Rusone in alluminio？

1. Introduzione

La domanda “La ruggine in alluminio?" sorge frequentemente in ingegneria dei materiali, design industriale, E anche i progetti fai -da -te quotidiani.

A rigor di termini, La ruggine si riferisce all'ossido di ferro, Il prodotto di corrosione rossastro-rossastro di ferro e acciaio.

Perché l'alluminio forma un ossido diverso (ossido di alluminio), Tecnicamente non arruggini nel modo in cui il ferro fa. Tuttavia, L'alluminio può corrodere in determinate condizioni.

Questo articolo spiega la chimica dietro l'ossidazione dell'alluminio, contrastandolo con la ruggine del ferro, esamina varie modalità di corrosione, e delinea le strategie protettive.

2. Definizione di "ruggine" vs. Ossido di alluminio

Tecnicamente, Rust si riferisce alla sostanza traballante rossastro—ossido di ferro—Cha si forma quando il ferro reagisce con ossigeno e umidità.

Alluminio, Essere un metallo non ferroso, non arruggini in questo modo. Invece, subisce ossidazione, producendo un duro, incolore, e strato aderente di ossido di alluminio (Al₂o₃).

Questo strato di ossido si forma quasi istantaneamente in presenza di aria e acqua, Creare una barriera naturale che inibisce l'ulteriore corrosione.

Mentre questo processo viene talvolta definito "ruggine bianca" in termini laici, è fondamentalmente diverso dalla ruggine dell'acciaio.

3. Strato di ossido protettivo in alluminio

Formazione e spessore dell'ossido nativo

Immediatamente dopo l'esposizione all'aria, L'alluminio sviluppa un ossido nativo di ~ 2–5 nm di spessore. Studi sul cinema (XPS, ellipsometria) confermare che questo livello si forma in pochi secondi.

In aria secca, Pialute di spessore; in ambienti umidi, Può addensare leggermente (5–10 nm) ma rimane protettivo.

Meccanismo di auto-passionazione

Se un piccolo graffio viola l'ossido, Alluminio fresco sotto si ossida per riparare il film.

Questo auto-guarigione Il meccanismo garantisce una protezione in corso fintanto che è presente sufficiente ossigeno o vapore acqueo.

In impostazioni a ossigeno limitato (PER ESEMPIO., sott'acqua in acqua stagnante), La passivazione può ancora verificarsi ma può essere più lenta.

Proprietà meccaniche e chimiche di Al₂o₃

L'ossido di alluminio è:

• Difficile (MOHS ~ 9), Aumentare la resistenza ai graffi della superficie.
• Chimicamente stabile in supporti neutri e alcalini fino a ~ ph 9, sebbene attaccato in fortemente acido (ph < 4) o alcalino (ph > 9) ambienti.
• Bassa conducibilità elettrica, che può contribuire alla corrosione localizzata (PER ESEMPIO., Accorciamento) a determinate condizioni.

4. Comportamento di corrosione dell'alluminio in vari ambienti

Esposizione atmosferica

• Clima secco: Ulteriore ulteriore ossidazione al di là del film nativo; L'aspetto rimane brillante.
• Aria umida: Lo strato di ossido si addensa leggermente, Mantenere la protezione. Inquinanti (Quindi, Noₓ) può acidificare la rugiada, causando un lieve cornice.
• Atmosfera marina: Aerosol carichi di cloruro Ossido di attacco, conducendo alla vaiolatura se i rivestimenti protettivi sono assenti.

Ambienti acquosi

• Acqua dolce: L'alluminio resiste al lieve acqua neutra, Formare Al₂o₃ stabile.
• Acqua di mare: Cloruro alto (~ 19.000 ppm) promuove mettono la corrosione. Possono formarsi piccoli pozzi, Ma la corrosione uniforme rimane bassa.
• Soluzioni acide/alcaline:

• • ph < 4: L'ossido si dissolve, Esporre metallo nudo a un attacco rapido.
  • ph > 9: Anche l'ossido si dissolve (Al₂o₃ la solubilità aumenta), portando alla corrosione attiva.

Ossidazione ad alta temperatura

Sopra ~ 200 ° C in aria, Lo strato di ossido diventa più spesso (fino ai micrometri) in una tendenza al tasso parabolico.

Sebbene sia ancora protettivo, L'espansione termica differenziale tra Al e Al₂o₃ può indurre la spallazione se raffreddata rapidamente. Nei componenti del motore (PER ESEMPIO., pistoni), Design Conti per la crescita controllata dell'ossido.

Corrosione galvanica

Quando l'alluminio contatta un metallo più nobile (acciaio, rame) In presenza di un elettrolita, L'alluminio diventa l'anodo e corrode preferibilmente.

Un adeguato isolamento o protezione catodica impedisce l'attacco galvanico.

5. Tipi di corrosione in alluminio

Sebbene il film di ossido nativo dell'alluminio offra una protezione sostanziale in molte condizioni, Vari ambienti e sollecitazioni possono innescare modalità di corrosione distinte.

Corrosione uniforme

Corrosione uniforme (a volte chiamato corrosione generale) implica una perdita relativamente uniforme del metallo attraverso le superfici esposte.

In alluminio, La corrosione uniforme si verifica quando l'ossido protettivo (Al₂o₃) dissolve o diventa chimicamente instabile, consentire al metallo sottostante di ossidare a una velocità quasi costante.

Mettono la corrosione

La cornice inizia quando il cloruro o altri anioni aggressivi violano la barriera al₂o₃ passiva in un punto localizzato.

Una volta una fossa nucleare, Si verifica l'acidificazione locale (a causa dell'idrolisi di al³⁺ disciolto), Dissolvendo ulteriormente l'allumina e accelerando la profondità della fossa.

La morfologia della fossa è spesso stretta e profonda, rendendo difficile rilevare prima della penetrazione significativa.

Corrosione intergranulare

Corrosione intergranulare (IGC) attacca preferibilmente la regione del confine del grano, Spesso dove gli elementi in lega sono precipitati durante il trattamento termico (PER ESEMPIO., A temperature 150–350 ° C).

Questi precipitati (Cu -rich, Mg₂si, o Al₂cu) Discuti la matrice adiacente di soluti in lega, Creare uno stretto percorso anodico lungo i confini del grano.

Quando immerso in ambienti corrosivi, I confini del grano corrodano davanti agli interni del grano, risultante in percorsi di fallimento del grano o fragili fallimenti.

Cracking della corrosione da stress (SCC)

SCC è una modalità di guasto sinergica che richiede tre condizioni: una lega sensibile, un ambiente corrosivo, e stress di trazione (residuo o applicato).

In queste condizioni, Le crepe si iniziano all'interfaccia metallica/ossido e si propagano in modo intergranulare o transgranulare a livelli di stress ben al di sotto della resistenza alla snervamento.

Corrosione della fessura

La corrosione della fessura si sviluppa in aree schermate o limitate: in guarnizioni, Teste del rivetto, o giunti a giro: dove un elettrolita stagnante si esaurisce di ossigeno.

All'interno della fessura, La dissoluzione del metallo genera al³⁺ e acidifica l'ambiente locale (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Oh⁻).

La reazione catodica (Riduzione dell'ossigeno) si verifica fuori dalla fessura, Guidare ulteriore dissoluzione anodica all'interno.

Gli ioni cloruro si concentrano nella fessura per mantenere la neutralità della carica, accelerare l'attacco.

Tabella di riepilogo - Meccanismi di corrosione in alluminio

6. Effetti legati alla resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione intrinseca dell'alluminio deriva dalla rapida formazione di un sottile, ossido di alluminio aderente (Al₂o₃) film.

Tuttavia, nella pratica ingegneristica, Quasi tutto l'alluminio strutturale è usato in forma legata, e ogni elemento di lega può influenzare significativamente la stabilità e la protezione dello strato di ossido.

Alluminio puro vs. Leghe di alluminio

• Puro alluminio (1100 serie): Eccezionale resistenza alla corrosione dovuta a intermetallici minime; Utilizzato per l'equipaggiamento chimico.
• 2serie XXX (Al-Cu): Resistenza alla corrosione inferiore, Soprattutto leghe indurite dalle precipitazioni (PER ESEMPIO., 2024), incline a SCC e attacco intergranulare.
• 5serie XXX (Al - Mg): Buona resistenza alla corrosione marina; Comune negli scafi di navi (PER ESEMPIO., 5083, 5052).
• 6serie XXX (Al -mg -i): Resistenza equilibrata e resistenza alla corrosione; ampiamente utilizzato nelle estrusioni architettoniche (PER ESEMPIO., 6061).
• 7serie XXX (Al - Zn - Mg): Forza molto alta ma vulnerabile a SCC senza un trattamento adeguato.

Ruolo del rame, Magnesio, Silicio, Zinco, e altri elementi

• Rame: Aumenta la forza ma riduce la resistenza alla corrosione e la resistenza alla vaiolazione.
• Magnesio: Migliora la resistenza alla corrosione negli ambienti marini ma può promuovere la corrosione intergranulare se non controllata.
• Silicio: Migliora la fluidità e la castabilità; Le leghe come A356 mostrano modeste prestazioni di corrosione.
• Zinco: Contribuisce alla forza ma riduce la resistenza alla corrosione generale.
• Oligoelementi (Fe, Mn, Cr): Ridurre al minimo gli intermetallici dannosi; MN aiuta a perfezionare la struttura del grano, Beneficiare il comportamento della corrosione.

Trattamento termico e influenza della microstruttura

• Soluzione Trattamento termico e invecchiamento: Dissolve i precipitati dannosi, Riduzione della corrosione intergranulare.
• Sovrappolamento: I precipitati grossolani ai confini del grano possono peggiorare la corrosione.
• Indurimento delle precipitazioni: Richiede un controllo attento per bilanciare la resistenza e la corrosione.
• Lavoro termico: Lavoro a freddo (PER ESEMPIO., rotolando) può produrre dislocazioni che migliorano la corrosione locale se non seguite da una ricottura appropriata.

7. Misure protettive e trattamenti superficiali

Anodizzazione

• Processo: L'ossidazione elettrolitica costruisce uno strato Al₂o₃ più spesso (10–25 μm).
• Tipi:

• • Acido solforico Anodizzazione (Tipo II): Comune per i prodotti architettonici e di consumo (colorato).
  • Duro anodizzante (Tipo III): Più spesso (25–100 μm), Elevata resistenza all'usura; Utilizzato in macchinari e aerospaziale.
  • Acido cromico anodizzante (Tipo I.): Più sottile (5–10 μm), migliore resistenza alla corrosione, cambiamento dimensionale minimo; Utilizzato per i componenti aerospaziali.

• Benefici: Protezione a corrosione migliorata, Adesione migliorata per le vernici, finiture decorative.

Rivestimenti di conversione

• Rivestimento di conversione cromato: A base di cromo esavalente o trivalente; Fornisce una buona resistenza alla corrosione e l'adesione della vernice.
  Le preoccupazioni ambientali stanno guidando alternative trivalenti.
• Rivestimenti fosfato: Meno comune in alluminio; Occasionalmente utilizzato per migliorare l'adesione della vernice.
• Alternative non cromate: A base di fluoro, zirconato, o chimiche del titanato che offrono protezione da corrosione senza cromo esavalente.

Rivestimenti organici

• Vernici liquide: Primer epossidici, Topcoatti di poliuretano, o le finiture fluoropolimeri proteggono dall'umidità e dai raggi UV.
• Verniciatura a polvere: Poliestere, epossidico, o le polveri poliuretaniche vengono applicate e cotte per formare pellicole durevoli. La copertura più spessa resiste alla corrosione e all'abrasione.

Protezione catodica e anodi sacrificali

• Anodi sacrificali (Zinco, Magnesio): Utilizzato nell'acqua di mare per proteggere le strutture in alluminio sommerso; L'anodo si corrode preferibilmente.
• Corrente impressionata: Meno comune per piccoli articoli in alluminio; Utilizzato per grandi strutture marine.

8. Conclusione

L'alluminio lo fa non ruggine nel senso convenzionale, Ma è si corrode, in genere formando uno strato di ossido stabile che lo protegge da un ulteriore attacco.

La resistenza del materiale alla corrosione, combinato con il suo rapporto forza-peso, lo rende ideale per le industrie che vanno dall'aerospaziale alla costruzione.

Tuttavia, Comprendere i suoi meccanismi di corrosione, Limitazioni ambientali, e misure protettive è fondamentale per garantire la sua longevità e prestazioni.

Combinando la lega giusta, Trattamento superficiale, e considerazioni di progettazione, L'alluminio può fornire decenni di servizio senza manutenzione.

 

Idee sbagliate comuni

Anche se il comportamento di corrosione dell'alluminio è stato ampiamente studiato, Diversi incomprensioni persistono sia nell'industria che nel discorso popolare.

Affrontare queste idee sbagliate aiuta gli ingegneri, designer, e gli utenti finali prendono decisioni informate durante la selezione o la manutenzione di componenti in alluminio.

"L'alluminio non corrode mai"

Una convinzione diffusa sostiene che l'alluminio è impermeabile a tutte le forme di corrosione. In realtà, Sebbene l'alluminio non arruggini come l'acciaio, subisce ancora la corrosione.

Il suo film di ossido naturale (Al₂o₃) forma quasi immediatamente all'esposizione all'aria, fornendo una protezione eccellente, ma non assoluta.

In condizioni aggressive come ambienti ricchi di cloruro o scarichi acidi, Quel strato passivo può rompersi, portando a corrosione o corrosione della fessura.

Perciò, mentre l'alluminio supera spesso l'acciaio non rivestito, Richiede ancora un'adeguata selezione in lega e un trattamento superficiale per la longevità.

"La polvere bianca in alluminio è innocua"

Quando le superfici in alluminio sviluppano un bianco, residui in polvere - comunemente indicato come "ruggine bianca" - molti presumono che non rappresenti una minaccia.

Tuttavia, Questa polvere deriva da depositi di idrossido o carbonato che si formano ad alta umidità o esposizione chimica.

Lasciato senza indirizzo, Questi depositi possono trattenere l'umidità contro il metallo, Promuovere la corrosione localizzata sotto l'accumulo.

La pulizia regolare e l'applicazione del rivestimento protettivo sono fondamentali per prevenire il danno sottostante, in particolare su lamiera a vista o membri strutturali.

"Tutte le leghe di alluminio hanno lo stesso comportamento di corrosione"

Un altro malinteso è che tutte le leghe in alluminio presentano una resistenza alla corrosione uniforme. Infatti, Gli elementi in lega modificano drasticamente le prestazioni.

Per esempio, 5serie XXX (Mg-centesimo) Le leghe mostrano un'eccellente resistenza nelle impostazioni marine,

mentre la serie 2xxx e 7xxx (Cu- e con Zn) sono soggetti a rotture di corrosione e corrosione da stress se non trattati.

Supponendo un basso costo, La lega ad alta resistenza sarà sufficiente in ogni ambiente rischi fallimento.

Così, Specificare la serie e il temperamento corretti - e possibilmente applicando anodizzazione o rivestimento - assume la durata di servizio desiderata.

"La corrosione galvanica conta solo in condizioni estreme"

Alcuni designer pensano che la corrosione galvanica si verifichi solo in un servizio altamente aggressivo o sommerso.

In verità, anche tracce di umidità, come la rugiada mattutina in un clima costiero, può creare abbastanza conducibilità

per avviare una cellula galvanica tra chiusura di alluminio e cablaggio di rame, o rivestimento in alluminio a contatto con acciaio inossidabile.

Col tempo, L'alluminio anodico si corrodirà preferibilmente, portando a allentamento articolare o indebolimento strutturale.

Per evitare questo, Gli ingegneri dovrebbero sempre isolare i metalli diversi o specificare gli elementi di fissaggio compatibili.

"Anodizing rende l'alluminio completamente a prova di corrosione"

L'anodizante migliora sicuramente la resistenza alla corrosione ispessendo lo strato di ossido, Ma non rende invulnerabile l'alluminio.

Le superfici a forma dura possono sviluppare microcrack se esposte al ciclo termico o allo stress meccanico, e senza una corretta sigillatura, rimangono porosi per ioni aggressivi.

Di conseguenza, Fare affidamento esclusivamente su un anodize standard-acido solforico per un ambiente marino può portare a scoraggiare nel tempo.

Combinando l'anodizzazione con i sigillanti, Topcoats, o la protezione catodica spesso diventa necessaria per richiedere applicazioni.

"L'alluminio ad alta purezza allevia tutte le preoccupazioni per la corrosione"

La purezza migliora innata resistenza dell'alluminio all'ossidazione, Eppure anche 99.99% L'alluminio puro può subire la corrosione della fessura sotto le guarnizioni o interni interni sigillati.

Trace Impurità: Iron, silicio, rame: tende a concentrarsi ai confini del grano, Creazione di cellule galvaniche localizzate.

In pratica, leghe in alluminio di grande purezza (PER ESEMPIO., 1100) Trova un uso limitato nelle applicazioni strutturali proprio perché mancano della resistenza meccanica per compensare l'attacco localizzato.

Bilanciamento della purezza con gli elementi di lega necessari rimane essenziale.