Vai alumīnija rūsa？

1. Ievads

Jautājums “Vai alumīnija rūsa?” Bieži rodas materiālu inženierijā, rūpnieciskais dizains, Un pat ikdienas DIY projekti.

Stingri runājot, Rūsa attiecas uz dzelzs oksīdu, Pārslains sarkanbrūns dzelzs un tērauda korozijas produkts.

Jo alumīnijs veido atšķirīgu oksīdu (alumīnija oksīds), tas tehniski nerūsē to, kā to dara dzelzs. Tomēr, alumīnijs var korozēt noteiktos apstākļos.

Šajā rakstā ir izskaidrota alumīnija oksidācijas ķīmija, Kontrastē to ar dzelzs rūsēšanu, Pārbauda dažādus korozijas režīmus, un izklāsta aizsardzības stratēģijas.

2. Definējot “rūsu” pret. Alumīnija oksīds

Tehniski, Rūsa attiecas uz sarkanbrūnu pārslveida vielu-dzelzs oksīds- tas veidojas, kad dzelzs reaģē ar skābekli un mitrumu.

Alumīnijs, Būdams bezkrāsains metāls, šādā veidā nerūsējas. Tā vietā, tas iziet oksidācija, ražot grūti, bezkrāsains, un pielipējs slānis alumīnija oksīds (Al₂o₃).

Šis oksīda slānis gandrīz uzreiz veidojas gaisa un ūdens klātbūtnē, Dabiskas barjeras radīšana, kas kavē turpmāku koroziju.

Lai gan šo procesu dažreiz dēvē par “baltu rūsu”, tas būtiski atšķiras no tērauda rūsēšanas.

3. Aizsargājošs oksīda slānis uz alumīnija

Vietējais oksīda veidošanās un biezums

Tūlīt pēc gaisa iedarbības, alumīnijs attīstās ~ 2–5 nm biezuma dabiskais oksīds. Filmu veidošanas pētījumi (XPS, elipsometrija) apstipriniet, ka šis slānis veidojas dažu sekunžu laikā.

Sausā gaisā, biezuma plato; mitrā vidē, tas var nedaudz sabiezēt (5–10 nm) bet paliek aizsargājošs.

Pašsaistības mehānisms

Ja mazs skrāpējums pārkāpj oksīdu, Svaigs alumīnijs zem oksidējas, lai labotu plēves.

Šis pašdziedināšana Mehānisms nodrošina pastāvīgu aizsardzību, ja ir pietiekami daudz skābekļa vai ūdens tvaika.

Ierobežota skābekļa iestatījumos (Piem., zem ūdens stāvošā ūdenī), pasivācija joprojām var notikt, bet var būt lēnāka.

Al₂o₃ mehāniskās un ķīmiskās īpašības

Alumīnija oksīds ir:

• Smagi (Mohs ~ 9), Palielinot virsmas skrāpējumu izturību.
• Ķīmiski stabils neitrālā un sārmainā vidē līdz ~ pH 9, kaut arī uzbrūk izteikti skābi (ph < 4) vai sārmains (ph > 9) vide.
• Zema elektriskā vadītspēja, kas var veicināt lokalizētu koroziju (Piem., lobīšana) noteiktos apstākļos.

4. Alumīnija korozijas izturēšanās dažādās vidēs

Atmosfēras iedarbība

• Sauss klimats: Minimāla turpmāka oksidācija ārpus vietējās plēves; Izskats joprojām ir mirdzošs.
• Mitrs gaiss: Oksīda slānis nedaudz sabiezē, Aizsardzības uzturēšana. Piesārņotājs (So, Noₓ) var paskābināt rasu, izraisot vieglu bedri.
• Jūras atmosfēra: Hlorīda piepildīti aerosoli uzbrūk oksīdam, noved pie bedres, ja nav aizsargājošu pārklājumu.

Ūdens vide

• Saldūdens: Alumīnijs pretojas maigam neitrālam ūdenim, veidojot stabilu al₂o₃.
• Jūras ūdens: Augsts hlorīds (~ 19 000 ppm) veicināt korozija. Var veidoties mazas bedres, bet vienmērīga korozija joprojām ir zema.
• Skābi/sārmaini šķīdumi:

• • ph < 4: Oksīds izšķīst, Pakļaujot pliku metālu ātram uzbrukumam.
  • ph > 9: Oksīds arī izšķīst (Al₂o₃ šķīdība palielinās), izraisot aktīvu koroziju.

Augstas temperatūras oksidācija

Virs ~ 200 ° C gaisā, oksīda slānis kļūst biezāks (līdz mikrometriem) Paraboliskā ātruma tendencē.

Kaut arī joprojām aizsargājošs, Diferenciālā termiskā izplešanās starp al un al₂o₃ var izraisīt spallāciju, ja to ātri atdzesē. Motora komponentos (Piem., Virzuļi), Dizains atspoguļo kontrolētu oksīda augšanu.

Galvaniskā korozija

Kad alumīnijs saskaras ar cēlāku metālu (tērauds, vara) elektrolīta klātbūtnē, alumīnijs kļūst par anodu un korodē.

Pareiza izolācija vai katodiskā aizsardzība novērš galvanisko uzbrukumu.

5. Alumīnija korozijas veidi

Kaut arī alumīnija vietējā oksīda plēve nodrošina ievērojamu aizsardzību daudzos apstākļos, Dažādas vides un spriegumi var izraisīt atšķirīgus korozijas režīmus.

Vienota korozija

Vienota korozija (Dažreiz sauc par vispārējo koroziju) ietver salīdzinoši vienmērīgu metāla zaudēšanu pa atklātajām virsmām.

Alumīnijā, Vienveidīga korozija rodas, ja aizsargājošs oksīds (Al₂o₃) izšķīst vai kļūst ķīmiski nestabils, ļaujot pamatā esošajam metālam oksidēties gandrīz nemainīgā ātrumā.

Korozija

Pits sākas, kad hlorīds vai citi agresīvi anjoni pārkāpj pasīvo al₂o₃ barjeru lokalizētā vietā.

Reiz bedres kodols, Notiek vietēja paskābināšanās (Izšķīdušā al³⁺ hidrolīzes dēļ), turpmāka alumīnija oksīda izšķīdināšana un bedres dziļuma paātrināšana.

Pit morfoloģija bieži ir šaura un dziļa, padarot izaicinoši atklāt pirms būtiskas iespiešanās.

Starpgranulārā korozija

Starpgranulārā korozija (IGC) Priekšrākus uzbrūk graudu robežas reģionam, Bieži vien tur, kur veiktas leģējošie elementi ir nogulsnējušies termiskās apstrādes laikā (Piem., temperatūrā 150–350 ° C).

Šie nogulsnes (Ar Cu bagātu, Mg₂si, vai al₂cu) nopliciniet blakus esošo šķīdināto vielu matricu, Izveidojot šauru anodisko ceļu gar graudu robežām.

Iegremdējot kodīgā vidē, Graudu robežas korozē pirms graudu interjera, kā rezultātā rodas graudu pilieni vai trausli mazspējas ceļi.

Stresa korozijas plaisāšana (SCC)

SCC ir sinerģisks kļūmes režīms, kam nepieciešami trīs nosacījumi: uzņēmīgs sakausējums, kodīga vide, un stiepes stress (atlikušais vai uzklāts).

Šajos apstākļos, plaisas sākas metāla/oksīda saskarnē un izplatās starpgranulāri vai transgranulāri sprieguma līmenī, kas ir krietni zem ražas stipruma.

Plaisas korozija

Plaisu korozija attīstās ekranētās vai norobežotās vietās - zem blīves, kniedes galvas, vai klēpja savienojumi - kur stagnējošais elektrolīts kļūst noplicināts no skābekļa.

Plaisā, Metāla izšķīšana rada al³⁺ un paskābina vietējo vidi (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Ak,).

Katodiskā reakcija (skābekļa samazināšana) notiek ārpus plaisas, Braucot turpmākai anodiskai izšķīdināšanai iekšā.

Hlorīda joni koncentrējas plaisā, lai saglabātu lādiņa neitralitāti, Uzbrukuma paātrināšana.

Kopsavilkuma tabula - alumīnija korozijas mehānismi

6. Leģējoša ietekme uz izturību pret koroziju

Alumīnija iekšējā korozijas pretestība izriet no straujas plānas veidošanās, pielipušais alumīnija oksīds (Al₂o₃) plēve.

Tomēr, inženierzinātņu praksē, Gandrīz viss strukturālais alumīnijs tiek izmantots sakausējumā, un katrs leģēšanas elements var būtiski ietekmēt oksīda slāņa stabilitāti un aizsardzību.

Tīrs alumīnijs vs. Alumīnija sakausējumi

• Tīrs alumīnijs (1100 sērija): Izcila izturība pret koroziju minimāla starpmetāla dēļ; Izmanto ķīmiskajam aprīkojumam.
• 2XXX sērija (Al-CU): Zemāka izturība pret koroziju, Īpaši nokrišņu izturētie sakausējumi (Piem., 2024), Piedalība SCC un starpgranulārā uzbrukumā.
• 5XXX sērija (AL - mg): Laba jūras izturība pret koroziju; Bieži sastopams kuģu korpusos (Piem., 5083, 5052).
• 6XXX sērija (Al -mg -i): Līdzsvarota izturība un izturība pret koroziju; plaši izmanto arhitektūras ekstrūzijās (Piem., 6061).
• 7XXX sērija (AL - Zn - mg): Ļoti augsts spēks, bet neaizsargāts pret SCC bez pienācīgas ārstēšanas.

Vara loma, Magnijs, Silīcijs, Cinks, un citi elementi

• Varš: Palielina izturību, bet pazemina izturību pret koroziju un pretestību.
• Magnijs: Pastiprina korozijas izturību jūras vidē, bet var veicināt starpgranulāru koroziju, ja tā netiek kontrolēta.
• Silīcijs: Uzlabo plūstamību un atlasību; sakausējumi, piemēram, A356, parāda pieticīgu korozijas veiktspēju.
• Cinks: Veicina izturību, bet samazina vispārējo izturību pret koroziju.
• Izsekošanas elementi (Fe, Nojaukšanās, Krekls): Samazināt kaitīgu starpmetālu; MN palīdz uzlabot graudu struktūru, Labums korozijas uzvedībā.

Termiskās apstrādes un mikrostruktūras ietekme

• Šķīduma termiskās apstrādes un novecošanās: Izšķīst kaitīgas nogulsnes, starpgranulāras korozijas samazināšana.
• Pārmērīgs: Rupju nogulsnes pie graudu robežām var pasliktināt koroziju.
• Nokrišņu sacietēšana: Nepieciešama rūpīga kontrole, lai līdzsvarotu izturību un koroziju.
• Termiskais darbs: Auksti strādīgs (Piem., ritošs) var radīt dislokācijas, kas uzlabo vietējo koroziju, ja vien seko atbilstoša atkvēlināšana.

7. Aizsardzības pasākumi un virsmas apstrāde

Anodēšana

• Apstrādāt: Elektrolītiskā oksidācija veido biezāku al₂o₃ slāni (10–25 μm).
• Veidi:

• • Sērskābe Anodēšana (II tips): Kopīgs arhitektūras un patēriņa produktiem (krāsojams).
  • Smaga anodēšana (III tips): Biezāks (25–100 μm), Augsta nodiluma izturība; Izmanto mašīnās un kosmosā.
  • Hromskābes anodēšana (I tips): Plānāks (5–10 μm), labāka izturība pret koroziju, Minimālas dimensijas izmaiņas; Izmanto kosmiskās aviācijas komponentiem.

• Pabalsti: Pastiprināta aizsardzība pret koroziju, Uzlabota krāsu saķere, Dekoratīvas apdares.

Konvertācijas pārklājumi

• Hromāta pārveidošanas pārklājums: Sešavalenta vai trīsvērtīga hroma bāzes; Nodrošina labu izturību pret koroziju un krāsu saķeri.
  Vides bažas rada trīsvērtīgas alternatīvas.
• Fosfātu pārklājumi: Retāk sastopams alumīnijā; Reizēm tiek izmantots, lai uzlabotu krāsas saķeri.
• Alternatīvas, kas nav šrome: Uz fluora bāzes, cirkonāts, vai titanāta ķīmijas, kas piedāvā aizsardzību pret koroziju bez sešstūra hroma.

Organiski pārklājumi

• Šķidrās krāsas: Epoksīda grunti, poliuretāna virspuses, vai fluoropolimēra apdare aizsargā pret mitrumu un UV.
• Pulvera pārklājums: Poliesters, epoksīda, vai poliuretāna pulveri tiek uzklāti un cepti, lai veidotu izturīgas plēves. Biezāks pārklājums pretojas korozijai un nodilumam.

Katodiskā aizsardzība un upurēšanas anodi

• Upurēšanas anodi (Cinks, Magnijs): Izmanto jūras ūdenī, lai aizsargātu zemūdens alumīnija struktūras; anods korodē.
• Iespaidota strāva: Retāk sastopams maziem alumīnija priekšmetiem; Izmanto lielām jūras konstrukcijām.

8. Secinājums

Alumīnijs to dara nevis rūsēt parastā nozīmē, Bet tas vai korodē, parasti veido stabilu oksīda slāni, kas to aizsargā no turpmāka uzbrukuma.

Materiāla izturība pret koroziju, apvienojumā ar tā izturības un svara attiecību, padara to ideālu nozarēm, sākot no kosmiskās aviācijas līdz būvniecībai.

Tomēr, izprast tā korozijas mehānismus, Vides ierobežojumi, un aizsargājošie pasākumi ir svarīgi, lai nodrošinātu tā ilgmūžību un veiktspēju.

Apvienojot pareizo sakausējumu, virsmas apstrāde, un dizaina apsvērumi, Alumīnijs var sniegt pakalpojumu bez apkopes gadu desmitiem.

 

Bieži sastopami nepareizie priekšstati

Kaut arī alumīnija korozijas izturēšanās ir plaši pētīta, Vairāki pārpratumi pastāv gan nozarē, gan populārajā diskursā.

Šo nepareizu priekšstatu risināšana palīdz inženieriem, dizaineri, un gala lietotāji pieņem apzinātus lēmumus, izvēloties vai uzturot alumīnija komponentus.

"Alumīnijs nekad korodē"

Plaši izplatīta pārliecība uzskata, ka alumīnijs ir necaurlaidīgs visām korozijas formām. Patiesībā, Lai gan alumīnijs nerūsē kā tērauds, tas joprojām notiek korozijā.

Tā dabiskā oksīda plēve (Al₂o₃) veidojas gandrīz tūlīt pēc gaisa iedarbības, nodrošinot izcilu, bet ne absolūtu - aizsardzību.

Agresīvos apstākļos, piemēram, ar hlorīdiem bagāta vide vai skābes notekas, Šis pasīvais slānis var sadalīties, kas ved uz bedres vai plaisu koroziju.

Tāpēc, Kamēr alumīnijs bieži pārspēj nekontrolētu tēraudu, tas joprojām prasa atbilstošu sakausējuma izvēli un virszemes ārstēšanu ilgmūžībai.

"Baltais pulveris uz alumīnija ir nekaitīgs"

Kad alumīnija virsmas izstrādā baltu, pulverveida atlikums - parasti to dēvē par “baltu rūsu” - daudzi pieņem, ka tas nerada draudus.

Tomēr, Šis pulveris rodas no hidroksīda vai karbonāta nogulsnēm, kas veidojas ar augstu mitrumu vai ķīmisku iedarbību.

Atstāts bez adsperācijas, Šīs nogulsnes var saglabāt mitrumu pret metālu, Vairākas lokalizētas korozijas veicināšana zem uzkrāšanas.

Regulāra tīrīšanas un aizsargājoša pārklājuma pielietojums ir kritisks, lai novērstu pamatā esošo bojājumu, īpaši uz atklātajiem lokšņu metāla vai konstrukcijas locekļiem.

"Visiem alumīnija sakausējumiem ir vienāda korozijas izturēšanās"

Vēl viens nepareizs uzskats ir tāds, ka visiem alumīnija sakausējumiem ir vienāda izturība pret koroziju. Patiesībā, Elementu leģēšana dramatiski maina sniegumu.

Piemēram, 5XXX sērija (Mg nesošs) sakausējumi izrāda lielisku pretestību jūras iestatījumos,

tā kā 2xxx un 7xxx sērijas (Cu- un Zn-Beeparing) ir nosliece uz bedres un stresa korozijas plaisāšanu, ja to neārstē.

Pieņemot zemu cenu, Pietiks ar augstas stiprības sakausējumu visās vides riskos priekšlaicīgi dzimušas neveiksmes.

Tādējādi, Pareizās sērijas un temperamenta norādīšana un, iespējams, anodēšanas vai apšuvuma piemērošana, vēlamais kalpošanas laiks.

"Galvaniskā korozija ir tikai ekstremālos apstākļos"

Daži dizaineri domā, ka galvaniskā korozija notiek tikai ļoti agresīvā vai iegremdētā dienestā.

Patiesībā, Pat izsekojiet mitruma daudzumam, piemēram, rīta rasa piekrastes klimatā, var radīt pietiekami daudz vadītspējas

Lai sāktu galvanisko šūnu starp alumīnija stiprinājumiem un vara elektroinstalāciju, vai alumīnija apdare saskarē ar nerūsējošo tēraudu.

Laika gaitā, anodiskais alumīnijs korozēs galvenokārt, kas noved pie locītavu atslābināšanas vai strukturālās vājināšanās.

Lai no tā izvairītos, Inženieriem vienmēr vajadzētu izolēt atšķirīgus metālus vai jānorāda saderīgi stiprinājumi.

"Anodēšana padara alumīniju pilnīgi pret koroziju"

Anodēšana noteikti uzlabo korozijas izturību, sabiezinot oksīda slāni, bet tas nepadara alumīniju neievainojamu.

Cieti anodētās virsmas var attīstīties mikroplaisas, ja tās ir pakļautas termiskajam ciklam vai mehāniskam spriegumam, Un bez pienācīgas blīvēšanas, tie paliek poraini pret agresīviem joniem.

Līdz ar to, Balstoties tikai uz standarta sēra skābes anodēšanu jūras vidē.

Apvienojot anodēšanu ar blīvētājiem, virsmas, vai katodiskā aizsardzība bieži ir nepieciešama prasībai lietojumprogrammai.

"Augsta tīrība alumīnijs mazina visas korozijas problēmas"

Tīrība pastiprina alumīnija iedzimto izturību pret oksidāciju, Tomēr pat 99.99% Tīrs alumīnijs var ciest plaisu koroziju zem blīves vai noslēgtu iežogojumu iekšpusē.

Izsekošanas piemaisījumi - elpar, silīcijs, varš - uz priekšu, lai koncentrētos uz graudu robežām, Lokalizētu galvanisko šūnu izveidošana.

Praksē, Ļoti augstas tīrības alumīnija sakausējumi (Piem., 1100) Atrodiet ierobežotu izmantošanu strukturālajās lietojumprogrammās tieši tāpēc, ka tām trūkst mehāniskās izturības, lai kompensētu lokalizētu uzbrukumu.

Līdzsvara tīrība ar nepieciešamajiem leģējošajiem elementiem joprojām ir būtiska.