アルミニウムの錆びますか？

1. 導入

質問 「アルミニウムさんさはありますか?」 材料工学で頻繁に発生します, 工業デザイン, そして毎日のDIYプロジェクトでさえ.

厳密に言えば, さびは酸化鉄を指します, 鉄と鋼の薄片状の赤茶色の腐食生成物.

アルミニウムは異なる酸化物を形成するためです (酸化アルミニウム), 技術的には鉄のように錆びません. それにもかかわらず, アルミニウムは特定の条件下で腐食する可能性があります.

この記事では、アルミニウム酸化の背後にある化学について説明します, 鉄の錆びとは対照的です, さまざまな腐食モードを調べます, 保護戦略の概要を説明します.

2. 「錆」対定義. 酸化アルミニウム

技術的に, さびは赤みがかった茶色の薄片的な物質を指します - 酸化鉄 - 鉄が酸素や湿気と反応すると形成されます.

アルミニウム, 非鉄金属であること, このように錆びません. その代わり, それは受けます 酸化, ハードを生産します, 無色, の付着層 酸化アルミニウム (al₂o₃).

この酸化物層は、空気と水の存在下でほぼ瞬時に形成されます, さらなる腐食を阻害する自然の障壁を作成します.

このプロセスは、適切な言葉で「白い錆」と呼ばれることもありますが, 鋼の錆びとは根本的に異なります.

3. アルミニウム上の保護酸化物層

天然の酸化物の形成と厚さ

空気曝露の直後, アルミニウムは、厚さ〜2〜5 nmの天然酸化物を発達させます. 映画制作研究 (XPS, エリプソメトリー) このレイヤーが数秒以内に形成されることを確認します.

乾燥した空気で, 厚さのプラトー; 湿度の高い環境で, わずかに厚くなる可能性があります (5–10 nm) しかし、保護のままです.

自己パッシングメカニズム

小さなスクラッチが酸化物に違反した場合, 下の新鮮なアルミニウムは酸化してフィルムを修復します.

これ 自己癒し メカニズムは、十分な酸素または水蒸気が存在する限り、継続的な保護を保証します.

限定酸素設定で (例えば。, 停滞した水中の水中), 不動態化は依然として発生する可能性がありますが、遅くなる可能性があります.

al₂o₃の機械的および化学的特性

酸化アルミニウムはです:

• 難しい (Mohs〜9), 表面のスクラッチ抵抗の増加.
• 化学的に安定しています ニュートラルおよびアルカリ性培地では、〜phまで 9, 強く酸性で攻撃されましたが (ph < 4) またはアルカリ (ph > 9) 環境.
• 低い電気伝導率, 局所腐食に寄与する可能性があります (例えば。, ピッティング) 特定の条件下で.

4. さまざまな環境でのアルミニウムの腐食挙動

大気曝露

• 乾燥した気候: ネイティブフィルムを超えた最小限のさらなる酸化; 外観は光沢があります.
• 湿った空気: 酸化物層はわずかに厚くなります, 保護を維持します. 汚染物質 (そうです, いいえ) 露を酸性化できます, 軽度の孔食を引き起こします.
• 海洋雰囲気: 塩化物を含んだエアロゾルは酸化物を攻撃します, 保護コーティングが存在しない場合、孔食につながります.

水性環境

• 淡水: アルミニウムは軽度の中性水に抵抗します, 安定したal₂o₃を形成します.
• 海水: 高塩化物 (〜19,000 ppm) 宣伝 ピット腐食. 小さなピットが形成される可能性があります, しかし、均一な腐食は低いままです.
• 酸性/アルカリ溶液:

• • ph < 4: 酸化物が溶解します, 裸の金属を迅速な攻撃にさらします.
  • ph > 9: 酸化物も溶解します (al₂o₃溶解度が向上します), 積極的な腐食につながります.

高温酸化

空気中の〜200°C以上, 酸化物層が厚くなります (マイクロメートルまで) 放物線速度の傾向.

まだ保護的です, AlとAl₂o₃の間の微分熱膨張は、急速に冷却された場合に吐き出しを誘発する可能性があります. エンジンコンポーネントで (例えば。, ピストン), 制御された酸化物の成長を設計します.

ガルバニック腐食

アルミニウムがより高貴な金属に接触するとき (鋼鉄, 銅) 電解質の存在下で, アルミニウムはアノードになり、優先的に腐食します.

適切な断熱または陰極保護は、ガルバニック攻撃を防ぎます.

5. アルミニウム腐食の種類

アルミニウムの在来酸化フィルムは多くの条件下で実質的な保護を提供しますが, さまざまな環境とストレスは、異なる腐食モードをトリガーする可能性があります.

均一な腐食

均一な腐食 (一般的な腐食と呼ばれることもあります) 露出した表面全体で金属の比較的均等な損失を伴う.

アルミニウムで, 均一な腐食は、保護酸化物の場合に発生します (al₂o₃) 化学的に不安定になるか、溶解します, 基礎となる金属がほぼ一定の速度で酸化できるように.

ピット腐食

塩化物や他の攻撃的な陰イオンが局所的な場所でパッシブ・アオ・オ・バリアに違反すると、孔食が始まります.

ピットが核形成したら, 局所酸性化が発生します (溶解したal³⁺の加水分解による), アルミナをさらに溶解し、ピットの深さを加速します.

ピットの形態はしばしば狭くて深いです, 重大な浸透前に検出するのが難しい.

顆粒間腐食

顆粒間腐食 (IGC) 粒界を優先的に攻撃します, 多くの場合、熱処理中に合金要素が沈殿した場合 (例えば。, 温度150〜350°C).

これらの沈殿 (cu -rich, mg₂si, またはal₂cu) 合金溶質の隣接するマトリックスを枯渇させます, 粒の境界に沿って狭い陽極酸化パスを作成します.

腐食性環境に浸るとき, 穀物の境界は、穀物のインテリアよりも先に腐食します, その結果、穀物のドロップアウトまたは脆性の故障経路が生じます.

ストレス腐食亀裂 (SCC)

SCCは、3つの条件を必要とする相乗的障害モードです: 影響を受けやすい合金, 腐食性環境, そして引張応力 (残留または適用).

これらの条件下で, 亀裂は金属/酸化物界面で開始し、降伏強度をはるかに下回る応力レベルで粒状または顆粒を伝播します.

隙間腐食

ガスケットの下にあるシールドまたは限定された領域では、隙間腐食が発生します, リベットヘッド, またはラップジョイント - 停滞した電解質が酸素の枯渇します.

隙間内, 金属溶解により、al³⁺が生成され、局所環境が酸性化されます (al₂o₃→al³⁺ + 3ああ).

陰極反応 (酸素還元) 隙間の外で発生します, 内部のさらに陽極溶解を駆動します.

塩化物イオンは隙間に集中して電荷の中立性を維持する, 攻撃の加速.

概要表 - アルミニウム腐食メカニズム

6. 腐食抵抗に対する合金効果

アルミニウムの固有の腐食抵抗は、薄い形成に由来する, 付着酸化アルミニウム (al₂o₃) 膜.

しかし, エンジニアリングの実践, ほぼすべての構造アルミニウムが合金形で使用されています, そして、各合金要素は、酸化物層の安定性と保護に大きく影響する可能性があります.

純粋なアルミニウム対. アルミニウム合金

• 純粋なアルミニウム (1100 シリーズ): 最小限の金属間耐性耐性; 化学機器に使用されます.
• 2xxxシリーズ (al-cu): 低腐食抵抗, 特に降水量が硬化する合金 (例えば。, 2024), SCCおよび顆粒間攻撃を受けやすい.
• 5xxxシリーズ (al – mg): 良好な海洋腐食抵抗; 船体で一般的です (例えば。, 5083, 5052).
• 6xxxシリーズ (al -mg -i): バランスの取れた強度と耐食性; 建築の押し出しで広く使用されています (例えば。, 6061).
• 7xxxシリーズ (Al – Zn – Mg): 非常に高い強度ですが、適切な治療なしでSCCに対して脆弱です.

銅の役割, マグネシウム, シリコン, 亜鉛, その他の要素

• 銅: 強度を増加させますが、耐食性と孔食抵抗を低下させます.
• マグネシウム: 海洋環境での腐食抵抗を強化しますが、制御されていない場合は顆粒間腐食を促進できます.
• シリコン: 流動性とキャスティブを改善します; A356のような合金は、控えめな腐食性能を示しています.
• 亜鉛: 強度に貢献しますが、一般的な腐食抵抗が低下します.
• トレース要素 (fe, Mn, cr): 有害な金属間を最小限に抑えます; MNは穀物構造の洗練に役立ちます, 腐食挙動に利益をもたらします.

熱処理と微細構造の影響

• 溶液熱処理と老化: 有害な沈殿物を溶解します, 顆粒間腐食の減少.
• オーバーアッシング: 粗境界で覆われた沈殿物は腐食を悪化させる可能性があります.
• 降水硬化: 強度と腐食のバランスをとるために慎重に制御する必要があります.
• サーマルワーク: コールドワーキング (例えば。, ローリング) 適切なアニーリングが続く場合を除き、局所腐食を強化する脱臼を引き起こす可能性があります.

7. 保護対策と表面処理

陽極酸化処理

• プロセス: 電解酸化により、より厚いal₂o₃層が構築されます (10–25μm).
• 種類:

• • 硫酸 陽極酸化処理 (タイプII): 建築および消費者製品に共通 (色がかかります).
  • ハード陽極酸化 (タイプIII): 厚い (25–100μm), 高い耐摩耗性; 機械と航空宇宙で使用されます.
  • クロム酸陽極酸化 (タイプI): 薄い (5–10μm), より良い腐食抵抗, 最小限の寸法変化; 航空宇宙コンポーネントに使用されます.

• 利点: 強化された腐食保護, 塗料の接着が改善されました, 装飾仕上げ.

変換コーティング

• クロム酸塩変換コーティング: 六価または三価クロムベース; 良好な腐食抵抗と塗料の接着を提供します.
  環境の懸念は、三価の代替案を推進しています.
• リン酸塩コーティング: アルミニウムではあまり一般的ではありません; 塗料の接着を改善するために時々使用されます.
• 非クロムの代替品: フッ化物ベース, ジルコネート, または、六バレントクロムなしで腐食保護を提供するタイタン酸化学.

有機コーティング

• 液体塗料: エポキシプライマー, ポリウレタントップコート, またはフルオロポリマー仕上げは、湿気と紫外線から保護します.
• 粉体塗装: ポリエステル, エポキシ, またはポリウレタン粉末が適用され、焼き、耐久性のあるフィルムを形成する. 厚いカバレッジは腐食と摩耗に抵抗します.

カソード保護と犠牲アノード

• 犠牲的なアノード (亜鉛, マグネシウム): 水没したアルミニウム構造を保護するために海水で使用されます; アノードは優先的に腐食します.
• 感動した電流: 小さなアルミニウムアイテムではあまり一般的ではありません; 大きな海洋構造に使用されます.

8. 結論

アルミニウムはそうします さびではありません 従来の意味で, しかし、それ 腐食します, 通常、それをさらなる攻撃から保護する安定した酸化物層を形成する.

材料の腐食に対する抵抗, 強度と重量の比と組み合わされています, 航空宇宙から建設までの産業に最適です.

しかし, その腐食メカニズムを理解する, 環境の制限, そして、保護対策は、その寿命とパフォーマンスを確保するために重要です.

右合金を組み合わせることにより, 表面処理, 設計上の考慮事項, アルミニウムは、数十年にわたるメンテナンスのないサービスを提供できます.

 

一般的な誤解

アルミニウムの腐食挙動は広範囲に研究されていますが, 業界と一般的な談話の両方にいくつかの誤解が続いています.

これらの誤解に対処することは、エンジニアに役立ちます, デザイナー, エンドユーザーは、アルミニウムコンポーネントを選択または維持する際に情報に基づいた決定を下します.

「アルミニウムは決して腐食しません」

アルミニウムはあらゆる形態の腐食に不浸透性があるという広範な信念が保持しています. 現実に, アルミニウムは鋼のように錆びませんが, それはまだ腐食を受けます.

その天然の酸化フィルム (al₂o₃) 空気にさらされるとすぐに形成されます, 優れた、しかし絶対的ではない - 保護を提供します.

塩化物が豊富な環境や酸性排水などの積極的な条件下, そのパッシブ層は分解できます, 孔食または隙間の腐食につながります.

したがって, アルミニウムはしばしば、コーティングされていない鋼を上回ります, まだ長寿のために適切な合金選択と表面処理が必要です.

「アルミニウムの白い粉は無害です」

アルミニウム表面が白を発達させるとき, 粉状の残留物は、一般的に「白い錆」と呼ばれていますが、それが脅威をもたらさないと仮定します.

しかし, この粉末は、高湿度または化学物質への曝露下で形成される水酸化物または炭酸塩堆積物に起因します.

対処されていないまま, これらの堆積物は、金属に対して水分を保持できます, 蓄積の下で局所腐食を促進します.

基礎となる損傷を防ぐためには、定期的なクリーニングと保護コーティングのアプリケーションが重要です, 特に露出した板金または構造メンバーについて.

「すべてのアルミニウム合金には同じ腐食挙動があります」

別の誤解は、すべてのアルミニウム合金が均一な腐食抵抗を示すということです. 実際には, 合金要素はパフォーマンスを劇的に変えます.

例えば, 5xxxシリーズ (mg-bearing) 合金は、海洋環境で優れた抵抗を示します,

一方、2xxxおよび7xxxシリーズ (cu- およびZn-Bearing) 治療せずに放置すると、孔食とストレス腐食の割れが生じる傾向があります.

低コストを仮定する, 高強度合金はすべての環境で十分であり、早期故障のリスクがあります.

したがって, 正しいシリーズと気性を指定し、おそらく陽極酸化またはクラッディングを適用することは、希望するサービス寿命を保証します.

「ガルバニック腐食は極端な条件でのみ重要です」

一部のデザイナーは、ガルバニック腐食が非常に攻撃的または水没したサービスでのみ発生すると考えています.

実に, 微量の水分さえ, 沿岸気候の朝の露など, 十分な導電率を作成できます

アルミニウムファスナーと銅の配線の間のガルバニック細胞を開始する, またはステンレス鋼と接触したアルミニウムトリム.

時間とともに, 陽極性アルミニウムは優先的に腐食します, 関節の緩みまたは構造の弱体化につながります.

これを避けるため, エンジニアは常に異なる金属を隔離するか、互換性のあるファスナーを指定する必要があります.

「陽極酸化により、アルミニウムは完全に腐食防止されます」

陽極酸化は確かに酸化物層を厚くすることにより耐食性を改善する, しかし、それはアルミニウムを不死身にすることはありません.

ハードアノード化された表面は、熱サイクリングまたは機械的ストレスにさらされると、マイクロクラックを発達させる可能性があります, 適切なシーリングなしで, それらは攻撃的なイオンから多孔質のままです.

その結果, 海洋環境のために標準的な硫黄酸酸化陽極酸化に依存することは、時間の経過とともに孔食につながる可能性があります.

シーラーと陽極酸化を組み合わせる, トップコート, または、アプリケーションを要求するためにカソード保護がしばしば必要になります.

「高純度アルミニウムはすべての腐食の懸念を軽減します」

純度は、酸化に対するアルミニウムの自然抵抗を高めます, それでもさえ 99.99% 純粋なアルミニウムは、ガスケットまたは密閉された囲いの下で隙間腐食を受ける可能性があります.

トレース不純物 - アイロン, シリコン, 銅 - 穀物の境界に集中したい, 局所的なガルバニック細胞の作成.

実際に, 非常に高純度のアルミニウム合金 (例えば。, 1100) 局所的な攻撃を補うための機械的強度がないため、構造用途での制限された使用を見つける.

純度と必要な合金要素のバランスをとることは不可欠です.