Radi li aluminijska hrđa？

1. Uvod

Pitanje “Da li aluminijska hrđa?” Nastavlja se često u inženjerstvu materijala, industrijski dizajn, pa čak i svakodnevni DIY projekti.

Strogo govoreći, hrđa se odnosi na željezni oksid, Pahuljasti crvenkasto-smeđa produkt korozije od željeza i čelika.

Jer aluminij tvori drugačiji oksid (aluminijski oksid), Tehnički ne hrđa na način na koji željezo. Ipak, aluminij može korodirati pod određenim uvjetima.

Ovaj članak objašnjava kemiju koja stoji iza aluminijske oksidacije, Kontrastirajući ga željeznim hrđama, Ispituje različite načine korozije, i opisuje zaštitne strategije.

2. Definiranje "hrđe" vs. Aluminijski oksid

Tehnički, hrđa se odnosi na crvenkasto-smeđe pahuljaste tvari-željezni oksid- To se formira kada željezo reagira s kisikom i vlagom.

Aluminij, biti neobojni metal, ne hrđa na ovaj način. Umjesto toga, podvrgava se oksidacija, proizvodeći teško, bezbojan, i adhezivni sloj aluminijski oksid (Al₂o₃).

Ovaj oksidni sloj formira se gotovo odmah u prisutnosti zraka i vode, stvarajući prirodnu barijeru koja inhibira daljnju koroziju.

Iako se ovaj postupak ponekad naziva "bijela hrđa" u laiku, u osnovi se razlikuje od hrđe čelika.

3. Sloj zaštitnog oksida na aluminiju

Stvaranje i debljina nativnog oksida

Odmah nakon izlaganja zraku, Aluminij razvija nativni oksid debljine ~ 2–5 nm. Studije filma (Xps, elipsometrija) potvrdite da se ovaj sloj formira u roku od nekoliko sekundi.

U suhom zraku, debljina visoravni; u vlažnom okruženju, može se lagano zadebljavati (5–10 nm) ali ostaje zaštitnički.

Mehanizam za samo-passivaciju

Ako mali ogrebotina krši oksid, Svježi aluminij ispod oksidira za popravak filma.

Ovaj samoizlječenje Mehanizam osigurava stalnu zaštitu sve dok je prisutno dovoljno kisika ili vodene pare.

U postavkama s ograničenim kisikom (Npr., pod vodom u stajaću vodu), Pasivacija se još uvijek može dogoditi, ali može biti sporije.

Mehanička i kemijska svojstva al₂o₃

Aluminijski oksid je:

• Tvrdoglav (Mohs ~ 9), Povećavanje otpora na ogrebotine površine.
• Kemijski stabilan u neutralnim i alkalnim medijima do ~ pH 9, iako napadnut u snažno kiselom (pH < 4) ili alkalni (pH > 9) okruženje.
• Niska električna vodljivost, što može pridonijeti lokaliziranoj koroziji (Npr., zadirkivanje) pod određenim uvjetima.

4. Korozijsko ponašanje aluminija u različitim okruženjima

Atmosferska izloženost

• Suha klima: Minimalna daljnja oksidacija izvan izvornog filma; Izgled ostaje bujan.
• Vlažni zrak: Oksidni sloj lagano se zgušnjava, Održavanje zaštite. Zagađivači (Tako, Ne) može zakiseliti rosu, uzrokujući blagu pitting.
• Morska atmosfera: Aerosoli napunjeni kloridom napadaju oksid, što dovodi do pittinga ako su zaštitni premazi odsutni.

Vodena okruženja

• Slatkovodni: Aluminij odolijeva blagim neutralnim vodama, formiranje stabilnog al₂o₃.
• Morska voda: Visoki klorid (~ 19 000 ppm) promovira korozija. Male jame se mogu formirati, ali jednolična korozija ostaje niska.
• Kisele/alkalne otopine:

• • pH < 4: Oksid se otapa, izlaganje golog metala brzom napadu.
  • pH > 9: Oksid se također otapa (Al₂o₃ povećava se topljivost), što dovodi do aktivne korozije.

Oksidacija visoke temperature

Iznad ~ 200 ° C u zraku, Sloj oksida postaje gušći (do mikrometara) u trendu paraboličke stope.

Dok je još zaštitnički, Diferencijalno toplinsko širenje između AL i Al₂o₃ može izazvati slalaciju ako se brzo ohladi. U komponentama motora (Npr., klipovi), Dizajn računa za kontrolirani rast oksida.

Galvanska korozija

Kad aluminij kontaktira plemenitiji metal (čelik, bakar) U prisutnosti elektrolita, aluminij postaje anoda i korodira preferirano.

Pravilna izolacija ili katodna zaštita sprječava galvanski napad.

5. Vrste korozije aluminija

Iako je izvorni oksidni film aluminija pruža značajnu zaštitu u mnogim uvjetima, Različita okruženja i naprezanja mogu pokrenuti različite načine korozije.

Ujednačena korozija

Ujednačena korozija (Ponekad se naziva opća korozija) uključuje relativno ravnomjerni gubitak metala na izloženim površinama.

Aluminij, Ujednačena korozija nastaje kada zaštitni oksid (Al₂o₃) otapa se ili postaje kemijski nestabilan, dopuštajući da se temeljni metal oksidira gotovo stalnom brzinom.

Korozija

Pitting započinje kada klorid ili drugi agresivni anioni prekrše pasivnu barijeru al₂o₃ na lokaliziranom mjestu.

Jednom jama nukleacija, Događa se lokalno zakiseljavanje (Zbog hidrolize otopljenog Al³⁺), Daljnje otapanje glinice i ubrzava dubinu jame.

Morfologija jame je često uska i duboka, što je izazovno otkriti prije značajnog prodora.

Međugranularna korozija

Međugranularna korozija (IGC) Poželjno napada graničnu regiju zrna, Često tamo gdje su legirajući elementi istaknuli tijekom toplinske obrade (Npr., Na temperaturama 150–350 ° C).

Ti talozi (Bogati, Mg₂si, ili al₂cu) Iscrpljivati ​​susjednu matricu legiranih rastvora, Stvaranje uskog anodnog puta duž granica zrna.

Kada se uroni u korozivno okruženje, Granice zrna korodiraju ispred interijera zrna, što rezultira padom zrna ili krhkim stazama neuspjeha.

Pucanje korozije stresa (SCC)

SCC je sinergistički način neuspjeha koji zahtijevaju tri uvjeta: osjetljiva legura, korozivno okruženje, i zatezni stres (ostatak ili primijenjen).

Pod tim uvjetima, Pukotine se pokreću na sučelju metala/oksida i šire međugranularno ili transgranularno na razini stresa znatno ispod čvrstoće prinosa.

Korozija pukotine

Korozija pukotine razvija se u zaštićenim ili zatvorenim područjima - pod brtve, glave zakovice, ili spojevi u krugu - gdje se stajaće elektrolit raspršuje od kisika.

Unutar pukotine, Raspuštanje metala stvara Al³⁺ i zakiseljava lokalno okruženje (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

Katodna reakcija (smanjenje kisika) javlja se izvan pukotine, Vožnja daljnjim anodnim raspuštanjem iznutra.

Kloridni ioni koncentriraju se u pukotini kako bi održali neutralnost naboja, Ubrzavanje napada.

Sažetak tablica - mehanizmi korozije aluminija

6. Legirajući učinci na otpornost na koroziju

Aluminijska unutarnja otpornost na koroziju proizlazi iz brzog stvaranja tanke, adhezivni aluminijski oksid (Al₂o₃) film.

Međutim, u inženjerskoj praksi, Gotovo svi strukturni aluminij koristi se u legiranom obliku, i svaki legirajući element može značajno utjecati na stabilnost i zaštitu sloja oksida.

Čisti aluminij vs. Aluminijske legure

• Čisti aluminij (1100 niz): Izuzetna otpornost na koroziju zbog minimalnih intermetalnih; Koristi se za kemijsku opremu.
• 2XXX serija (Al-cu): Niži otpor korozije, posebno legure srušene oborinama (Npr., 2024), skloni SCC -u i intergranularnom napadu.
• 5XXX serija (Al -mg): Dobar otpor morske korozije; uobičajeno u brodovima (Npr., 5083, 5052).
• 6XXX serija (Al -mg -i): Uravnotežena čvrstoća i otpornost na koroziju; Široko se koristi u arhitektonskim ekstruzijama (Npr., 6061).
• 7XXX serija (Al -zn - mg): Vrlo visoka snaga, ali ranjiva na SCC bez odgovarajućeg tretmana.

Uloga bakra, Magnezij, Silicij, Cinkov, i drugi elementi

• Bakar: Povećava snagu, ali snižava otpornost na koroziju i otpornost.
• Magnezij: Poboljšava otpornost na koroziju u morskim okruženjima, ali može promicati međugranularnu koroziju ako se ne kontrolira.
• Silicij: Poboljšava fluidnost i kastibilnost; Legure poput A356 pokazuju skromne performanse korozije.
• Cinkov: Doprinosi snazi, ali smanjuje opću otpornost na koroziju.
• Elementi u tragovima (FE, MN, CR): Minimizirati štetne intermetalne vrijednosti; MN pomaže u pročišćavanju strukture zrna, Koristeći ponašanje korozije.

Toplotna obrada i utjecaj mikrostrukture

• Otopina toplinska obrada i starenje: Otapa štetne taloge, Smanjenje intergranularne korozije.
• Prerad: Grube taloge na granicama zrna mogu pogoršati koroziju.
• Očvršćivanje oborina: Zahtijeva pažljivu kontrolu da bi se uravnotežila snaga i korozija.
• Toplinski rad: Hladnoća (Npr., kotrljanje) mogu proizvesti dislokacije koje povećavaju lokalnu koroziju, osim ako slijedi odgovarajuće žarenje.

7. Zaštitne mjere i površinski tretmani

Anodiziranje

• Proces: Elektrolitička oksidacija gradi deblji sloj al₂o₃ (10–25 µm).
• Tipovi:

• • Sumporna kiselina Anodiziranje (Tip II): Uobičajeno za arhitektonske i potrošačke proizvode (obojen).
  • Tvrdo anodiranje (Tip III): Deblji (25–100 µm), visoki otpor habanja; koristi se u strojevima i zrakoplovnim svemirima.
  • Anodiziranje kromirane kiseline (Tip I): Tanji (5–10 µm), Bolja otpornost na koroziju, minimalna promjena dimenzije; koristi se za zrakoplovne komponente.

• Beneficije: Pojačana zaštita od korozije, Poboljšana prianjanja za boje, Dekorativne završne obrade.

Prevlaci za pretvorbu

• Premaz za pretvorbu kromata: Heksavalentni ili trovalentni kromiranje; pruža dobru otpornost na koroziju i prianjanje boje.
  Zabrinutost za okoliš pokreće trovalentne alternative.
• Fosfatni premazi: Manje česti na aluminiji; povremeno se koristi za poboljšanje prianjanja u boji.
• Nekrmne alternative: Na bazi fluora, cirkonat, ili titanatne kemijske programe koje nude zaštitu od korozije bez šesterovalentnog kroma.

Organski premazi

• Tekuće boje: Epoksidni primeri, Poliuretanski gornji kaputi, ili fluoropolimerni završeci zaštite od vlage i UV.
• Premazivanje prahom: Poliester, epoksidan, ili se poliuretanski puderi primjenjuju i peku u formiranje izdržljivih filmova. Deblji pokrivenost odupire se koroziji i abraziji.

Katodna zaštita i žrtvene anode

• Žrtvene anode (Cinkov, Magnezij): Koristi se u morskoj vodi za zaštitu potopljenih aluminijskih struktura; anoda korodira preferencijalno.
• Impresionirana struja: Manje česti za male aluminijske predmete; koristi se za velike morske strukture.

8. Zaključak

Aluminij čini ne hrđa u konvencionalnom smislu, Ali to Korodira li, obično formira stabilan sloj oksida koji ga štiti od daljnjeg napada.

Otpor materijala na koroziju, u kombinaciji s omjerom snage i težine, čini ga idealnim za industrije u rasponu od zrakoplovstva do izgradnje.

Međutim, Razumijevanje njegovih mehanizama korozije, Ograničenja okoliša, a zaštitne mjere su ključne za osiguravanje njegove dugovječnosti i performansi.

Kombiniranjem prave legure, površinski obrada, i razmatranja dizajna, aluminij može pružiti desetljeća usluge bez održavanja.

 

Uobičajene zablude

Iako je ponašanje korozije aluminija intenzivno proučavano, Nekoliko nesporazuma i dalje postoje u industriji i u popularnoj diskursu.

Bavljenje tim zabludama pomaže inženjerima, dizajneri, i krajnji korisnici donose informirane odluke pri odabiru ili održavanju aluminijskih komponenti.

"Aluminij nikad ne korodira"

Rasprostranjeno uvjerenje smatra da je aluminij nepropusan za sve oblike korozije. U stvarnosti, Iako aluminij ne hrđa poput čelika, još uvijek podliježe koroziji.

Njegov prirodni oksidni film (Al₂o₃) Oblikuje gotovo odmah nakon izlaganja zraku, pružanje izvrsnog - ali ne apsolutno - zaštite.

U agresivnim uvjetima kao što su okruženja bogata kloridom ili kiseli odvodi, taj pasivni sloj može se razbiti, što dovodi do korozije pittinga ili pukotina.

Stoga, dok aluminij često nadmašuje bez ikakvog čelika, Još uvijek zahtijeva odgovarajući odabir legura i površinsko liječenje dugovječnosti.

"Bijeli prah na aluminiju je bezopasan"

Kad se aluminijske površine razvijaju bijelo, Praškasti ostatak - nazvan "bijela hrđa" - mnogi pretpostavljaju da ne predstavlja prijetnju.

Međutim, Ovaj prah nastaje iz ležišta hidroksida ili karbonata koji se formiraju pod velikom vlagom ili izloženosti kemikalijama.

Lijevo bez adrese, Ove naslage mogu zadržati vlagu prema metalu, Poticanje lokalizirane korozije ispod nakupljanja.

Redovita primjena čišćenja i zaštitnog premaza presudna je za spriječivanje osnovne štete, posebno na izloženim lima ili strukturnim članovima.

"Sve aluminijske legure imaju isto ponašanje korozije"

Druga zabluda je da sve aluminijske legure pokazuju jednoličnu otpornost na koroziju. Zapravo, legirajući elementi dramatično mijenjaju izvedbu.

Na primjer, 5XXX serija (Mg-nosi) Legure pokazuju izvrstan otpor u morskim postavkama,

Dok se serija 2xxx i 7xxx (Pokrajina- i Zn-nose) su skloni pucanju i koroziji stresa ako se ne liječe.

Pod pretpostavkom niske cijene, Legura visoke čvrstoće bit će dovoljna u svakom okruženju, riskira prijevremeni neuspjeh.

Tako, Određivanje ispravne serije i temperature - i možda primjene anodizacije ili obloga - predstavlja željeni radni vijek.

"Galvanska korozija samo je bitna u ekstremnim uvjetima"

Neki dizajneri misle da se galvanska korozija javlja samo u vrlo agresivnoj ili potopljenoj usluzi.

Istina, Čak i količina vlage u tragovima, poput jutarnje rose u obalnoj klimi, može stvoriti dovoljno vodljivosti

Za pokretanje galvanske ćelije između aluminijskih pričvršćivača i bakrenog ožičenja, ili aluminijska obloga u kontaktu s nehrđajućim čelikom.

S vremenom, anodni aluminij će preferirano korodirati, što dovodi do otpuštanja zgloba ili strukturnog slabljenja.

Da bi se ovo izbjeglo, Inženjeri uvijek trebaju izolirati različite metale ili odrediti kompatibilne pričvršćivače.

"Anodizacija čini aluminij potpuno otpornim na koroziju"

Anodiranje zasigurno poboljšava otpornost na koroziju zadebljanjem sloja oksida, Ali to ne čini aluminijskim neranjivim.

Tvrdo anodizirane površine mogu razviti mikropukotine ako su izložene toplinskom biciklizmu ili mehaničkom stresu, i bez odgovarajućeg zapečaćenja, ostaju porozni prema agresivnim ionima.

Stoga, Oslanjajući se samo na standardni anodiranje sumporne kiseline za morsko okruženje može dovesti do pittinga s vremenom.

Kombiniranje anodizacije s zaptivačima, gornji kaputi, ili katodna zaštita često postaje potrebna za zahtjevne primjene.

"Aluminij visoke čistoće ublažava sve probleme s korozijom"

Čistoća povećava urođenu otpornost aluminija na oksidaciju, ipak čak 99.99% Čisti aluminij može pretrpjeti koroziju pukotina pod brtve ili unutarnjim zatvorenim kućištima.

Tragovi nečistoće - željezo, silicij, bakar - napisati se za koncentraciju na granicama zrna, Stvaranje lokaliziranih galvanskih stanica.

U praksi, vrlo visoke čistoće aluminijske legure (Npr., 1100) Pronađite ograničenu upotrebu u strukturnim primjenama upravo zato što im nedostaje mehanička čvrstoća da bi nadoknadili lokalizirani napad.

Uravnotežavanje čistoće s potrebnim legirajućim elementima ostaje neophodno.