Gjør aluminiums rust？

1. Introduksjon

Spørsmålet “Ruster aluminium?” oppstår ofte i materialteknikk, Industriell design, Og til og med hverdags DIY -prosjekter.

Strengt tatt, Rust refererer til jernoksid, Det flakete rødbrune korrosjonsproduktet av jern og stål.

Fordi aluminium danner et annet oksid (aluminiumoksid), det ruster teknisk sett ikke på den måten jern gjør. Likevel, Aluminium kan korrodere under visse forhold.

Denne artikkelen forklarer kjemien bak aluminiumoksidasjon, kontrasterer det med jernroting, undersøker forskjellige korrosjonsmodus, og skisserer beskyttelsesstrategier.

2. Definere “rust” vs. Aluminiumoksid

Teknisk, Rust refererer til det rødbrune flassende stoffet-jernoksid- som dannes når jern reagerer med oksygen og fuktighet.

Aluminium, å være et ikke-jernholdig metall, ruster ikke på denne måten. I stedet, det gjennomgår oksidasjon, produsere en hard, fargeløs, og vedheftende lag av aluminiumoksid (Al₂o₃).

Dette oksydlaget dannes nesten øyeblikkelig i nærvær av luft og vann, skape en naturlig barriere som hemmer ytterligere korrosjon.

Mens denne prosessen noen ganger blir referert til som "hvit rust" i leken, Det er grunnleggende forskjellig fra rusting av stål.

3. Beskyttende oksydlag på aluminium

Native oksiddannelse og tykkelse

Umiddelbart etter lufteksponering, Aluminium utvikler et naturlig oksid på ~ 2–5 nm tykkelse. Filmskapingsstudier (XPS, ellipsometri) Bekreft at dette laget dannes i løpet av sekunder.

I tørr luft, tykkelsesplatåer; i fuktige miljøer, det kan tykne litt (5–10 nm) men forblir beskyttende.

Selvpassiveringsmekanisme

Hvis en liten riper bryter oksydet, fersk aluminium under oksiderer for å reparere filmen.

Dette Selvheling Mekanisme sikrer kontinuerlig beskyttelse så lenge tilstrekkelig oksygen eller vanndamp er til stede.

I innstillinger med begrenset oksygen (F.eks., Under vann i stillestående vann), Passivering kan fortsatt oppstå, men kan være tregere.

Mekaniske og kjemiske egenskaper til Al₂o₃

Aluminiumoksid er:

• Hard (MOHS ~ 9), Økende overflatesnakkmotstand.
• Kjemisk stabil i nøytrale og alkaliske medier opp til ~ pH 9, men angrepet i sterkt sur (Ph < 4) eller alkalisk (Ph > 9) miljøer.
• Lav elektrisk ledningsevne, som kan bidra til lokal korrosjon (F.eks., Pitting) under visse betingelser.

4. Korrosjonsatferd av aluminium i forskjellige miljøer

Atmosfærisk eksponering

• Tørt klima: Minimal videre oksidasjon utover innfødt film; Utseende forblir skinnende.
• Fuktig luft: Oksidlaget tykner litt, opprettholde beskyttelse. Forurensninger (Så₂, Nei) kan surde dugg, forårsaker mild pitting.
• Marin atmosfære: Kloridbelastet aerosoler angriper oksid, som fører til pitting hvis beskyttende belegg er fraværende.

Vandige miljøer

• Ferskvann: Aluminium motstår mildt nøytralt vann, danner stabil al₂o₃.
• Sjøvann: Høyt klorid (~ 19.000 ppm) Fremmer Pitting korrosjon. Små groper kan dannes, Men ensartet korrosjon forblir lav.
• Syre/alkaliske løsninger:

• • Ph < 4: Oksid oppløses, utsetter bare metall for raskt angrep.
  • Ph > 9: Oksid oppløses også (Al₂o₃ løselighet øker), som fører til aktiv korrosjon.

Oksidasjon med høy temperatur

Over ~ 200 ° C i luft, oksydlaget blir tykkere (opp til mikrometer) I en parabolsk rate -trend.

Mens du fortsatt er beskyttende, Differensiell termisk ekspansjon mellom Al og Al₂o₃ kan indusere spallasjon hvis den avkjøles raskt. I motorkomponenter (F.eks., stempler), Design står for kontrollert oksidvekst.

Galvanisk korrosjon

Når aluminium kontakter et mer edelt metall (stål, kopper) i nærvær av en elektrolytt, Aluminium blir anoden og korroderer fortrinnsvis.

Riktig isolasjon eller katodisk beskyttelse forhindrer galvanisk angrep.

5. Typer aluminium korrosjon

Selv om aluminiums innfødte oksydfilm gir betydelig beskyttelse under mange forhold, Ulike miljøer og påkjenninger kan utløse distinkte korrosjonsmodus.

Enhetlig korrosjon

Enhetlig korrosjon (noen ganger kalt generell korrosjon) innebærer et relativt jevnt tap av metall på tvers av utsatte overflater.

I aluminium, Ensartet korrosjon oppstår når beskyttende oksid (Al₂o₃) oppløses eller blir kjemisk ustabil, slik at det underliggende metallet kan oksidere i en nesten konstant hastighet.

Pitting korrosjon

Pitting begynner når klorid eller andre aggressive anioner bryter den passive al₂o₃ -barrieren på et lokalisert sted.

En gang en pit nukleates, Lokal forsuring oppstår (På grunn av hydrolyse av oppløst al³⁺), Ytterligere oppløsende aluminiumoksyd og akselererer pit -dybden.

Pit -morfologi er ofte smal og dyp, gjør det utfordrende å oppdage før betydelig penetrering.

Intergranulær korrosjon

Intergranulær korrosjon (Igc) angriper korngrenseområdet fortrinnsvis, ofte der legeringselementer har utfelt under varmebehandling (F.eks., ved temperaturer 150–350 ° C).

Disse utfeller (Cu - rik, Mg₂si, eller al₂cu) Tøm den tilstøtende matrisen til legeringsoppløsninger, skape en smal anodisk bane langs korngrenser.

Når det er nedsenket i etsende miljøer, Korngrenser korroderer foran korninteriøret, noe.

Stress-korrosjonssprekker (SCC)

SCC er en synergistisk feilmodus som krever tre forhold: en mottagelig legering, et etsende miljø, og strekkstress (Rest eller påført).

Under disse forholdene, Sprekker initierer ved metall/oksydgrensesnittet og forplanter intergranulært eller overgripert på stressnivå godt under flytestyrken.

Sprekk korrosjon

Crevice Corrosion utvikler seg i skjermede eller begrensede områder - underpakninger, naglehoder, eller fangledd - der en stillestående elektrolytt blir utarmet av oksygen.

Innenfor sprøen, Metalloppløsning genererer al³⁺ og surifiserer nærmiljøet (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Oh⁻).

Den katodiske reaksjonen (Oksygenreduksjon) oppstår utenfor sprekken, Kjører ytterligere anodisk oppløsning inne.

Kloridioner konsentrerer seg i sprekken for å opprettholde ladningsnøytralitet, akselerere angrepet.

Sammendragstabell - Korrosjonsmekanismer for aluminium

6. Legeringseffekter på korrosjonsmotstand

Aluminiums egen korrosjonsmotstand stammer fra den raske dannelsen av en tynn, adherent aluminiumoksyd (Al₂o₃) film.

Imidlertid, i ingeniørpraksis, Nesten alt strukturelt aluminium brukes i legert form, og hvert legeringselement kan påvirke stabiliteten og beskyttelsen av oksydlaget betydelig.

Ren aluminium vs. Aluminiumslegeringer

• Ren aluminium (1100 serie): Eksepsjonell korrosjonsmotstand på grunn av minimale intermetalliske stoffer; brukt til kjemisk utstyr.
• 2XXX -serien (Al-cu): Lavere korrosjonsmotstand, Spesielt nedbørherdede legeringer (F.eks., 2024), utsatt for SCC og intergranulært angrep.
• 5XXX -serien (Al - mg): God marine korrosjonsmotstand; Vanlig i skipskrog (F.eks., 5083, 5052).
• 6XXX -serien (Al -mg -i): Balansert styrke og korrosjonsmotstand; mye brukt i arkitektoniske ekstruderinger (F.eks., 6061).
• 7XXX -serien (Al - Zn - Mg): Veldig høy styrke, men sårbar for SCC uten riktig behandling.

Kobberrollen, Magnesium, Silisium, Sink, og andre elementer

• Kopper: Øker styrken, men senker korrosjonsmotstand og pitting motstand.
• Magnesium: Forbedrer korrosjonsmotstand i marine miljøer, men kan fremme intergranulær korrosjon hvis ikke kontrollert.
• Silisium: Forbedrer fluiditet og støpbarhet; Legeringer som A356 viser beskjeden korrosjonsytelse.
• Sink: Bidrar til styrke, men reduserer generell korrosjonsmotstand.
• Sporelementer (Fe, Mn, Cr): Minimer skadelige intermetalliske stoffer; MN hjelper til med å avgrense kornstruktur, Dra nytte av korrosjonsatferd.

Varmebehandling og mikrostrukturpåvirkning

• Løsning varmebehandling og aldring: Oppløser skadelige utfellinger, redusere intergranulær korrosjon.
• Overaging: Grovt utfellinger ved korngrenser kan forverre korrosjonen.
• Nedbør herding: Krever nøye kontroll for å balansere styrke og korrosjon.
• Termisk arbeid: Kaldt arbeid (F.eks., Rullende) kan produsere dislokasjoner som forbedrer lokal korrosjon med mindre det er fulgt av passende annealing.

7. Beskyttelsestiltak og overflatebehandlinger

Anodisering

• Behandle: Elektrolytisk oksidasjon bygger et tykkere al₂o₃ -lag (10–25 μm).
• Typer:

• • Svovelsyre Anodisering (Type II): Vanlig for arkitektoniske og forbrukerprodukter (fargeleggbar).
  • Hardt anodisering (Type III): Tykkere (25–100 μm), Høy slitasje motstand; brukt i maskiner og romfart.
  • Kromsyreanodisering (Type I.): Tynnere (5–10 μm), Bedre korrosjonsmotstand, Minimal dimensjonal endring; brukt til romfartskomponenter.

• Fordeler: Forbedret korrosjonsbeskyttelse, Forbedret vedheft for maling, dekorative finish.

Konverteringsbelegg

• Kromatkonverteringsbelegg: Heksavalent eller trivalent krombasert; gir god korrosjonsmotstand og maling vedheft.
  Miljøhensyn driver trivalente alternativer.
• Fosfatbelegg: Mindre vanlig på aluminium; Noen ganger brukt til å forbedre malingsadhesjonen.
• Ikke-kromalternativer: Fluorbasert, zirkonat, eller titanatkjemi som tilbyr korrosjonsbeskyttelse uten heksavalent krom.

Organiske belegg

• Flytende maling: Epoksyprimere, Polyuretan toppstrøk, eller fluoropolymer finish beskytter mot fuktighet og UV.
• Pulverlakkering: Polyester, epoksy, eller polyuretanpulver påføres og bakt for å danne holdbare filmer. Tykkere dekning motstår korrosjon og slitasje.

Katodisk beskyttelse og offeranoder

• Offeranoder (Sink, Magnesium): Brukt i sjøvann for å beskytte nedsenket aluminiumstrukturer; Anoden korroderer fortrinnsvis.
• Imponert strøm: Mindre vanlig for små aluminiumsartikler; brukt til store marine strukturer.

8. Konklusjon

Aluminium gjør det ikke rust I konvensjonell forstand, Men det korroderer, danner typisk et stabilt oksydlag som beskytter det mot ytterligere angrep.

Materialets motstand mot korrosjon, kombinert med forholdet til styrke-til-vekt, gjør det ideelt for bransjer som spenner fra romfart til bygging.

Imidlertid, forstå korrosjonsmekanismer, miljømessige begrensninger, og beskyttelsestiltak er avgjørende for å sikre dens levetid og ytelse.

Ved å kombinere riktig legering, Overflatebehandling, og designhensyn, Aluminium kan gi flere tiår med vedlikeholdsfri service.

 

Vanlige misoppfatninger

Selv om aluminiums korrosjonsatferd har blitt studert mye, Flere misforståelser vedvarer både i bransjen og populær diskurs.

Å adressere disse misoppfatningene hjelper ingeniører, designere, og sluttbrukere tar informerte beslutninger når du velger eller vedlikeholder aluminiumskomponenter.

“Aluminium korroderer aldri”

En utbredt tro hevder at aluminium er ugjennomtrengelig for alle former for korrosjon. I virkeligheten, Selv om aluminium ikke ruster som stål, det gjennomgår fortsatt korrosjon.

Dens naturlige oksidfilm (Al₂o₃) danner nesten umiddelbart etter eksponering for luft, gir utmerket - men ikke absolutt - beskyttelse.

Under aggressive forhold som kloridrike miljøer eller sure avløp, Det passive laget kan bryte sammen, som fører til pitting eller sprekk korrosjon.

Derfor, Mens aluminium ofte overgår ikke -belagt stål, Det krever fortsatt passende legeringsvalg og overflatebehandling for lang levetid.

“Hvitt pulver på aluminium er ufarlig”

Når aluminiumsflater utvikler en hvit, Pulveraktig rest - Kommende referert til som "hvit rust" - antar at det ikke utgjør noen trussel.

Imidlertid, Dette pulveret er resultatet av hydroksyd eller karbonatavsetninger som dannes under høy luftfuktighet eller kjemisk eksponering.

Venstre uadressert, Disse forekomstene kan beholde fuktighet mot metallet, fremme lokal korrosjon under oppbyggingen.

Regelmessig rengjørings- og beskyttelsesbelegg påføring er avgjørende for å forhindre underliggende skade, spesielt på utsatte metall eller strukturelle medlemmer.

“Alle aluminiumslegeringer har samme korrosjonsatferd”

En annen misoppfatning er at alle aluminiumslegeringer viser ensartet korrosjonsmotstand. Faktisk, Legende elementer endrer dramatisk ytelse.

For eksempel, 5XXX -serien (MG-bærende) Legeringer viser utmerket motstand i marine omgivelser,

mens 2xxx og 7xxx -serien (Cu- og Zn-bærende) er utsatt for pitting og stress-korrosjonsprekker hvis den ikke blir behandlet.

Forutsatt en rimelig pris, Høy styrke-legering vil være tilstrekkelig i alle miljøer risikerer for tidlig svikt.

Slik, Spesifisere riktig serie og temperament - og muligens bruke anodisering eller kledning - forfører ønsket levetid.

“Galvanisk korrosjon betyr bare noe under ekstreme forhold”

Noen designere synes galvanisk korrosjon bare forekommer i svært aggressiv eller nedsenket tjeneste.

I sannhet, til og med spormengder med fuktighet, som morgendugg i et kystklima, kan skape nok konduktivitet

å sette i gang en galvanisk celle mellom aluminiumsfester og kobberledninger, eller aluminium trim i kontakt med rustfritt stål.

Over tid, Det anodiske aluminiumet vil korrodere fortrinnsvis, som fører til å løsne felles eller strukturell svekkelse.

For å unngå dette, Ingeniører skal alltid isolere forskjellige metaller eller spesifisere kompatible festemidler.

“Anodisering gjør aluminium helt korrosjonssikker”

Anodisering forbedrer absolutt korrosjonsresistens ved å tykne oksydlaget, men det gjør ikke aluminiums usannert.

Hard-anodiserte overflater kan utvikle mikrokrakker hvis de blir utsatt for termisk sykling eller mekanisk stress, og uten riktig forsegling, De forblir porøse mot aggressive ioner.

Følgelig, Å stole utelukkende på en standard svovel-syre-anodisering for et marint miljø kan føre til grop over tid.

Kombinere anodisering med tetningsmenn, Topcoats, eller katodisk beskyttelse blir ofte nødvendig for å kreve applikasjoner.

“Aluminium med høy renhet lindrer alle korrosjonsproblemer”

Renhet forbedrer aluminiums medfødte motstand mot oksidasjon, Likevel til og med 99.99% Rent aluminium kan lide sprekkkorrosjon under pakninger eller inne i forseglede innkapslinger.

Spor urenheter - iron, silisium, Kobber - Tend å konsentrere seg ved korngrenser, lage lokaliserte galvaniske celler.

I praksis, veldig høye renhet aluminiumslegeringer (F.eks., 1100) Finn begrenset bruk i strukturelle applikasjoner nettopp fordi de mangler den mekaniske styrken for å kompensere for lokalisert angrep.

Balansering av renhet med nødvendige legeringselementer er fortsatt viktig.