Fait de la rouille en aluminium？

1. Introduction

La question «Fait de la rouille en aluminium?" surgit fréquemment dans l'ingénierie des matériaux, dessin industriel, Et même les projets de bricolage de tous les jours.

À proprement parler, La rouille fait référence à l'oxyde de fer, Le produit de corrosion brun rougeâtre feuilleté du fer et de l'acier.

Parce que l'aluminium forme un oxyde différent (oxyde d'aluminium), Il ne rouille techniquement pas comme le fer. Néanmoins, L'aluminium peut corroder dans certaines conditions.

Cet article explique la chimie derrière l'oxydation de l'aluminium, le contraster avec la rouille de fer, examine divers modes de corrosion, et décrit les stratégies de protection.

2. Définition de «rouille» vs. Oxyde d'aluminium

Techniquement, La rouille fait référence à la substance feuilletée brun rougeâtre -oxyde de fer- qui se forme lorsque le fer réagit avec l'oxygène et l'humidité.

Aluminium, Être un métal non ferreux, ne rouille pas de cette manière. Plutôt, il subit oxydation, produire un dur, incolore, et la couche adhérente de oxyde d'aluminium (Al₂o₃).

Cette couche d'oxyde se forme presque instantanément en présence d'air et d'eau, Créer une barrière naturelle qui inhibe la corrosion supplémentaire.

Bien que ce processus soit parfois appelé «rouille blanche» en termes laïques, Il est fondamentalement différent de la rouille de l'acier.

3. Couche d'oxyde protectrice sur l'aluminium

Formation et épaisseur d'oxyde indigène

Immédiatement après exposition à l'air, L'aluminium développe un oxyde natif d'une épaisseur d'environ 2 à 5 nm. Études de cinéma (Xps, ellipsométrie) Confirmez que cette couche se forme en quelques secondes.

Dans l'air sec, plateaux d'épaisseur; dans des environnements humides, il peut s'épaissir légèrement (5–10 nm) mais reste protecteur.

Mécanisme d'auto-passivation

Si une petite rayure frappe l'oxyde, L'aluminium frais sous s'oxyde pour réparer le film.

Ce auto-guérison Le mécanisme garantit une protection continue tant que suffisamment d'oxygène ou de vapeur d'eau sont présents.

Dans des paramètres à oxygène limité (Par exemple, sous l'eau dans l'eau stagnante), La passivation peut encore se produire mais peut être plus lente.

Propriétés mécaniques et chimiques de l'al₂o₃

L'oxyde d'aluminium est:

• Dur (Mohs ~ 9), Augmentation de la résistance aux rayures de surface.
• Chimiquement stable dans les médias neutres et alcalins jusqu'à ~ pH 9, bien que attaqué dans une forte acide (pH < 4) ou alcalin (pH > 9) environnements.
• Faible conductivité électrique, qui peut contribuer à la corrosion localisée (Par exemple, piqûres) dans certaines conditions.

4. Comportement à la corrosion de l'aluminium dans divers environnements

Exposition atmosphérique

• Climat sec: Une oxydation supplémentaire minimale au-delà du film natif; L'apparence reste lustreuse.
• Air humide: La couche d'oxyde s'épaissit légèrement, Maintenir la protection. Polluants (So₂, Pas) peut acidifier la rosée, provoquant des piqûres légères.
• Atmosphère marine: Les aérosols chargés de chlorure attaquent l'oxyde, conduisant à des piqûres si les revêtements protecteurs sont absents.

Environnements aqueux

• Eau douce: L'aluminium résiste à l'eau neutre légère, formant un al₂o₃ stable.
• Eau de mer: Chlorure élevé (~ 19 000 ppm) promotion Corrosion piquante. De petites fosses peuvent se former, Mais la corrosion uniforme reste faible.
• Solutions acides / alcalines:

• • pH < 4: L'oxyde se dissout, exposer le métal nu à l'attaque rapide.
  • pH > 9: L'oxyde se dissout également (Al₂o₃ Solubilité augmente), conduisant à une corrosion active.

Oxydation à haute température

Au-dessus de ~ 200 ° C dans l'air, la couche d'oxyde devient plus épais (aux micromètres) dans une tendance à taux parabolique.

Tout en étant protecteur, La dilatation thermique différentielle entre Al et Al₂o₃ peut induire une spallation si elle est refroidie rapidement. Dans les composants du moteur (Par exemple, pistons), La conception explique la croissance contrôlée de l'oxyde.

Corrosion galvanique

Lorsque l'aluminium contacte un métal plus noble (acier, cuivre) en présence d'un électrolyte, L'aluminium devient l'anode et corrode préférentiellement.

Une isolation appropriée ou une protection cathodique empêche l'attaque galvanique.

5. Types de corrosion en aluminium

Bien que le film d'oxyde natif de l'aluminium offre une protection substantielle dans de nombreuses conditions, Divers environnements et contraintes peuvent déclencher des modes de corrosion distincts.

Corrosion uniforme

Corrosion uniforme (parfois appelé corrosion générale) implique une perte relativement uniforme de métal sur les surfaces exposées.

En aluminium, La corrosion uniforme se produit lorsque l'oxyde protecteur (Al₂o₃) se dissout ou devient chimiquement instable, permettant au métal sous-jacent de s'oxyder à un rythme presque constant.

Corrosion piquante

Les piqûres commence lorsque le chlorure ou d'autres anions agressifs frappent la barrière passive al₂o₃ à un endroit localisé.

Une fois une fosse nucléés, L'acidification locale se produit (en raison de l'hydrolyse de l'al³⁺ dissous), dissoudre davantage l'alumine et accélérer la profondeur de la fosse.

La morphologie des puits est souvent étroite et profonde, le rendre difficile à détecter avant une pénétration importante.

Corrosion intergranulaire

Corrosion intergranulaire (IGC) attaque de préférence la région des limites des grains, Souvent où les éléments d'alliage ont précipité pendant le traitement thermique (Par exemple, à des températures 150–350 ° C).

Ces précipités (Cu-rich, Mg₂si, ou al₂cu) épuiser la matrice adjacente des solutés d'alliage, Créer un chemin anodique étroit le long des joints de grains.

Lorsqu'il est immergé dans des environnements corrosifs, Les frontières des grains se corrodent avant les intérieurs de grains, résultant en des chemins de chute de grains ou de rupture fragile.

Craquage de corrosion du stress (SCC)

SCC est un mode de défaillance synergique qui nécessite trois conditions: un alliage sensible, un environnement corrosif, et le stress de traction (résiduel ou appliqué).

Dans ces conditions, Les fissures se déclenchent à l'interface métal / oxyde et se propagent intergranulairement ou transgranulairement à des niveaux de contrainte bien en dessous de la limite d'élasticité.

Corrosion des crevasses

La corrosion des crevasses se développe dans les zones blindées ou confinées - sous les joints, têtes de rivet, ou joints de recouvrement - où un électrolyte stagnant devient épuisé d'oxygène.

Dans la crevasse, La dissolution des métaux génère de l'al³⁺ et acidule l'environnement local (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Oh⁻).

La réaction cathodique (réduction de l'oxygène) se produit à l'extérieur de la crevasse, conduire plus de dissolution anodique à l'intérieur.

Les ions chlorure se concentrent dans la crevasse pour maintenir la neutralité de charge, accélérer l'attaque.

Tableau de résumé - Mécanismes de corrosion en aluminium

6. Effets d'alliage sur la résistance à la corrosion

La résistance à la corrosion intrinsèque de l'aluminium provient de la formation rapide d'un mince, oxyde d'aluminium adhérent (Al₂o₃) film.

Cependant, dans la pratique de l'ingénierie, Presque tout l'aluminium structurel est utilisé sous forme alliée, et chaque élément d'alliage peut influencer considérablement la stabilité et la protection de la couche d'oxyde.

Aluminium pur vs. Alliages en aluminium

• Aluminium pur (1100 série): Résistance à la corrosion exceptionnelle due à un minimum intermétallique; Utilisé pour l'équipement chimique.
• 2Série XXX (Al-Cu): Résistance à la corrosion plus faible, en particulier les alliages durcis par les précipitations (Par exemple, 2024), sujet au SCC et à l'attaque intergranulaire.
• 5Série XXX (AL - MG): Bonne résistance à la corrosion maritime; commun dans les coques de navire (Par exemple, 5083, 5052).
• 6Série XXX (Al -mg -i): Résistance équilibrée et résistance à la corrosion; largement utilisé dans les extrusions architecturales (Par exemple, 6061).
• 7Série XXX (Al - zn - mg): Très haute résistance mais vulnérable au SCC sans traitement approprié.

Rôle du cuivre, Magnésium, Silicium, Zinc, et d'autres éléments

• Cuivre: Augmente la résistance mais abaisse la résistance à la corrosion et la résistance aux piqûres.
• Magnésium: Améliore la résistance à la corrosion dans les environnements marins mais peut favoriser la corrosion intergranulaire si elle n'est pas contrôlée.
• Silicium: Améliore la fluidité et la coulabilité; Les alliages comme A356 montrent des performances de corrosion modestes.
• Zinc: Contribue à la force mais réduit la résistance générale à la corrosion.
• Orientés (Fe, MN, Croisement): Minimiser les intermétalliques préjudiciables; MN aide à affiner la structure des grains, bénéficier d'un comportement de corrosion.

Traitement thermique et influence de la microstructure

• Traitement thermique et vieillissement de la solution: Dissout les précipités nuisibles, Réduire la corrosion intergranulaire.
• Trop gardien: Les précipités grossiés aux joints de grains peuvent aggraver la corrosion.
• Durcissement des précipitations: Nécessite un contrôle minutieux pour équilibrer la force et la corrosion.
• Travail thermique: Travailleur à froid (Par exemple, roulement) peut produire des luxations qui améliorent la corrosion locale à moins que le recuit approprié.

7. Mesures de protection et traitements de surface

Anodisation

• Processus: L'oxydation électrolytique construit une couche al₂o₃ plus épaisse (10–25 μm).
• Types:

• • Acide sulfurique Anodisation (Type II): Commun pour les produits architecturaux et consommateurs (colorable).
  • Anodisation dur (Type III): Plus épais (25–100 μm), résistance à l'usure élevée; utilisé dans les machines et l'aérospatiale.
  • Anodisation d'acide chromique (Type I): Diluant (5–10 μm), meilleure résistance à la corrosion, changement dimensionnel minimal; Utilisé pour les composants aérospatiaux.

• Avantages: Protection améliorée de la corrosion, Amélioration de l'adhésion pour les peintures, finitions décoratives.

Revêtements de conversion

• Revêtement de conversion de chromate: Hexavalent ou trivalent à base de chrome; offre une bonne résistance à la corrosion et une adhérence de peinture.
  Les préoccupations environnementales stimulent des alternatives trivalentes.
• Revêtements de phosphate: Moins commun sur l'aluminium; Utilisé occasionnellement pour améliorer l'adhérence de la peinture.
• Alternatives non chro: À base de fluor, zirconate, ou des chimies de titanate qui offrent une protection contre la corrosion sans chrome hexavalent.

Revêtements biologiques

• Peintures liquides: Amorces époxy, Topcoats en polyuréthane, ou les finitions de fluoropolymère protègent contre l'humidité et les UV.
• Revêtement en poudre: Polyester, époxy, ou des poudres de polyuréthane sont appliquées et cuites au four pour former des films durables. Une couverture plus épaisse résiste à la corrosion et à l'abrasion.

Protection cathodique et anodes sacrificielles

• Anodes sacrificielles (Zinc, Magnésium): Utilisé dans l'eau de mer pour protéger les structures en aluminium submergées; L'anode corrode préférentiellement.
• Courant impressionné: Moins commun pour les petits articles en aluminium; Utilisé pour les grandes structures marines.

8. Conclusion

L'aluminium fait Pas de rouille au sens conventionnel, mais Corrode, formant généralement une couche d'oxyde stable qui le protège contre une attaque supplémentaire.

La résistance du matériau à la corrosion, combiné avec son rapport force / poids, Le rend idéal pour les industries allant de l'aérospatiale à la construction.

Cependant, Comprendre ses mécanismes de corrosion, limitations environnementales, et les mesures de protection sont cruciales pour assurer sa longévité et sa performance.

En combinant le bon alliage, traitement de surface, et des considérations de conception, L'aluminium peut fournir des décennies de services sans maintenance.

 

Idées fausses courantes

Même si le comportement de corrosion de l'aluminium a été étudié de manière approfondie, Plusieurs malentendus persistent dans l'industrie et le discours populaire.

La lutte contre ces idées fausses aide les ingénieurs, designers, et les utilisateurs finaux prennent des décisions éclairées lors de la sélection ou du maintien des composants en aluminium.

"L'aluminium ne corrode jamais"

Une croyance répandue soutient que l'aluminium est imperméable à toutes les formes de corrosion. En réalité, Bien que l'aluminium ne rouille pas comme l'acier, il subit toujours de la corrosion.

Son film d'oxyde naturel (Al₂o₃) se forment presque immédiatement après l'exposition à l'air, offrant une excellente protection, mais pas absolue -.

Dans des conditions agressives telles que des environnements riches en chlorure ou des drains acides, Cette couche passive peut se décomposer, conduisant à des piqûres ou à la corrosion des crevasses.

Donc, tandis que l'aluminium surpasse souvent l'acier non enduit, Il nécessite toujours une sélection et un traitement de surface en alliage appropriés pour la longévité.

"La poudre blanche sur l'aluminium est inoffensive"

Lorsque les surfaces en aluminium développent un blanc, résidu poudreux - communément appelé «rouille blanche» - beaucoup supposent qu'il ne représente aucune menace.

Cependant, Cette poudre résulte de dépôts d'hydroxyde ou de carbonate qui se forment sous une humidité élevée ou une exposition chimique.

Laissé sans état, Ces dépôts peuvent conserver l'humidité contre le métal, favoriser la corrosion localisée sous l'accumulation.

Le nettoyage régulier et l'application de revêtement protecteur sont essentiels pour prévenir les dommages sous-jacents, en particulier sur la tôle ou les membres de la structure exposés.

"Tous les alliages en aluminium ont le même comportement de corrosion"

Une autre idée fausse est que tous les alliages d'aluminium présentent une résistance à la corrosion uniforme. En fait, Les éléments d'alliage modifient considérablement les performances.

Par exemple, 5Série XXX (Mg portefeuille) Les alliages montrent une excellente résistance dans les environnements marins,

Alors que la série 2xxx et 7xxx (Cu- et Zn portant) sont sujets aux piqûres et aux fissures de corrosion de contrainte si elles sont non traitées.

En supposant un faible coût, L'alliage à haute résistance suffira dans chaque environnement risque de défaillance prématurée.

Ainsi, Spécifier la série et le tempérament corrects - et éventuellement en appliquant l'anodisation ou le revêtement - l'installation de la durée de vie souhaitée.

«La corrosion galvanique n'a que dans des conditions extrêmes»

Certains concepteurs pensent que la corrosion galvanique ne se produit que dans un service très agressif ou submergé.

En vérité, même tracer des quantités d'humidité, comme la rosée du matin dans un climat côtier, peut créer suffisamment de conductivité

Pour initier une cellule galvanique entre les attaches en aluminium et le câblage en cuivre, ou garniture en aluminium en contact avec de l'acier inoxydable.

Au fil du temps, L'aluminium anodique se corrodera préférentiellement, conduisant à un relâchement articulaire ou à un affaiblissement structurel.

Pour éviter cela, Les ingénieurs doivent toujours isoler les métaux différents ou spécifier des attaches compatibles.

"L'anodisation rend l'aluminium complètement résistant à la corrosion"

L'anodisation améliore certainement la résistance à la corrosion en épaissant la couche d'oxyde, Mais cela ne rend pas invulnérable en aluminium.

Les surfaces anodisées durs peuvent développer des microfissures si elles sont exposées à un cycle thermique ou à une contrainte mécanique, Et sans scellage approprié, Ils restent poreux à des ions agressifs.

Par conséquent, S'appuyer uniquement sur une anodie standard à l'acide sulfurique pour un environnement marin peut entraîner des piqûres au fil du temps.

Combiner l'anodisation avec les scellants, revêtement de top, ou la protection cathodique devient souvent nécessaire pour les applications exigeantes.

«L'aluminium de haute pureté atténue toutes les préoccupations de corrosion»

La pureté améliore la résistance innée de l'aluminium à l'oxydation, Pourtant même 99.99% L'aluminium pur peut souffrir de corrosion des crevasses sous les joints ou à l'intérieur des enclos scellés.

Trace impuretés - fer, silicium, cuivre - tendance à se concentrer sur les joints de grains, Création de cellules galvaniques localisées.

En pratique, alliages d'aluminium à très haute pureté (Par exemple, 1100) Trouvez une utilisation limitée dans les applications structurelles précisément parce qu'elles n'ont pas la résistance mécanique pour compenser l'attaque localisée.

Équilibrer la pureté avec les éléments d'alliage nécessaire reste essentiel.