Adakah karat aluminium？

1. Pengenalan

Soalannya "Adakah karat aluminium?" sering timbul dalam kejuruteraan bahan, Reka bentuk perindustrian, Dan projek DIY sehari -hari.

Tegas, karat merujuk kepada besi oksida, Produk kakisan coklat kemerahan yang berwarna merah jambu besi dan keluli.

Kerana aluminium membentuk oksida yang berbeza (Aluminium oksida), secara teknikalnya tidak berkarat dengan cara besi. Walaupun begitu, aluminium boleh menghancurkan dalam keadaan tertentu.

Artikel ini menerangkan kimia di belakang pengoksidaan aluminium, membezakannya dengan berkarat besi, meneliti pelbagai mod kakisan, dan menggariskan strategi perlindungan.

2. Menentukan "karat" vs. Aluminium oksida

Secara teknikal, karat merujuk kepada bahan berkilat merah.Besi oksida- Bentuk ketika besi bertindak balas dengan oksigen dan kelembapan.

Aluminium, Menjadi logam yang tidak ferus, tidak berkarat dengan cara ini. Sebaliknya, ia mengalami pengoksidaan, menghasilkan keras, tidak berwarna, dan lapisan penganut Aluminium oksida (Al₂o₃).

Lapisan oksida ini membentuk hampir serta -merta dengan kehadiran udara dan air, mewujudkan halangan semula jadi yang menghalang kakisan lebih lanjut.

Walaupun proses ini kadang -kadang disebut sebagai "karat putih" dalam istilah awam, Ia pada asasnya berbeza dengan berkarat keluli.

3. Lapisan oksida pelindung pada aluminium

Pembentukan dan ketebalan oksida asli

Sebaik sahaja pendedahan udara, aluminium mengembangkan oksida asli ~ 2-5 nm ketebalan. Kajian pembuatan filem (XPS, ellipsometry) Sahkan bahawa lapisan ini terbentuk dalam beberapa saat.

Di udara kering, ketebalan dataran tinggi; dalam persekitaran yang lembap, ia dapat menebal sedikit (5-10 nm) tetapi tetap melindungi.

Mekanisme lassivasi diri

Sekiranya gores kecil melanggar oksida, aluminium segar di bawah oksida untuk membaiki filem.

Ini penyembuhan diri mekanisme memastikan perlindungan berterusan selagi oksigen atau wap air yang mencukupi hadir.

Dalam tetapan terhad-oksigen (Mis., Bawah air di air bertakung), Passivation masih boleh berlaku tetapi mungkin lebih perlahan.

Ciri -ciri mekanikal dan kimia Al₂o₃

Aluminium oksida adalah:

• Keras (Mohs ~ 9), Meningkatkan rintangan gores permukaan.
• Stabil secara kimia dalam media neutral dan alkali sehingga ~ pH 9, walaupun diserang dengan kuat (Ph < 4) atau alkali (Ph > 9) persekitaran.
• Kekonduksian elektrik yang rendah, yang boleh menyumbang kepada kakisan setempat (Mis., pitting) dalam keadaan tertentu.

4. Tingkah laku kakisan aluminium dalam pelbagai persekitaran

Pendedahan atmosfera

• Iklim kering: Pengoksidaan selanjutnya yang minimum di luar filem asli; Penampilan tetap berkilat.
• Udara lembap: Lapisan oksida menebal sedikit, mengekalkan perlindungan. Bahan pencemar (So₂, Tidak) boleh mengasingkan embun, menyebabkan pitting ringan.
• Suasana marin: Aerosol Sarat Klorida Serangan Oksida, yang membawa kepada pitting jika lapisan pelindung tidak hadir.

Persekitaran berair

• Air tawar: Aluminium menentang air neutral ringan, membentuk stabil al₂o₃.
• Air laut: Klorida tinggi (~ 19,000 ppm) mempromosikan Pitting kakisan. Lubang kecil boleh terbentuk, Tetapi kakisan seragam masih rendah.
• Penyelesaian asid/alkali:

• • Ph < 4: Oksida larut, mendedahkan logam kosong untuk serangan cepat.
  • Ph > 9: Oxide juga larut (KELEBIHAN AL₂O₃ meningkat), membawa kepada kakisan aktif.

Pengoksidaan suhu tinggi

Di atas ~ 200 ° C di udara, Lapisan oksida tumbuh lebih tebal (sehingga mikrometer) dalam trend kadar parabola.

Sementara masih melindungi, Pembesaran terma pembezaan antara Al dan Al₂o₃ dapat mendorong spallation jika disejukkan dengan cepat. Dalam komponen enjin (Mis., Piston), Reka bentuk akaun untuk pertumbuhan oksida terkawal.

Kakisan galvanik

Apabila aluminium menghubungi logam yang lebih mulia (keluli, Tembaga) di hadapan elektrolit, aluminium menjadi anod dan corrodes dengan sengaja.

Penebat atau perlindungan katodik yang betul menghalang serangan galvanik.

5. Jenis kakisan aluminium

Walaupun filem oksida asli aluminium memberikan perlindungan yang besar dalam banyak keadaan, pelbagai persekitaran dan tekanan dapat mencetuskan mod kakisan yang berbeza.

Kakisan seragam

Kakisan seragam (kadang -kadang dipanggil kakisan umum) melibatkan kehilangan logam di seluruh permukaan yang terdedah.

Dalam aluminium, Kakisan seragam berlaku apabila oksida pelindung (Al₂o₃) larut atau menjadi tidak stabil secara kimia, Membenarkan logam yang mendasari mengoksidakan pada kadar yang hampir tetap.

Pitting kakisan

Pitting bermula apabila klorida atau anion agresif lain melanggar halangan pasif di tempat tempatan.

Sekali nukleat pit, Pengasidan tempatan berlaku (kerana hidrolisis larangan dibubarkan al³⁺), Alumina membubarkan lebih lanjut dan mempercepatkan kedalaman lubang.

Morfologi lubang sering sempit dan mendalam, menjadikannya mencabar untuk mengesan sebelum penembusan yang ketara.

Kakisan intergranular

Kakisan intergranular (IGC) menyerang kawasan sempadan bijian dengan sengaja, Selalunya di mana elemen aloi telah dicetuskan semasa rawatan haba (Mis., pada suhu 150-350 ° C).

Ini mendahului (Cu -kaya, Mg₂si, atau al₂cu) hancurkan matriks bersebelahan larutan aloi, mewujudkan jalan anodik sempit di sepanjang sempadan bijian.

Apabila tenggelam dalam persekitaran yang menghakis, Batasan bijirin menghancurkan di hadapan bijirin, mengakibatkan jalur kegagalan gandum atau rapuh.

Tekanan-karat retak (SCC)

SCC adalah mod kegagalan sinergi yang memerlukan tiga syarat: aloi yang terdedah, persekitaran yang menghakis, dan tegangan tegangan (sisa atau digunakan).

Di bawah syarat -syarat ini, retak memulakan di antara muka logam/oksida dan menyebarkan intergranular atau transgranular pada tahap tekanan jauh di bawah kekuatan hasil.

Crevice Corrosion

Kakisan celah berkembang di kawasan yang dilindungi atau terkurung -gasket di bawah, kepala rivet, atau sendi pusingan -di mana elektrolit yang bertakung menjadi habis oksigen.

Dalam celah, Pembubaran logam menjana al³⁺ dan mengasingkan persekitaran tempatan (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh).

Tindak balas katodik (pengurangan oksigen) berlaku di luar celah, Memandu pembubaran anodik lebih jauh di dalam.

Ion klorida menumpukan perhatian kepada celah untuk mengekalkan netraliti caj, mempercepatkan serangan.

Jadual Ringkasan - Mekanisme Kakisan Aluminium

6. Kesan aloi terhadap rintangan kakisan

Rintangan kakisan intrinsik aluminium berpunca dari pembentukan pesat nipis, Aluminium oksida yang berpengalaman (Al₂o₃) Filem.

Namun begitu, dalam amalan kejuruteraan, Hampir semua aluminium struktur digunakan dalam bentuk aloi, dan setiap elemen aloi dapat mempengaruhi kestabilan dan perlindungan lapisan oksida.

Aluminium tulen vs. Aloi aluminium

• Aluminium tulen (1100 siri): Rintangan kakisan yang luar biasa disebabkan oleh intermetallic minimum; digunakan untuk peralatan kimia.
• 2siri xxx (Al-cu): Rintangan kakisan yang lebih rendah, Terutama aloi pemendakan yang keras (Mis., 2024), terdedah kepada SCC dan serangan intergranular.
• 5siri xxx (Al -mg): Rintangan kakisan laut yang baik; biasa di kapal kapal (Mis., 5083, 5052).
• 6siri xxx (Al -mg -i): Kekuatan seimbang dan rintangan kakisan; digunakan secara meluas dalam penyeksaan seni bina (Mis., 6061).
• 7siri xxx (Al -Zn -mg): Kekuatan yang sangat tinggi tetapi terdedah kepada SCC tanpa rawatan yang betul.

Peranan tembaga, Magnesium, Silikon, Zink, dan unsur -unsur lain

• Tembaga: Meningkatkan kekuatan tetapi menurunkan ketahanan kakisan dan rintangan pitting.
• Magnesium: Meningkatkan rintangan kakisan dalam persekitaran laut tetapi boleh menggalakkan kakisan intergranular jika tidak dikawal.
• Silikon: Meningkatkan ketidakstabilan dan kebolehkerjaan; aloi seperti A356 menunjukkan prestasi kakisan sederhana.
• Zink: Menyumbang kepada kekuatan tetapi mengurangkan rintangan kakisan umum.
• Elemen jejak (Fe, Mn, Cr): Kurangkan intermetallics yang merugikan; MN membantu memperbaiki struktur bijirin, memberi manfaat kepada tingkah laku kakisan.

Rawatan haba dan pengaruh mikrostruktur

• Rawatan haba penyelesaian dan penuaan: Melarutkan precipitates yang berbahaya, Mengurangkan kakisan intergranular.
• Berlebihan: Precipitates kasar di sempadan bijian boleh memburukkan lagi kakisan.
• Pengerasan hujan: Memerlukan kawalan yang teliti untuk mengimbangi kekuatan dan kakisan.
• Kerja terma: Kerja sejuk (Mis., bergulir) boleh menghasilkan dislokasi yang meningkatkan kakisan tempatan kecuali diikuti dengan penyepuhlindapan yang sesuai.

7. Langkah perlindungan dan rawatan permukaan

Anodizing

• Proses: Pengoksidaan Elektrolytik Membina Lapisan Al₂o₃ tebal (10-25 μm).
• Jenis:

• • Asid sulfurik Anodizing (Jenis II): Biasa untuk produk seni bina dan pengguna (boleh berwarna).
  • Anodisasi keras (Jenis III): Lebih tebal (25-100 μm), Rintangan haus yang tinggi; digunakan dalam jentera dan aeroangkasa.
  • Anodizing asid kromik (Jenis i): Lebih nipis (5-10 μm), Rintangan kakisan yang lebih baik, Perubahan dimensi minimum; digunakan untuk komponen aeroangkasa.

• Faedah: Perlindungan kakisan yang dipertingkatkan, lekatan yang lebih baik untuk cat, selesai hiasan.

Salutan penukaran

• Salutan penukaran kromat: Berasaskan kromium hexavalent atau trivalen; Memberi rintangan kakisan yang baik dan lekatan cat.
  Kebimbangan alam sekitar memacu alternatif trivalen.
• Salutan fosfat: Kurang biasa pada aluminium; kadang -kadang digunakan untuk meningkatkan lekatan cat.
• Alternatif bukan krom: Berasaskan fluorida, zirkonat, atau kimia titanat yang menawarkan perlindungan kakisan tanpa kromium heksavalen.

Salutan organik

• Cat cecair: Primer epoksi, topcoats poliuretana, atau fluoropolimer selesai melindungi daripada kelembapan dan UV.
• Salutan serbuk: Poliester, epoksi, atau serbuk poliuretana digunakan dan dibakar untuk membentuk filem tahan lama. Perlindungan tebal menentang kakisan dan lelasan.

Perlindungan Katodik dan Anod Korban

• Anod korban (Zink, Magnesium): Digunakan dalam air laut untuk melindungi struktur aluminium tenggelam; Anode corrodes dengan sengaja.
• Semasa terkesan: Kurang biasa untuk barang aluminium kecil; digunakan untuk struktur laut yang besar.

8. Kesimpulan

Aluminium tidak bukan karat Dalam erti kata konvensional, Tetapi ia Adakah menghancurkan, biasanya membentuk lapisan oksida yang stabil yang melindunginya dari serangan selanjutnya.

Rintangan bahan terhadap kakisan, digabungkan dengan nisbah kekuatan-ke-beratnya, menjadikannya sesuai untuk industri dari aeroangkasa hingga pembinaan.

Namun begitu, memahami mekanisme kakisannya, batasan alam sekitar, dan langkah -langkah perlindungan adalah penting untuk memastikan panjang umur dan prestasinya.

Dengan menggabungkan aloi yang betul, rawatan permukaan, dan pertimbangan reka bentuk, aluminium dapat menyediakan perkhidmatan bebas penyelenggaraan dekad.

 

Kesalahpahaman biasa

Walaupun tingkah laku kakisan aluminium telah dikaji secara meluas, Beberapa salah faham berterusan dalam kedua -dua industri dan wacana popular.

Menangani kesalahpahaman ini membantu jurutera, pereka, dan pengguna akhir membuat keputusan yang tepat semasa memilih atau mengekalkan komponen aluminium.

"Aluminium tidak pernah menghancurkan"

Kepercayaan yang meluas berpendapat bahawa aluminium tidak tahan terhadap semua bentuk kakisan. Pada hakikatnya, Walaupun aluminium tidak berkarat seperti keluli, ia masih mengalami kakisan.

Filem oksida semula jadi (Al₂o₃) membentuk hampir sebaik sahaja pendedahan ke udara, menyediakan perlindungan yang sangat baik tetapi tidak mutlak.

Di bawah keadaan agresif seperti persekitaran yang kaya dengan klorida atau parit berasid, Lapisan pasif itu boleh rosak, membawa kepada kakisan pitting atau celah.

Therefore, Walaupun aluminium sering mengatasi keluli yang tidak bersalut, ia masih memerlukan pemilihan aloi dan rawatan permukaan yang sesuai untuk umur panjang.

"Serbuk putih pada aluminium tidak berbahaya"

Apabila permukaan aluminium berkembang putih, Residu serbuk -biasa disebut sebagai "karat putih" -mana menganggap ia tidak menimbulkan ancaman.

Namun begitu, Serbuk ini hasil daripada deposit hidroksida atau karbonat yang terbentuk di bawah kelembapan yang tinggi atau pendedahan kimia.

Kiri tidak disesuaikan, Deposit ini dapat mengekalkan kelembapan terhadap logam, memupuk kakisan setempat di bawah pembentukan.

Aplikasi pembersihan dan pelindung yang kerap adalah penting untuk mengelakkan kerosakan yang mendasari, terutamanya pada logam lembaran atau ahli struktur yang terdedah.

"Semua aloi aluminium mempunyai tingkah laku kakisan yang sama"

Kesalahpahaman lain ialah semua aloi aluminium mempamerkan rintangan kakisan seragam. Sebenarnya, elemen aloi secara dramatik mengubah prestasi.

Contohnya, 5siri xxx (Mg-bearing) aloi menunjukkan ketahanan yang sangat baik dalam tetapan marin,

manakala siri 2xxx dan 7xxx (Cu- dan Zn-bearing) terdedah kepada pitting dan retak karat tekanan jika tidak dirawat.

Dengan mengandaikan kos rendah, aloi kekuatan tinggi akan mencukupi dalam setiap risiko persekitaran kegagalan pramatang.

Justeru, Menentukan siri yang betul dan marah -dan mungkin memohon anodisasi atau pelapisan -Mempertahankan hayat perkhidmatan yang dikehendaki.

"Kakisan galvanik hanya penting dalam keadaan yang melampau"

Sebilangan pereka berfikir kakisan galvanik hanya berlaku dalam perkhidmatan yang sangat agresif atau tenggelam.

Sebenarnya, Malah jejak kelembapan, seperti embun pagi di iklim pesisir, boleh mencipta kekonduksian yang mencukupi

Untuk memulakan sel galvanik antara pengikat aluminium dan pendawaian tembaga, atau trim aluminium bersentuhan dengan keluli tahan karat.

Dari masa ke masa, aluminium anodik akan menghancurkan secara sengaja, menyebabkan kelemahan bersama atau kelemahan struktur.

Untuk mengelakkan ini, Jurutera harus selalu melindungi logam yang berbeza atau menentukan pengikat yang serasi.

"Anodizing menjadikan aluminium benar-benar kakisan"

Anodizing pasti meningkatkan rintangan kakisan dengan menebal lapisan oksida, Tetapi ia tidak menyebabkan aluminium tidak dapat dilupakan.

Permukaan anodized boleh membangunkan mikrokrek jika terdedah kepada tekanan berbasikal atau tekanan mekanikal, dan tanpa pengedap yang betul, mereka tetap berliang dengan ion yang agresif.

Akibatnya, bergantung semata-mata pada anodize asid sulfurik standard untuk persekitaran laut boleh menyebabkan pitting dari masa ke masa.

Menggabungkan anodisasi dengan pemburu anjing laut, topcoats, atau perlindungan katodik sering diperlukan untuk menuntut aplikasi.

"Aluminium Kemurnian Tinggi Mengurangkan semua kebimbangan kakisan"

Kesucian meningkatkan ketahanan semula jadi aluminium terhadap pengoksidaan, Namun walaupun 99.99% aluminium tulen boleh mengalami kakisan celah di bawah gasket atau di dalam kandang tertutup.

Jejak kekotoran -besi, silikon, Tembaga -Menangani untuk menumpukan perhatian pada sempadan bijian, mewujudkan sel galvanik setempat.

Dalam amalan, aloi aluminium yang sangat tinggi (Mis., 1100) Cari penggunaan terhad dalam aplikasi struktur dengan tepat kerana mereka tidak mempunyai kekuatan mekanikal untuk mengimbangi serangan setempat.

Keseimbangan kesucian dengan unsur -unsur aloi yang diperlukan tetap penting.