Алюминиевая ржавчина？

1. Введение

Вопрос «Алюминиевая ржавчина?” Часто возникает в материалах инженерии, Промышленный дизайн, и даже повседневные проекты DIY.

Строго говоря, ржавчина относится к оксиду железа, Плохие красновато-коричневые коррозионные продукты железа и стали.

Потому что алюминий образует другой оксид (оксид алюминия), Технически это не ржавеет, как у Железа. Тем не менее, Алюминий может коррозиться при определенных условиях.

В этой статье объясняется химия, лежащая в основе окисления алюминия, В отличие от железного ржавчины, Изучает различные режимы коррозии, и описывает защитные стратегии.

2. Определение «ржавчины» против. Оксид алюминия

Технически, ржавчина ссылается на красновато-коричневое слоистое вещество-оксид железа- которые образуются, когда железо реагирует с кислородом и влажностью.

Алюминий, Быть неплохом металлом, не ржавеет таким образом. Вместо, он подвергается окисление, производит тяжелые, бесцветный, и приверженый слой оксид алюминия (Al₂o₃).

Этот слой оксида образуется почти мгновенно в присутствии воздуха и воды, создание естественного барьера, который ингибирует дальнейшую коррозию.

В то время как этот процесс иногда называют «белой ржавчиной» в условиях непрофессионала, это принципиально отличается от ржавчины стали.

3. Защитный оксидный слой на алюминие

Нативное образование оксида и толщина

Сразу после воздействия воздуха, Алюминий развивает нативный оксид толщины ~ 2–5 нм.. Исследования кинопроизводства (XPS, Эллипсометрия) Подтвердите, что этот слой образуется в течение секунд.

В сухом воздухе, толщина плато; во влажной среде, он может слегка сгущаться (5–10 нм) но остается защитным.

Механизм самоуправления

Если маленькая царапина нарушает оксид, Свежий алюминий под окислением, чтобы восстановить пленку.

Этот самовосстановление Механизм обеспечивает постоянную защиту, пока присутствует достаточное количество кислорода или водяного пара.

В ограниченном кислороде (НАПРИМЕР., под водой в застойной воде), Пассивация все еще может происходить, но может быть медленнее.

Механические и химические свойства al₂o₃

Оксид алюминия есть:

• Жесткий (Мохс ~ 9), Увеличение сопротивления царапин.
• Химически стабильный в нейтральной и щелочной среде до ~ ph 9, хотя атакованный в сильно кислых (pH < 4) или щелочный (pH > 9) среда.
• Низкая электрическая проводимость, который может способствовать локализованной коррозии (НАПРИМЕР., ячечка) при определенных условиях.

4. Коррозионное поведение алюминия в различных средах

Атмосферная экспозиция

• Сухой климат: Минимальное дальнейшее окисление за пределами нативного пленки; Внешний вид остается блестящим.
• Влажный воздух: Оксидный слой слегка загустеет, поддержание защиты. Загрязняющие вещества (SO₂., Noₓ.) может подкислить росу, вызывая мягкую ямку.
• Морская атмосфера: Аэрозоли, насыщенные хлоридом, приводя к питтингу, если защитные покрытия отсутствуют.

Водные среды

• Пресноводная вода: Алюминий сопротивляется мягкой нейтральной воде, формирование стабильного al₂o₃.
• Морская вода: Высокий хлорид (~ 19 000 ч / млн) продвигает Коррозия ячейки. Маленькие ямы могут сформировать, Но равномерная коррозия остается низкой.
• Кислотные/щелочные растворы:

• • pH < 4: Оксид растворяется, выявление голого металла на быструю атаку.
  • pH > 9: Оксид также растворяется (Al₂o₃ растворимость увеличивается), приводя к активной коррозии.

Высокотемпературное окисление

Выше ~ 200 ° C в воздухе, оксидный слой растет толще (до микрометров) в тенденции к патрулированию.

Пока все еще защищает, Дифференциальное термическое расширение между Al и Al₂O₃ может вызвать пробел, если быстро охлаждение. В компонентах двигателя (НАПРИМЕР., поршни), проектирование учета контролируемого роста оксида.

Гальваническая коррозия

Когда алюминиевый контакт с более благородным металлом (сталь, медь) в присутствии электролита, алюминий становится анодом и корректирует преимущественно.

Надлежащая изоляция или катодная защита предотвращает гальваническую атаку.

5. Типы алюминиевой коррозии

Хотя нативная оксидная пленка алюминия обеспечивает существенную защиту во многих условиях, Различные среды и напряжения могут вызвать различные режимы коррозии.

Равномерная коррозия

Равномерная коррозия (иногда называется общей коррозией) включает в себя относительно равномерную потерю металла на обнаженных поверхностях.

В алюминии, равномерная коррозия происходит, когда защитный оксид (Al₂o₃) растворяется или становится химически нестабильным, позволяя базовому металлу окислять почти постоянную скорость.

Коррозия ячейки

Ярба начинается, когда хлорид или другие агрессивные анионы нарушают пассивный барьер Al₂o₃ в локализованном месте.

Однажды яма зародыш, Местное подкисление происходит (из -за гидролиза растворенного Al найса), Дальнейшее растворение глинозем и ускорение глубины ямы.

Морфология ямы часто узкая и глубокая, затрудняя обнаружение до значительного проникновения.

Межцентральная коррозия

Межцентральная коррозия (IGC) атакует область границы зерна преимущественно, Часто там, где легирующие элементы ускорялись во время термической обработки (НАПРИМЕР., При температуре 150–350 ° C).

Эти осаждаются (Cu -Rich, Mg₂si, или al₂cu) истощать соседнюю матрицу легирования растворителей, Создание узкого анодного пути вдоль границ зерна.

При погружении в коррозионную среду, Границы зерна коррели перед зерновыми интерьерами, приводя к тому, что в результате провалов зерна или хрупких путей неудачи.

Стресс-коррозия трещины (SCC)

SCC - это синергетический режим отказа, который требует трех условий: восприимчивый сплав, коррозионная среда, и растягивающий стресс (остаточный или применяемый).

В этих условиях, Трещины инициируются на границе раздела металл/оксид и распространяют межсцентрированное или трансгранулярное на уровнях напряжения значительно ниже уровня урожая.

Коррозия расщелины

Коррозия трещины развивается в экранированных или ограниченных районах - при прокладках, заклепки, или суставы на коленях - где застойный электролит становится истощенным кислородом.

В пределах щели, Растворение металлов генерирует Al³⁺ и подкидывает местную среду (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Ох).

Катодная реакция (сокращение кислорода) происходит за пределами щели, вождение дальнейшего анодного растворения внутри.

Хлорид -ионы концентрируются в расщелинах для поддержания нейтралитета заряда, Ускорение атаки.

Сводная таблица - механизмы алюминиевой коррозии

6. Легирование воздействия на коррозионную стойкость

Внутренняя коррозионная стойкость алюминия связана с быстрым образованием тонкого, прилипый оксид алюминия (Al₂o₃) фильм.

Однако, в инженерной практике, Почти весь структурный алюминий используется в легированной форме, и каждый из них может значительно повлиять на стабильность и защиту оксидного слоя.

Чистый алюминий против. Алюминиевые сплавы

• Чистый алюминий (1100 ряд): Исключительная коррозионная стойкость из -за минимальной интерметаллики; используется для химического оборудования.
• 2XXX Series (Аль-ку): Более низкая коррозионная стойкость, Особенно опорные сплавы (НАПРИМЕР., 2024), склонны к SCC и межранальной атаке.
• 5XXX Series (Al - Mg): Хорошая морская коррозионная стойкость; распространено в корпусах корабля (НАПРИМЕР., 5083, 5052).
• 6XXX Series (Al -mg -i): Сбалансированная сила и коррозионная стойкость; широко используется в архитектурных экстразиях (НАПРИМЕР., 6061).
• 7XXX Series (Al - Zn - Mg): Очень высокая сила, но уязвимая для SCC без надлежащего лечения.

Роль меди, Магний, Кремний, Цинк, и другие элементы

• Медь: Увеличивает прочность, но снижает устойчивость к коррозии и сопротивление ячейки.
• Магний: Улучшает коррозионную стойкость в морских средах, но может способствовать межцентральной коррозии, если не контролируется.
• Кремний: Улучшает текучесть и литьбу; Сплавы, такие как A356, показывают скромную производительность коррозии.
• Цинк: Способствует силе, но снижает общую коррозионную стойкость.
• Следы (Фей, Мнжен, Герметичный): Минимизировать вредные интерметаллики; Mn помогает уточнить структуру зерна, Подоль коррозионное поведение.

Термическая обработка и влияние микроструктуры

• Раствор термообработка и старение: Растворяет вредные осадки, Снижение межранальной коррозии.
• Переизбыток: Уважаемые осадки на границах зерна могут ухудшить коррозию.
• Утверждение осадков: Требует тщательного контроля, чтобы сбалансировать прочность и коррозию.
• Тепловая работа: Холодно (НАПРИМЕР., прокатывание) может производить дислокации, которые усиливают локальную коррозию, если не следует соответствующий отжиг.

7. Защитные меры и поверхностная обработка

Анодирование

• Процесс: Электролитическое окисление строит более толстый слой al₂o₃ (10–25 мкм).
• Типы:

• • Серная кислота Анодирование (Тип II): Общий для архитектурных и потребительских товаров (окрашенный).
  • Жесткий анодирование (Тип III): Толще (25–100 мкм), устойчивость к износу; Используется в машине и аэрокосмической промышленности.
  • Анодирование хромовой кислоты (Тип i): Тоньше (5–10 мкм), Лучшая коррозионная стойкость, Минимальное изменение размеров; используется для аэрокосмических компонентов.

• Преимущества: Улучшенная защита от коррозии, Улучшение адгезии для красок, декоративная отделка.

Конверсионные покрытия

• Хроматное конверсионное покрытие: Гексавалентный или тревалентный хромий на основе хрома; обеспечивает хорошее коррозионное сопротивление и адгезию краски.
  Экологические проблемы способствуют тревортным альтернативам.
• Фосфатные покрытия: Менее распространен на алюминие; иногда используется для улучшения адгезии краски.
• Не хромовые альтернативы: На основе фторида, цирконат, или химии титаната, которые обеспечивают защиту от коррозии без гексавалентного хрома.

Органические покрытия

• Жидкие краски: Эпоксидные праймеры, Полиуретановые верхние годы, или фторполимерные отделки защиты от влаги и ультрафиолета.
• Порошковое покрытие: Полиэстер, эпоксидная смола, или полиуретановые порошки применяются и выпекаются для формирования прочных пленок. Более толстый охват противоречит коррозии и истиранию.

Катодная защита и жертвенные аноды

• Жертвенные аноды (Цинк, Магний): Используется в морской воде для защиты погруженных алюминиевых сооружений; анод скорректирует преимущественно.
• Впечатленный ток: Менее распространен для небольших алюминиевых предметов; используется для крупных морских структур.

8. Заключение

Алюминий делает не ржавчина в обычном смысле, но это делает коррозии, Обычно формируя стабильный слой оксида, который защищает его от дальнейшей атаки.

Сопротивление материала коррозии, в сочетании с соотношением силы к весу, делает его идеальным для отраслей промышленности от аэрокосмической до строительства.

Однако, Понимание его коррозионных механизмов, Ограничения окружающей среды, и защитные меры имеют решающее значение для обеспечения его долговечности и производительности.

Объединив правильный сплав, Поверхностная обработка, и дизайнерские соображения, Алюминий может обеспечить десятилетия обслуживания без технического обслуживания.

 

Общие заблуждения

Несмотря на то, что коррозионное поведение алюминия тщательно изучалось, Несколько недоразумений сохраняются как в отрасли, так и в популярном дискурсе.

Обращение к этим заблуждениям помогает инженерам, дизайнеры, и конечные пользователи принимают обоснованные решения при выборе или поддержании алюминиевых компонентов.

«Алюминий никогда не корродирует»

Широко распространенное убеждение утверждает, что алюминий невосприимчив для всех форм коррозии. В действительности, Хотя алюминий не ржавеет сталь, он все еще подвергается коррозии.

Его натуральная оксидная пленка (Al₂o₃) образуется почти сразу после воздействия воздуха, обеспечение отличного - но не абсолютное - защита.

В агрессивных условиях, таких как богатые хлоридом среды или кислые стоки, Этот пассивный слой может сломаться, приводя к питтинге или коррозии расщелины.

Поэтому, В то время как алюминий часто превосходит сталь без покрытия, Это все еще требует соответствующего выбора сплава и обработки поверхности для долговечности.

«Белый порошок на алюминии безвредный»

Когда алюминиевые поверхности развивают белый, Порошкообразной остаток - совместно называется «белой ржавчиной» - многое предполагает, что он не представляет угрозы.

Однако, Этот порошок является результатом гидроксидных или карбонатных отложений, которые образуются при высокой влажности или химическом воздействии.

Оставил без внимания, Эти отложения могут сохранить влагу против металла, Создание локализованной коррозии под наращиванием.

Регулярное применение чистки и защитного покрытия имеет решающее значение для предотвращения основных повреждений, особенно на открытых листовых или структурных членах.

«Все алюминиевые сплавы имеют одинаковое коррозионное поведение»

Другое заблуждение заключается в том, что все алюминиевые сплавы демонстрируют равномерную коррозионную стойкость. Фактически, Легирование элементов резко изменяет производительность.

Например, 5XXX Series (Мг) Сплавы демонстрируют отличное сопротивление в морских настройках,

тогда как серия 2xxx и 7xxx (Cu- и Zn-несущая) склонны к ячеек и растрескиванию с напряжением, если их не лечить.

Предполагая недорогую, Высокопрочный сплав будет достаточно в каждой среде, рискует преждевременными неудачами.

Таким образом, Указание правильной серии и характера - и, возможно, применение анодирования или облицовки - вызывает желаемый срок службы.

«Гальваническая коррозия имеет значение только в экстремальных условиях»

Некоторые дизайнеры считают, что гальваническая коррозия происходит только в очень агрессивном или погруженном обслуживании.

По правде, Даже следы влаги, такие как утренняя роса в прибрежном климате, может создать достаточную проводимость

Чтобы инициировать гальваническую клетку между алюминиевыми крепежами и медной проводкой, или алюминиевая отделка в контакте с нержавеющей сталью.

Через некоторое время, анодный алюминий будет коррозировать преимущественно, приводя к ослаблению суставов или ослаблению структурного.

Чтобы избежать этого, Инженеры должны всегда изолировать разнородные металлы или указывать совместимые крепежные элементы.

«Анодирование делает алюминий полностью защищен от коррозии»

Анодирование, безусловно, улучшает коррозионную стойкость, утолщая оксидный слой, но это не делает алюминиевый.

Тяжелые анодированные поверхности могут развиваться микротрещин при воздействии термического цикла или механического напряжения, и без надлежащего герметизации, они остаются пористыми до агрессивными ионами.

Следовательно, Полагаться исключительно на стандартный анодиз серы-кислоты для морской среды может привести к тому, что они с течением времени приводят к ячечкам.

Объединение анодирования с герметиками, верхние пальто, или катодная защита часто становится необходимой для требования применений.

«Высокая чистота алюминий облегчает все проблемы коррозии»

Чистота усиливает врожденную устойчивость алюминия к окислению, все еще даже 99.99% Чистый алюминий может пострадать от расщелины коррозии при прокладках или внутренних герметичных корпусах.

Следы примесей - Айрон, кремний, медь - чтобы сконцентрироваться на границах зерна, Создание локализованных гальванических клеток.

На практике, Алюминиевые сплавы с очень высокой точкой. (НАПРИМЕР., 1100) Найдите ограниченное использование в структурных приложениях именно потому, что им не хватает механической прочности, чтобы компенсировать локализованную атаку.

Балансирование чистоты с необходимыми легирующими элементами остается необходимым.