Czy rdza aluminiowa？

1. Wstęp

Pytanie „Czy rdza aluminiowa?" powstaje często w inżynierii materiałowej, Projekt przemysłowy, a nawet codzienne projekty DIY.

Ściśle mówiąc, Rdza odnosi się do tlenku żelaza, łuszczący się czerwonawo-brązowy produkt korozji żelaza i stali.

Ponieważ aluminium tworzy inny tlenek (Tlenek glinu), Technicznie nie rdzewieje tak, jak żelazo. Niemniej jednak, Aluminium może korodować w określonych warunkach.

W tym artykule wyjaśniono chemię utleniania aluminium, Kontrastowanie go z żelaznym rdzewieniem, bada różne tryby korozji, i przedstawia strategie ochronne.

2. Definiowanie „rdzy” vs.. Tlenek glinu

Technicznie, Rdza odnosi się do czerwonawo-brązowej substancji-tlenek żelaza—To tworzy się, gdy żelazo reaguje z tlenem i wilgocią.

Aluminium, Bycie nieżelaznym metalem, w ten sposób nie rdzewieje. Zamiast, przechodzi utlenianie, wytwarzanie ciężkiego, bezbarwny, i przylegająca warstwa Tlenek glinu (Al₂o₃).

Ta warstwa tlenku tworzy prawie natychmiast w obecności powietrza i wody, tworzenie naturalnej bariery, która hamuje dalszą korozję.

Podczas gdy proces ten jest czasem określany jako „biała rdza”, Zasadniczo różni się od rdzewienia stali.

3. Ochronna warstwa tlenku na aluminium

Tworzenie i grubość tlenku natywnego

Natychmiast po ekspozycji na powietrze, Aluminium rozwija natywny tlenek o grubości ~ 2–5 nm. Studia filmowe (XPS, Elipsometria) Potwierdź, że ta warstwa tworzy się w ciągu kilku sekund.

W suchym powietrzu, Płaskowyż grubości; w wilgotnych środowiskach, może lekko zagęścić (5–10 nm) ale pozostaje ochronny.

Mechanizm samozachiwań

Jeśli mały zadrapanie narusza tlenek, Świeże aluminium pod utlenia się w celu naprawy folii.

Ten samoleczenie Mechanizm zapewnia ciągłą ochronę, o ile występuje wystarczająca ilość tlenu lub pary wodnej.

W ustawieniach limitowanego tlenu (NP., pod wodą w stagnacji), pasywacja może nadal wystąpić, ale może być wolniejsze.

Właściwości mechaniczne i chemiczne Al₂o₃

Tlenek aluminium jest:

• Twardy (Mohs ~ 9), Zwiększenie odporności na zadrapanie powierzchni.
• Chemicznie stabilny w mediach neutralnych i alkalicznych do ~ pH 9, choć zaatakowano mocno kwaśne (Ph < 4) lub alkaliczne (Ph > 9) środowiska.
• Niska przewodność elektryczna, które mogą przyczynić się do zlokalizowanej korozji (NP., wżery) w określonych warunkach.

4. Zachowanie korozji aluminium w różnych środowiskach

Ekspozycja atmosferyczna

• Suchy klimat: Minimalne dalsze utlenianie poza filmem rodzimym; Wygląd pozostaje lśniąca.
• Wilgotne powietrze: Warstwa tlenku lekko gęstnieje, Utrzymanie ochrony. Zanieczyszczenia (Tak₂, Noₓ) może zakwaszić rosę, powodując łagodne wżery.
• Atmosfera morska: Obciążone chlorkiem aerozole atakują tlenek, prowadząc do wżery, jeśli nieobecne są powłoki ochronne.

Wodne środowiska

• Słodka woda: Aluminium odpowiada łagodnej wodzie neutralnej, tworzenie stabilnego al₂o₃.
• Woda morska: Wysoki chlorek (~ 19 000 ppm) promuje wżery korozję. Małe doły mogą się tworzyć, Ale jednolita korozja pozostaje niska.
• Kwaśne/alkaliczne roztwory:

• • Ph < 4: Tlenek rozpuszcza się, wystawianie gola na szybki atak.
  • Ph > 9: Tlenek również się rozpuszcza (Wzrasta rozpuszczalność Al₂o₃), prowadząc do aktywnej korozji.

Utlenianie w wysokiej temperaturze

Powyżej ~ 200 ° C w powietrzu, Warstwa tlenku rośnie grubsza (do mikrometrów) w trendach parabolicznych.

Choć jest jeszcze ochronny, Różnicowy rozszerzalność termiczna między AL i Al₂o₃ może wywołać spalanie, jeśli zostanie szybkie ostygnięcie. W komponentach silnika (NP., tłoki), Projektowanie uwzględniające kontrolowany wzrost tlenku.

Korozja galwaniczna

Kiedy aluminium kontaktuje się z bardziej szlachetnym metalem (stal, miedź) w obecności elektrolitu, aluminium staje się anodą i preferencyjnie koroduje.

Właściwa izolacja lub ochrona katodowa zapobiega atakowi galwanicznemu.

5. Rodzaje korozji aluminiowej

Chociaż natywna folia tlenku aluminium zapewnia znaczną ochronę w wielu warunkach, Różne środowiska i naprężenia mogą wywołać wyraźne tryby korozji.

Jednolita korozja

Jednolita korozja (czasami nazywane ogólną korozją) obejmuje stosunkowo nawet utratę metalu na odsłoniętych powierzchniach.

W aluminium, Jedna korozja występuje, gdy tlenek ochronny (Al₂o₃) rozpuszcza lub staje się chemicznie niestabilny, umożliwiając leżącym u podstaw metalu utlenianie się z prawie stałą prędkością.

Wżery korozję

Pitting zaczyna się, gdy chlorek lub inne agresywne aniony naruszają pasywną barierę Al₂o₃ w zlokalizowanym miejscu.

Kiedyś zarodkowe, Występuje lokalne zakwaszenie (z powodu hydrolizy rozpuszczonego al³⁺), dalsze rozpuszczenie tlenu i przyspieszające głębokość dołu.

Morfologia pit jest często wąska i głęboka, Wykrywanie przed znaczącą penetracją jest trudne.

Korozja międzygranowa

Korozja międzygranowa (IGC) Preferencyjnie atakuje obszar graniczny ziarna, Często tam, gdzie wytrąciły pierwiastki stopowe podczas obróbki cieplnej (NP., W temperaturach 150–350 ° C).

Te wytrącają się (Cu -rich, Mg₂si, lub al₂cu) wyczerpać przyległą matrycę stopu rozpuszczonych, Tworzenie wąskiej anodowej ścieżki wzdłuż granic ziaren.

Po zanurzeniu w środowiskach korozyjnych, Granice ziarna korodują przed wnętrzami ziarna, powodując ścieżki upadku ziarna lub kruche.

Pękanie stresu (SCC)

SCC to synergistyczny tryb awarii, który wymaga trzech warunków: podatny stop, środowisko żrące, i stres na rozciąganie (resztkowy lub stosowany).

W tych warunkach, Pęknięcia inicjowane na interfejsie metalu/tlenku i propagują międzykranularnie lub transgratowo na poziomach naprężeń znacznie poniżej granicy plastyczności.

Korozja szczeliny

Korozja szczelinowa rozwija się na obszarach ekranowanych lub ograniczonych - uszczelniacz, Głowy nitów, lub stawy okrągłe - gdzie stagnacyjny elektrolit wyczerpuje się tlenem.

W szczelinie, Rozpuszczanie metali generuje all⁺ i zakwasza lokalne środowisko (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

Reakcja katodowa (Redukcja tlenu) występuje poza szczeliną, Jazda dalej anodowym rozwiązaniem w środku.

Jony chlorkowe koncentrują się w szczelinie, aby utrzymać neutralność ładunku, przyspieszanie ataku.

Tabela podsumowująca - mechanizmy korozji aluminium

6. Wpływ stopowy na odporność na korozję

Wewnętrzna odporność na korozję aluminium wynika z szybkiego tworzenia się cienkiego, przylegający tlenek glinu (Al₂o₃) film.

Jednakże, w praktyce inżynierskiej, Prawie wszystkie aluminium strukturalne stosuje się w postaci stopowej, i każdy element stopowy może znacząco wpłynąć na stabilność i ochronę warstwy tlenku.

Czyste aluminium vs.. Stopy aluminium

• Czyste aluminium (1100 szereg): Wyjątkowy odporność na korozję z powodu minimalnych intermetalicznych; używane do sprzętu chemicznego.
• 2Seria XXX (Al-Cu): Niższa odporność na korozję, zwłaszcza stopnie zahartowane opadami (NP., 2024), Podatny na SCC i atak międzykręgowy.
• 5Seria XXX (Al - Mg): Dobra odporność na korozję morską; powszechne w kadłubach statków (NP., 5083, 5052).
• 6Seria XXX (Al -mg -i): Zrównoważona wytrzymałość i odporność na korozję; Powszechnie stosowane w wysiłkach architektonicznych (NP., 6061).
• 7Seria XXX (Al - Zn - Mg): Bardzo wysoka siła, ale podatna na SCC bez odpowiedniego leczenia.

Rola miedzi, Magnez, Krzem, Cynk, i inne elementy

• Miedź: Zwiększa wytrzymałość, ale obniża odporność na korozję i odporność na wżery.
• Magnez: Zwiększa odporność na korozję w środowiskach morskich, ale może promować korozję międzykrystaliczną, jeśli nie jest kontrolowana.
• Krzem: Poprawia płynność i możliwość wyboru; stopy takie jak A356 pokazują niewielką wydajność korozji.
• Cynk: Przyczynia się do siły, ale zmniejsza ogólną odporność na korozję.
• Elementy śladowe (Fe, Mn, Cr): Zminimalizować szkodliwe intermetaliki; MN pomaga udoskonalić strukturę ziarna, korzystając z zachowania korozji.

Obróbka cieplna i wpływ mikrostruktury

• Roztwór obróbki cieplnej i starzenie się: Rozpuszcza szkodliwe osady, Zmniejszenie korozji międzygranowej.
• Przepełnienie: Grubne osady na granicach ziarna mogą pogorszyć korozję.
• Hartowanie opadów: Wymaga starannej kontroli w celu zrównoważenia siły i korozji.
• Praca termiczna: Zimno (NP., walcowanie) może powodować zwichnięcia, które zwiększają lokalną korozję, chyba że po odpowiednim wyżarzaniu.

7. Środki ochronne i zabiegi powierzchniowe

Anodowanie

• Proces: Utlenianie elektrolityczne buduje grubszą warstwę al₂o₃ (10–25 μm).
• Typy:

• • Kwas siarkowy Anodowanie (Typ II): Powszechne dla produktów architektonicznych i konsumenckich (barwne).
  • Trudne anodowanie (Typ III): Grubszy (25–100 μm), Wysoka odporność na zużycie; używane w maszynach i lotniczych.
  • Anodowanie kwasu chromowego (Typ I.): Rozcieńczalnik (5–10 μm), lepsza odporność na korozję, Minimalna zmiana wymiarowa; używane do komponentów lotniczych.

• Korzyści: Zwiększona ochrona korozji, Ulepszona przyczepność do farb, Dekoracyjne wykończenia.

Powłoki konwersji

• Powłoka konwersji chromianu: Sześciowcitnie lub trwalentny chrom; Zapewnia dobrą odporność na korozję i przyczepność farby.
  Obawy środowiskowe napędzają trójwartościowe alternatywy.
• Powłoki fosforanowe: Mniej powszechne na aluminium; Czasami używane do poprawy przyczepności farby.
• Alternatywy inne niż chromu: Oparty na fluorku, cyrkon, lub chemia tytanatów, które oferują ochronę korozji bez chromu sześciowcitnie chromu.

Powłoki organiczne

• Farby płynne: Startery epoksydowe, Poliuretanowe lakiery nawierzchniowe, lub wykończenia fluoropolimeru chronią przed wilgocią i UV.
• Powłoka proszkowa: Poliester, Epoksyd, lub proszki poliuretanowe są stosowane i pieczone w celu tworzenia trwałych filmów. Grubsze pokrycie odpowiada korozji i ścieraniu.

Ochrona katodowa i anody ofiarne

• Anody ofiarne (Cynk, Magnez): Używane w wodzie morskiej do ochrony zanurzonych struktur aluminiowych; Anoda koroduje preferencyjnie.
• Pod wrażeniem prądu: Rzadziej dla małych aluminiowych przedmiotów; używane do dużych konstrukcji morskich.

8. Wniosek

Aluminium robi nie rdzy W konwencjonalnym sensie, Ale to Corrode, Zazwyczaj tworząc stabilną warstwę tlenku, która chroni ją przed dalszym atakiem.

Odporność materiału na korozję, w połączeniu z stosunkiem siły do ​​masy, sprawia, że ​​jest idealny dla branż, od lotnictwa po budowę.

Jednakże, Zrozumienie jego mechanizmów korozji, Ograniczenia środowiskowe, a środki ochronne są kluczowe dla zapewnienia jej długowieczności i wydajności.

Łącząc odpowiedni stop, obróbka powierzchniowa, i względy projektowe, Aluminium może zapewnić dziesięciolecia usługi bezobsługowej.

 

Powszechne nieporozumienia

Mimo że zachowanie korozji aluminium było szeroko badane, Kilka nieporozumień utrzymuje się zarówno w dyskursie branżowym, jak i popularnym.

Rozwiązanie tych nieporozumień pomaga inżynierom, projektanci, a użytkownicy końcowi podejmują świadome decyzje przy wyborze lub utrzymaniu komponentów aluminiowych.

„Aluminium nigdy nie koroduje”

Powszechne przekonanie utrzymuje, że aluminium jest nieprzepuszczalne dla wszystkich form korozji. W rzeczywistości, Chociaż aluminium nie rdzewieje jak stal, Nadal ulega korozji.

Jego naturalny film tlenkowy (Al₂o₃) tworzy niemal natychmiast po ekspozycji na powietrze, zapewnianie doskonałych - ale nie absolutne -.

W agresywnych warunkach, takich jak środowiska bogate w chlorek lub kwaśne odpływy, Ta pasywna warstwa może się zepsuć, prowadząc do korozji wżery lub szczeliny.

Dlatego, podczas gdy aluminium często przewyższa niepowlekaną stal, Nadal wymaga odpowiedniego wyboru stopu i obróbki powierzchni w celu uzyskania długowieczności.

„Biały proszek na aluminium jest nieszkodliwy”

Kiedy powierzchnie aluminiowe rozwijają biały, pudrowiste pozostałości - całkowicie określane jako „biała rdza” - wielu zakłada, że ​​nie stanowi zagrożenia.

Jednakże, Ten proszek wynika z złóż wodorotlenku lub węglanu, które powstają w przypadku wysokiej wilgotności lub ekspozycji chemicznej.

Pozostawił bezadresowany, Złoża te mogą zachować wilgoć na metal, Wspieranie zlokalizowanej korozji pod nagromadzeniem.

Regularne zastosowanie czyszczenia i powlekania ochronnego mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania uszkodzeniom podstawowym, szczególnie na odsłoniętej blachy lub elementach konstrukcyjnych.

„Wszystkie stopy aluminium mają takie same zachowanie korozji”

Kolejnym nieporozumieniem jest to, że wszystkie stopy aluminium wykazują równomierny odporność na korozję. W rzeczywistości, elementy stopowe dramatycznie zmieniają wydajność.

Na przykład, 5Seria XXX (Mg zawierający) Stopy wykazują doskonałą opór w ustawieniach morskich,

podczas gdy seria 2xxx i 7xxx (Cu- i zawieranie Zn) są podatne na wżery i pękanie korozji stresu, jeśli nie są leczone.

Zakładając tanie, Stop o wysokiej wytrzymałości wystarczy w każdym środowisku ryzyko przedwczesną awarię.

Zatem, Określenie prawidłowej serii i temperamentu - i być może stosowanie anodowania lub okładziny - zapewnia pożądane życie usługowe.

„Korozja galwaniczna ma znaczenie tylko w ekstremalnych warunkach”

Niektórzy projektanci uważają, że korozja galwaniczna występuje tylko w wysoce agresywnej lub zanurzonej służbie.

Prawdę mówiąc, Nawet ślad ilości wilgoci, takie jak poranna rosła w klimacie przybrzeżnym, może stworzyć wystarczającą przewodność

Aby zainicjować komórkę galwaniczną między elementami łącznymi aluminium a okablowaniem miedzianym, lub aluminiowe wykończenie w kontakcie ze stalą nierdzewną.

Nadgodziny, Aluminium anodowe będzie preferencyjnie korodować, prowadząc do rozluźnienia stawu lub osłabienia strukturalnego.

Aby tego uniknąć, Inżynierowie powinni zawsze izolują odmienne metale lub określać kompatybilne elementy łączniki.

„Anodowanie sprawia, że ​​aluminium jest całkowicie odporne na korozję”

Anodowanie z pewnością poprawia odporność na korozję poprzez pogrubienie warstwy tlenku, ale nie czyni aluminium nie są.

Hardanodyzowane powierzchnie mogą rozwijać mikrokracki, jeśli są narażone na cykl termiczny lub naprężenie mechaniczne, i bez odpowiedniego uszczelnienia, Pozostają porowaty wobec agresywnych jonów.

Więc, Opieranie się wyłącznie na standardowej anodizacji kwasowej siarki dla środowiska morskiego może prowadzić do wżerowania z czasem.

Łączenie anodowania z uszczelniaczami, lakiery nawierzchniowe, lub ochrona katodowa często staje się konieczna do wymagania wniosków.

„Aluminium o wysokiej czystości łagodzi wszystkie obawy dotyczące korozji”

Czystość zwiększa wrodzoną oporność aluminium na utlenianie, jeszcze nawet 99.99% Czyste aluminium może ponieść korozję szczeliny pod uszczelkami lub wewnętrzne zamknięte obudowy.

Ślad zanieczyszczenia - żelazno, krzem, miedź - odstawiać koncentrację na granicach ziaren, Tworzenie zlokalizowanych komórek galwanicznych.

W rzeczywistości, Aluminiowe stopy o bardzo wysokiej czystości (NP., 1100) Znajdź ograniczone zastosowanie w zastosowaniach strukturalnych właśnie dlatego, że brakuje im siły mechanicznej, aby zrekompensować zlokalizowany atak.

Bilansowanie czystości za pomocą niezbędnych elementów stopowych pozostaje niezbędne.