات برای بهبود چسبندگی رنگ استفاده می شود.
• گزینه های غیر منتخب: مبتنی بر فلوراید, زیرکون, یا شیمی درمانی تیتانات که محافظت از خوردگی بدون کروم شش ضلعی دارند.

پوشش های ارگانیک

• رنگهای مایع: آغازگرهای اپوکسی, روکش های پلی اورتان, یا فلوروپلیمر به پایان می رسد در برابر رطوبت و UV محافظت می کند.
• پوشش پودری: پلی استر, حکیم, یا پودرهای پلی اورتان برای شکل گیری فیلم های بادوام استفاده و پخته می شوند. پوشش ضخیم تر در برابر خوردگی و سایش مقاومت می کند.

حفاظت کاتدیک و آندهای قربانی

• آنهای قربانی (روی, منیزیم): در آب دریا برای محافظت از سازه های آلومینیومی غوطه ور استفاده می شود; آند ترجیح می دهد.
• جریان تحت تأثیر: کمتر برای موارد کوچک آلومینیومی رایج است; برای ساختارهای بزرگ دریایی استفاده می شود.

8. پایان

آلومینیوم انجام می دهد زنگ زدگی به معنای متعارف, اما آیا خوردگی می کند, به طور معمول تشکیل یک لایه اکسید پایدار که از حمله بیشتر محافظت می کند.

مقاومت مواد در برابر خوردگی, همراه با نسبت قدرت به وزن, آن را برای صنایع مختلف از هوافضا تا ساخت و ساز ایده آل می کند.

هر چند, درک مکانیسم های خوردگی آن, محدودیت های زیست محیطی, و اقدامات محافظتی برای اطمینان از ماندگاری و عملکرد آن بسیار مهم است.

با ترکیب آلیاژ مناسب, درمان سطحی, و ملاحظات طراحی, آلومینیوم می تواند چندین دهه خدمات بدون تعمیر و نگهداری را ارائه دهد.

 

تصورات غلط رایج

حتی اگر رفتار خوردگی آلومینیوم به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است, چندین سوء تفاهم در صنعت و گفتمان مردمی ادامه دارد.

پرداختن به این تصورات غلط به مهندسان کمک می کند, طراح, و کاربران نهایی هنگام انتخاب یا حفظ اجزای آلومینیومی تصمیمات آگاهانه می گیرند.

"آلومینیوم هرگز خراب نمی شود"

یک اعتقاد گسترده معتقد است که آلومینیوم در برابر همه اشکال خوردگی غیرقابل نفوذ است. در واقعیت, اگرچه آلومینیوم مانند فولاد زنگ نمی زند, هنوز هم تحت تأثیر خوردگی قرار می گیرد.

فیلم اکسید طبیعی آن (الحس) تقریباً بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض هوا شکل می گیرد, ارائه محافظت عالی - اما نه مطلق -.

در شرایط تهاجمی مانند محیط های غنی از کلرید یا زهکشی اسیدی, آن لایه منفعل می تواند خراب شود, منجر به خوردگی گودال یا شکاف.

از این رو, در حالی که آلومینیوم اغلب از فولاد بدون پوشش بهتر عمل می کند, هنوز هم نیاز به انتخاب آلیاژ مناسب و درمان سطح برای ماندگاری دارد.

"پودر سفید روی آلومینیوم بی ضرر است"

هنگامی که سطوح آلومینیومی سفید ایجاد می کنند, باقیمانده پودری - به طور معمول از آن به عنوان "زنگ زدگی سفید" یاد می شود - بسیاری فرض می کنند که هیچ تهدیدی ایجاد نمی کند.

هر چند, این پودر ناشی از هیدروکسید یا رسوبات کربنات است که تحت رطوبت زیاد یا قرار گرفتن در معرض شیمیایی قرار می گیرند.

بدون فشار, این سپرده ها می توانند رطوبت را در برابر فلز حفظ کنند, تقویت خوردگی موضعی در زیر ساخت.

کاربرد منظم تمیز کردن و پوشش محافظ برای جلوگیری از آسیب های اساسی بسیار مهم است, به ویژه در مورد ورق های فلزی یا اعضای ساختاری.

"همه آلیاژهای آلومینیوم رفتار خوردگی یکسانی دارند"

تصور غلط دیگر این است که تمام آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی یکنواخت را نشان می دهند. در واقع, عناصر آلیاژی به طرز چشمگیری عملکرد را تغییر می دهند.

به عنوان مثال, 5سری xxx (MG-Bearing) آلیاژها مقاومت بسیار خوبی در تنظیمات دریایی نشان می دهند,

در حالی که سری 2xxx و 7xxx (مس- و روی تحمل) در صورت عدم درمان مستعد ابتلا به گودال و ترک خوردگی استرس هستند.

با فرض کم هزینه, آلیاژ با استحکام بالا در هر محیطی کافی خواهد بود که باعث نارسایی زودرس شود.

بدین ترتیب, مشخص کردن سری و خلق و خوی صحیح و احتمالاً استفاده از آنودایزاسیون یا روکش - باعث حسابرسی عمر خدمات مورد نظر می شود.

"خوردگی گالوانیک فقط در شرایط شدید اهمیت دارد"

برخی از طراحان فکر می کنند که خوردگی گالوانیک فقط در خدمات بسیار تهاجمی یا غوطه ور اتفاق می افتد.

در حقیقت, حتی مقادیر رطوبت, مانند شبنم صبح در آب و هوای ساحلی, می تواند هدایت کافی ایجاد کند

برای شروع یک سلول گالوانیک بین اتصال دهنده های آلومینیوم و سیم کشی مس, یا تریم آلومینیوم در تماس با فولاد ضد زنگ.

با گذشت زمان, آلومینیوم آندی ترجیحاً خوردگی می کند, منجر به شل شدن مفصل یا تضعیف ساختاری.

برای جلوگیری از این, مهندسان همیشه باید فلزات متفاوت را عایق بندی کنند یا اتصال دهنده های سازگار را مشخص کنند.

"آنودایز کردن باعث می شود آلومینیوم کاملاً ضد خوردگی باشد"

آنودایزاسیون مطمئناً مقاومت در برابر خوردگی را با ضخیم شدن لایه اکسید بهبود می بخشد, اما این آلومینیوم را غیرقابل تحمل نمی کند.

سطوح آنودایز شده سخت می توانند در صورت قرار گرفتن در معرض دوچرخه سواری حرارتی یا استرس مکانیکی ، ریزگردها ایجاد کنند, و بدون آب بندی مناسب, آنها متخلخل برای یون های تهاجمی هستند.

در نتیجه, تکیه فقط به یک آنودایز استاندارد گوگرد سولفوریک برای یک محیط دریایی ممکن است به مرور زمان منجر به گودبرداری شود.

ترکیب آنودایزاسیون با درزگیرها, گل, یا حفاظت از کاتدیک اغلب برای درخواست برنامه ها ضروری می شود.

"آلومینیوم با خلوص بالا همه نگرانی های خوردگی را کاهش می دهد"

خلوص مقاومت ذاتی آلومینیوم در برابر اکسیداسیون را تقویت می کند, با این حال حتی 99.99% آلومینیوم خالص می تواند در زیر واشرها یا در داخل محفظه های مهر و موم شده ، خوردگی شکاف داشته باشد.

ردیابی ناخالصی - آهن, سیلیکون, مس - به تمرکز در مرزهای دانه, ایجاد سلولهای گالوانیک موضعی.

در عمل, آلیاژهای آلومینیومی بسیار با خلوص بالا (به عنوان مثال, 1100) استفاده محدود در کاربردهای ساختاری را دقیقاً پیدا کنید زیرا آنها فاقد قدرت مکانیکی برای جبران حمله موضعی هستند.

تعادل خلوص با عناصر آلیاژ لازم همچنان ضروری است.