Faz ferrugem de alumínio？

1. Introdução

A pergunta “Farrua de alumínio?” surge com frequência em engenharia de materiais, Design Industrial, e até todos os dias de DIY projetos.

Estritamente falando, ferrugem refere -se a óxido de ferro, O produto de corrosão marrom-avermelhado avermelhado de ferro e aço marrom-aço.

Porque o alumínio forma um óxido diferente (óxido de alumínio), Tecnicamente, não enferruja a maneira como o ferro. No entanto, O alumínio pode corroer sob certas condições.

Este artigo explica a química por trás da oxidação de alumínio, contrastando com ferrugem de ferro, examina vários modos de corrosão, e descreve estratégias de proteção.

2. Definindo “ferrugem” vs.. Óxido de alumínio

Tecnicamente, ferrugem refere-se à substância esbelta marrom-avermelhada-óxido de ferro- que se forma quando o ferro reage com oxigênio e umidade.

Alumínio, sendo um metal não ferroso, não enferruja dessa maneira. Em vez de, é submetido oxidação, produzindo um difícil, incolor, e camada aderente de óxido de alumínio (Al₂o₃).

Esta camada de óxido se forma quase instantaneamente na presença de ar e água, Criando uma barreira natural que inibe mais corrosão.

Enquanto esse processo às vezes é chamado de "ferrugem branca" em termos leigos, é fundamentalmente diferente da enferrujada de aço.

3. Camada de óxido protetor em alumínio

Formação e espessura de óxido nativo

Imediatamente após a exposição ao ar, O alumínio desenvolve um óxido nativo de ~ 2–5 nm de espessura. Estudos de cinema (XPS, elipsometria) Confirme que esta camada se forma em segundos.

Em ar seco, Platôs de espessura; em ambientes úmidos, pode engrossar um pouco (5–10 nm) mas permanece protetor.

Mecanismo de auto-passivação

Se um pequeno arranhão violar o óxido, Alumínio fresco sob oxida para reparar o filme.

Esse Auto-cicatrização O mecanismo garante a proteção contínua, desde que o oxigênio ou vapor de água suficiente esteja presente.

Em configurações de oxigênio limitado (Por exemplo, debaixo d'água em água estagnada), A passivação ainda pode ocorrer, mas pode ser mais lenta.

Propriedades mecânicas e químicas de Al₂o₃

Óxido de alumínio é:

• Duro (MOHS ~ 9), Aumento da resistência à superfície de arranhões.
• Quimicamente estável em mídia neutra e alcalina até ~ ph 9, embora atacado em fortemente ácido (ph < 4) ou alcalino (ph > 9) ambientes.
• Baixa condutividade elétrica, o que pode contribuir para a corrosão localizada (Por exemplo, Pitting) sob certas condições.

4. Comportamento de corrosão do alumínio em vários ambientes

Exposição atmosférica

• Clima seco: Mínimo oxidação adicional além do filme nativo; A aparência permanece brilhante.
• Ar úmido: A camada de óxido engrossa ligeiramente, Manter proteção. Poluentes (So₂, Não) pode acidificar o orvalho, causando um leve pitting.
• Atmosfera marinha: Aerossóis de cloreto, levando a picar se revestimentos protetores estiverem ausentes.

Ambientes aquosos

• Água doce: O alumínio resiste à água neutra leve, formando al₂o₃ estável.
• Água do mar: Alto cloreto (~ 19.000 ppm) promove corrosão. Pequenos poços podem formar, Mas a corrosão uniforme permanece baixa.
• Soluções ácidas/alcalinas:

• • ph < 4: O óxido se dissolve, Expondo o Bare Metal a ataque rápido.
  • ph > 9: O óxido também se dissolve (Al₂o₃ Solubilidade aumenta), levando à corrosão ativa.

Oxidação de alta temperatura

Acima ~ 200 ° C no ar, A camada de óxido fica mais espessa (até micrômetros) em uma tendência de taxa parabólica.

Embora ainda protetor, A expansão térmica diferencial entre Al e Al₂o₃ pode induzir a espalação se resfriada rapidamente. Em componentes do motor (Por exemplo, Pistons), Projeto é responsável pelo crescimento controlado de óxido.

Corrosão galvânica

Quando o alumínio entra em contato com um metal mais nobre (aço, cobre) Na presença de um eletrólito, O alumínio se torna o ânodo e corroa preferencialmente.

O isolamento adequado ou proteção catódica impede o ataque galvânico.

5. Tipos de corrosão de alumínio

Embora o filme de óxido nativo do alumínio ofereça proteção substancial em muitas condições, Vários ambientes e tensões podem desencadear modos de corrosão distintos.

Corrosão uniforme

Corrosão uniforme (às vezes chamado de corrosão geral) envolve uma perda relativamente uniforme de metal em superfícies expostas.

Em alumínio, Corrosão uniforme ocorre quando o óxido protetor (Al₂o₃) dissolve ou se torna quimicamente instável, permitindo que o metal subjacente o oxide a uma taxa quase constante.

Corrosão

O pitting começa quando cloreto ou outros ânions agressivos violam a barreira passiva de Al₂o₃ em um local localizado.

Uma vez um poço nucleado, A acidificação local ocorre (Devido à hidrólise de Al³ dissolvido), dissolvendo ainda mais a alumina e acelerando a profundidade do poço.

A morfologia do poço é frequentemente estreita e profunda, tornando -o desafiador para detectar antes da penetração significativa.

Corrosão intergranular

Corrosão intergranular (IGC) Ataca a região de limite de grão preferencialmente, Freqüentemente, onde os elementos de liga precipitados durante o tratamento térmico (Por exemplo, a temperaturas 150-350 ° C).

Esses precipitados (Cu -rico, Mg₂si, ou al₂cu) esgotar a matriz adjacente de solutos de liga, criando um caminho anódico estreito ao longo dos limites de grãos.

Quando imerso em ambientes corrosivos, limites de grãos corroeram à frente dos interiores de grãos, resultando em queda de grãos ou caminhos de falha quebradiços.

Rachadura de corrosão por estresse (SCC)

SCC é um modo de falha sinérgico que requer três condições: uma liga suscetível, um ambiente corrosivo, e estresse de tração (residual ou aplicado).

Sob essas condições, As rachaduras iniciam na interface metal/óxido e propagam intergranularmente ou transgranularmente em níveis de estresse bem abaixo da força de escoamento.

Corrosão de fendas

A corrosão de fendas se desenvolve em áreas blindadas ou confinadas - sob juntas, Cabeças de rebite, ou juntas de volta - onde um eletrólito estagnado fica esgotado de oxigênio.

Dentro da fenda, A dissolução de metal gera Al³⁺ e acidifica o ambiente local (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

A reação catódica (Redução de oxigênio) ocorre fora da fenda, Dirigindo mais dissolução anódica dentro.

Os íons cloreto concentram -se na fenda para manter a neutralidade de carga, acelerando o ataque.

Tabela de resumo - mecanismos de corrosão de alumínio

6. Efeitos de liga na resistência à corrosão

A resistência à corrosão intrínseca do alumínio decorre da rápida formação de um fino, Óxido de alumínio aderente (Al₂o₃) filme.

No entanto, na prática de engenharia, Quase todo o alumínio estrutural é usado em forma de liga, e cada elemento de liga pode influenciar significativamente a estabilidade e proteção da camada de óxido.

Alumínio puro vs.. Ligas de alumínio

• Alumínio puro (1100 série): Resistência excepcional à corrosão devido ao mínimo intermetálico; usado para equipamentos químicos.
• 2Série XXX (Al-Cu): Menor resistência à corrosão, especialmente ligas endurecidas por precipitação (Por exemplo, 2024), propenso a SCC e ataque intergranular.
• 5Série XXX (Al - mg): Boa resistência à corrosão marinha; comum em casco de navio (Por exemplo, 5083, 5052).
• 6Série XXX (Al -mg -i): Força equilibrada e resistência à corrosão; amplamente utilizado em extrusões arquitetônicas (Por exemplo, 6061).
• 7Série XXX (Al -zn - mg): Força muito alta, mas vulnerável ao SCC sem tratamento adequado.

Papel do cobre, Magnésio, Silício, Zinco, e outros elementos

• Cobre: Aumenta a força, mas diminui a resistência à corrosão e a resistência.
• Magnésio: Aumenta a resistência à corrosão em ambientes marinhos, mas pode promover a corrosão intergranular se não for controlado.
• Silício: Melhora a fluidez e a castabilidade; ligas como A356 mostram desempenho modesto de corrosão.
• Zinco: Contribui para a força, mas reduz a resistência geral à corrosão.
• Traços elementos (Fe, Mn, Cr): Minimizar intermetálicos prejudiciais; Mn ajuda a refinar a estrutura de grãos, beneficiando o comportamento de corrosão.

Tratamento térmico e influência da microestrutura

• Solução Tratamento térmico e envelhecimento: Dissolve precipitados prejudiciais, reduzindo a corrosão intergranular.
• Excessiva: Precipita grossa nos limites dos grãos podem piorar a corrosão.
• Endurecimento da precipitação: Requer controle cuidadoso para equilibrar a força e a corrosão.
• Trabalho térmico: Trabalho resfriado (Por exemplo, rolando) pode produzir luxações que aumentam a corrosão local, a menos que seja seguido por recozimento apropriado.

7. Medidas de proteção e tratamentos de superfície

Anodizando

• Processo: A oxidação eletrolítica constrói uma camada mais espessa de Al₂o₃ (10–25 μm).
• Tipos:

• • Ácido sulfúrico Anodizando (Tipo II): Comum para produtos arquitetônicos e de consumo (ilusório).
  • Anodizando difícil (Tipo III): Mais espesso (25–100 μm), alta resistência ao desgaste; usado em máquinas e aeroespacial.
  • Anodizador de ácido crômico (Tipo I.): Mais fino (5–10 μm), melhor resistência à corrosão, Mudança dimensional mínima; usado para componentes aeroespaciais.

• Benefícios: Proteção de corrosão aprimorada, adesão aprimorada para tintas, acabamentos decorativos.

Revestimentos de conversão

• Revestimento de conversão de cromato: Hexavalente ou trivalente baseado em cromo; fornece boa resistência à corrosão e adesão da tinta.
  Preocupações ambientais estão impulsionando alternativas trivalentes.
• Revestimentos de fosfato: Menos comum em alumínio; ocasionalmente usado para melhorar a adesão da tinta.
• Alternativas não cromadas: À base de flúor, zirconato, ou químicas de titanato que oferecem proteção contra corrosão sem cromo hexavalente.

Revestimentos orgânicos

• Tintas líquidas: Primers epóxi, Polas de poliuretano, ou acabamentos de fluoropolímero protegem contra a umidade e UV.
• Revestimento em pó: Poliéster, epóxi, ou pós de poliuretano são aplicados e assados ​​para formar filmes duráveis. A cobertura mais espessa resiste à corrosão e abrasão.

Proteção catódica e ânodos de sacrifício

• Ânodos de sacrifício (Zinco, Magnésio): Usado na água do mar para proteger estruturas de alumínio submersas; O ânodo corroge preferencialmente.
• Corrente impressionada: Menos comum para pequenos itens de alumínio; usado para grandes estruturas marinhas.

8. Conclusão

O alumínio faz não ferrugem no sentido convencional, mas isso corroe, normalmente formando uma camada de óxido estável que o protege de mais ataques.

A resistência do material à corrosão, Combinado com sua proporção de força / peso, o torna ideal para indústrias que variam de aeroespacial a construção.

No entanto, Compreendendo seus mecanismos de corrosão, Limitações ambientais, e medidas de proteção são cruciais para garantir sua longevidade e desempenho.

Combinando a liga direita, tratamento de superfície, e considerações de design, O alumínio pode fornecer décadas de serviço sem manutenção.

 

Conceitos errôneos comuns

Embora o comportamento de corrosão do alumínio tenha sido estudado extensivamente, Vários mal -entendidos persistem na indústria e no discurso popular.

Abordar esses conceitos errôneos ajuda os engenheiros, designers, e os usuários finais tomam decisões informadas ao selecionar ou manter componentes de alumínio.

“O alumínio nunca corroe”

Uma crença generalizada sustenta que o alumínio é impermeável a todas as formas de corrosão. Na realidade, Embora o alumínio não enferruja como aço, ainda sofre corrosão.

Seu filme de óxido natural (Al₂o₃) forma quase imediatamente após a exposição ao ar, Fornecendo excelente - mas não absoluta - proteção.

Sob condições agressivas, como ambientes ricos em cloreto ou drenos ácidos, Essa camada passiva pode quebrar, levando a corrosão ou correr.

Portanto, Enquanto o alumínio geralmente supera o aço não revestido, Ainda requer seleção de liga e tratamento superficial apropriados para longevidade.

“Pó branco em alumínio é inofensivo”

Quando as superfícies de alumínio desenvolvem um branco, Resíduo em pó - comumente chamado de "ferrugem branca" - muitos assumem que isso não representa ameaça.

No entanto, Este pó resulta de depósitos de hidróxido ou carbonato que se formam sob alta umidade ou exposição química.

Deixado sem solução, Esses depósitos podem manter a umidade contra o metal, promover a corrosão localizada sob o acúmulo.

A aplicação regular de limpeza e revestimento de proteção é fundamental para evitar danos subjacentes, particularmente em membros expostos de chapas ou membros estruturais.

“Todas as ligas de alumínio têm o mesmo comportamento de corrosão”

Outro equívoco é que todas as ligas de alumínio exibem resistência uniforme à corrosão. Na verdade, Elementos de liga alternam drasticamente o desempenho.

Por exemplo, 5Série XXX (MG portador) As ligas mostram excelente resistência em ambientes marinhos,

enquanto a série 2xxx e 7xxx (Cu- e porte de Zn) são propensos a rachaduras de corrosão e corrosão por estresse se não forem tratadas.

Assumindo um custo de baixo custo, A liga de alta resistência será suficiente em todos.

Por isso, Especificando a série e o temperamento corretos - e possivelmente aplicando anodização ou revestimento - define a vida de serviço desejada.

“A corrosão galvânica é importante apenas em condições extremas”

Alguns designers acham que a corrosão galvânica ocorre apenas em um serviço altamente agressivo ou submerso.

Na verdade, até quantidades de rastreamento de umidade, como o orvalho da manhã em um clima costeiro, pode criar condutividade suficiente

Iniciar uma célula galvânica entre os prendedores de alumínio e a fiação de cobre, ou acabamento em alumínio em contato com aço inoxidável.

Ao longo do tempo, O alumínio anódico corroerá preferencialmente, levando ao afrouxamento das articulações ou enfraquecimento estrutural.

Para evitar isso, Os engenheiros devem sempre isolar metais diferentes ou especificar fixadores compatíveis.

“A anodização faz do alumínio completamente à prova de corrosão”

A anodização certamente melhora a resistência à corrosão espessando a camada de óxido, Mas não torna invulnerável em alumínio.

Superfícies anodizadas com dura podem desenvolver micro-trações se expostas a ciclismo térmico ou estresse mecânico, E sem selagem adequada, eles permanecem porosos para íons agressivos.

Consequentemente, Confiar apenas em uma anodização padrão de ácido sulfúrico para um ambiente marítimo pode levar a cortes ao longo do tempo.

Combinando anodização com seladores, Poupeiros, ou proteção catódica geralmente se torna necessária para exigir aplicativos.

“A alta pureza de alumínio alivia todas as preocupações de corrosão”

A pureza aumenta a resistência inata do alumínio à oxidação, ainda mesmo 99.99% O alumínio puro pode sofrer corrosão de fendas sob juntas ou gabinetes selados dentro.

Traços impurezas - ferro, silício, cobre - tendo se concentrar nos limites dos grãos, criando células galvânicas localizadas.

Na prática, ligas de alumínio de alta pureza (Por exemplo, 1100) Encontre uso limitado em aplicações estruturais com precisão porque não têm força mecânica para compensar o ataque localizado.

Equilibrando a pureza com os elementos de liga necessários permanecem essenciais.