Robí hliníková hrdza？

1. Zavedenie

Otázka "Hliníková hrdza."?“ v materiálovom inžinierstve sa často vyskytuje, priemyselný dizajn, a dokonca aj každodenné projekty pre domácich majstrov.

Prísne, hrdza sa vzťahuje na oxid železa, Flaky Reddish-Brown Corózia produkt železa a ocele.

Pretože hliník tvorí iný oxid (oxid hliníka), technicky to nie je hrdzavené tak, ako to robí železo. Napriek tomu, Hliník môže za určitých podmienok korodovať.

Tento článok vysvetľuje chémiu oxidácie hliníka, kontrastovať s hrdzavením železa, skúma rôzne režimy korózie, a načrtáva ochranné stratégie.

2. Definovanie „hrdze“ vs. Oxid hliníka

Technicky, Rust sa vzťahuje na červeno-hnedú šupinatú látku-oxid železa—To tvorí, keď železo reaguje s kyslíkom a vlhkosťou.

hliník, Byť neželezným kovom, Týmto spôsobom nie je hrdzavé. Namiesto toho, podlieha oxidácia, ťažko, bezfarebný, a adherentná vrstva oxid hliníka (Al₂o₃).

Táto oxidová vrstva sa vytvára takmer okamžite v prítomnosti vzduchu a vody, vytváranie prírodnej bariéry, ktorá brzdí ďalšiu koróziu.

Aj keď sa tento proces niekedy označuje ako „biela hrdza“ v laických podmienkach, V zásade sa líši od hrdzavenia ocele.

3. Ochranná vrstva oxidu na hliníku

Tvorba a hrúbka natívneho oxidu

Ihneď po vystavení vzduchu, Hliník sa vyvíja natívny oxid hrúbky ~ 2 - 5 nm. Filmové štúdie (XPS, elipsometria) Potvrďte, že táto vrstva sa tvorí v priebehu niekoľkých sekúnd.

V suchom vzduchu, hrúbka; vo vlhkom prostredí, Môže mierne zahusťovať (5–10 nm) ale zostáva ochranná.

Mechanizmus

Ak malý škrabanec naruší oxid, čerstvý hliník pod oxidámi na opravu filmu.

Tak samoliečba Mechanizmus zaisťuje pretrvávajúcu ochranu, pokiaľ je prítomný dostatok kyslíka alebo vodnej pary.

V nastaveniach s obmedzeným oxygenom (Napr., pod vodou v stagnujúcej vode), Pasivácia sa stále môže vyskytnúť, ale môže byť pomalšia.

Mechanické a chemické vlastnosti al₂o₃

Oxid hliníka je:

• Ťažko (Mohs ~ 9), Zvyšujúci sa odolnosť proti škrabaniu povrchu.
• Chemicky stabilný v neutrálnom a alkalickom médiu až do ~ pH 9, hoci napadnutý silne kyslý (pH < 4) alebo alkalický (pH > 9) prostredie.
• Nízka elektrická vodivosť, ktoré môžu prispieť k lokalizovanej korózii (Napr., jamka) za určitých podmienok.

4. Korózne správanie hliníka v rôznych prostrediach

Expozícia atmosféry

• Suché podnebie: Minimálna ďalšia oxidácia mimo pôvodného filmu; vzhľad zostáva lesklý.
• Vlhký vzduch: Oxidová vrstva mierne zhustne, udržiavanie ochrany. Znečisťujúce látky (Tak, Noₓ) Môže okysliť rosu, spôsobujúce mierne jamky.
• Morská atmosféra: Aerosóly naložené na chloridu útočia na oxid, Vedúce k jamu, ak chýbajú ochranné povlaky.

Vodné prostredie

• Sladkovodná voda: Hliník odoláva miernej neutrálnej vode, formovanie stabilného al₂o₃.
• Morská voda: Vysoký chlorid (~ 19 000 ppm) propagovať korózia jamiek. Malé jamy sa môžu tvoriť, ale jednotná korózia zostáva nízka.
• Kyslé/alkalické roztoky:

• • pH < 4: Oxid sa rozpustí, Odhalenie holého kovu rýchlemu útoku.
  • pH > 9: Oxid sa tiež rozpustí (Rozpustnosť sa zvyšuje), čo vedie k aktívnej korózii.

Oxidácia vysokej teploty

Nad ~ 200 ° C vo vzduchu, Vrstva oxidu rastie hrubšie (do mikrometrov) v trendu parabolickej sadzby.

Aj keď je stále ochranný, Diferenciálna tepelná expanzia medzi Al a al₂o₃ môže vyvolať spalovanie, ak sa rýchlo ochladí. V komponentoch motora (Napr., piesty), Návrh zodpovedá za regulovaný rast oxidu.

Galvanická korózia

Keď hliník kontaktuje viac ušľachtilého kovu (oceľ, meď) v prítomnosti elektrolytu, Hliník sa stáva anóde a korózia prednostne.

Správna izolácia alebo katódová ochrana zabraňuje galvanickým útokom.

5. Typy hliníkovej korózie

Aj keď hliníkový film na pôvodný oxid poskytuje značnú ochranu za mnohých podmienok, Rôzne prostredia a napätia môžu vyvolať odlišné režimy korózie.

Jednotná korózia

Jednotná korózia (Niekedy sa nazýva všeobecná korózia) zahŕňa relatívne rovnomernú stratu kovu na vystavených povrchoch.

V hliníku, Rovnomerná korózia sa vyskytuje, keď ochranný oxid (Al₂o₃) rozpúšťa sa alebo sa stáva chemicky nestabilnými, umožnenie oxidácie podkladového kovu takmer konštantnou rýchlosťou.

Korózia jamiek

Pitting sa začína, keď chlorid alebo iné agresívne anióny porušia pasívnu bariéru Al₂o₃ na lokalizovanom mieste.

Raz jadrová jadro, dochádza k miestnemu okysleniu (v dôsledku hydrolýzy rozpusteného al³⁺), Ďalej rozpúšťanie hlinitého a zrýchlenie hĺbky jamy.

Morfológia jamy je často úzka a hlboká, je náročné detekovať pred výrazným prenikaním.

Rozmanitá korózia

Rozmanitá korózia (IGC) zaútočí na hraničnú oblasť zŕn prednostne, Často tam, kde sa počas tepelného spracovania vyzrážali legované prvky (Napr., pri teplotách 150 - 350 ° C).

Tieto vyzráža (Bohatý, Mg₂si, alebo al₂cu) vyčerpať priľahlú maticu legúnkových rozpustených látok, Vytváranie úzkej anodickej cesty pozdĺž hraníc zŕn.

Keď je ponorený do korozívneho prostredia, Hranice obilia korodujú pred interiérom zrna, Výsledkom súvahy alebo krehkých zlyhaní zrna.

Praskanie korózie (Scc)

SCC je synergický režim zlyhania, ktorý vyžaduje tri podmienky: náchylná zliatina, žieravé prostredie, a ťahový stres (zvyškový alebo aplikovaný).

Za týchto podmienok, Praskliny iniciujú na rozhraní kov/oxid a šíria sa intergranulárne alebo transgranulárne na úrovniach napätia hlboko pod pevnosťou výťažku.

Korózia trhliny

Korózia trhliny sa vyvíja v tienených alebo obmedzených oblastiach - pod tesneniami, nitové hlavy, alebo kĺbové kĺby - kde sa stagnujúci elektrolyt vyčerpáva kyslík.

V rámci štrbiny, Rozpúšťanie kovov generuje al³⁺ a okyslí miestne prostredie (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Oh⁻).

Katódová reakcia (redukcia kyslíka) sa vyskytuje mimo štrbiny, Vedenie ďalšieho anodického rozpustenia vo vnútri.

Chloridové ióny sústredili sa do štrbiny, aby sa udržala neutralita náboja, zrýchlenie útoku.

Súhrnná tabuľka - mechanizmy hliníka korózie

6. Účinky na legovanie na odolnosť proti korózii

Hliníková vnútorná odolnosť korózie pramení z rýchlej tvorby tenkého, adherentný oxid hliníka (Al₂o₃) film.

Avšak, v inžinierskej praxi, Takmer všetky štrukturálne hliník sa používajú v legovanej podobe, a každý legovací prvok môže významne ovplyvniť stabilitu a ochranu oxidovej vrstvy.

Čistý hliník vs. Hliníkové zliatiny

• Čistý hliník (1100 séria): Výnimočná odolnosť proti korózii v dôsledku minimálnych intermetalikov; Používa sa na chemické vybavenie.
• 2XXX Series (Al-Cu): Dolná odolnosť proti korózii, najmä zrážky tvrdené zliatiny (Napr., 2024), náchylný na SCC a intergranulárny útok.
• 5XXX Series (Al - Mg): Dobrá morská korózia odporu; Bežné v lodných trupoch (Napr., 5083, 5052).
• 6XXX Series (Al–Mg–Si): Vyvážená pevnosť a odolnosť proti korózii; široko používané v architektonických extrúziách (Napr., 6061).
• 7XXX Series (Al - Zn - Mg): Veľmi vysoká pevnosť, ale zraniteľná voči SCC bez riadneho ošetrenia.

Úloha meď, Horčík, Kremík, Zinok, a ďalšie prvky

• Meď: Zvyšuje pevnosť, ale znižuje odolnosť proti korózii a rezistencie na jamky.
• Horčík: Zvyšuje odolnosť proti korózii v morských prostrediach, ale môže podporovať intergranulárnu koróziu, ak nie je kontrolovaná.
• Kremík: Zlepšuje plynulosť a odlievateľnosť; zliatiny ako A356 ukazujú skromný výkon korózie.
• Zinok: Prispieva k sile, ale znižuje všeobecnú odolnosť proti korózii.
• Vystopové prvky (FE, Mn, Cr): Minimalizovať škodlivé intermetality; Mn pomáha vylepšiť štruktúru zŕn, úžitok z korózie.

Tepelné spracovanie a vplyv mikroštruktúry

• Tepelné spracovanie a starnutie roztoku: Rozpúšťa škodlivé zrážky, znižovanie intergranulárnej korózie.
• Nadmerné množstvo: Hrubé precipitáty na hraniciach zŕn môžu zhoršiť koróziu.
• Tvrdenie zrážok: Vyžaduje starostlivú kontrolu na vyváženie sily a korózie.
• Tepelná práca: Za studena (Napr., valcujúci) môže spôsobiť dislokácie, ktoré zvyšujú miestnu koróziu, pokiaľ to nebude nasledovať vhodné žíhanie.

7. Ochranné opatrenia a povrchové úpravy

Eloxovanie

• Spracovanie: Elektrolytická oxidácia vytvára hrubšiu vrstvu Al₂o₃ (10–25 μm).
• Typy:

• • Kyselina sírová Eloxovanie (Typ typu II): Bežné pre architektonické a spotrebiteľské výrobky (farebný).
  • Tvrdý (Typ III): Hrubší (25–100 μm), odpor; Používa sa v strojových zariadeniach a leteckom priestranstve.
  • Anodizácia kyseliny chromovej (Typ i): Riedidlo (5–10 μm), lepšia odolnosť proti korózii, minimálna rozmerová zmena; Používa sa pre letecké komponenty.

• Prínosy: Zvýšená ochrana proti korózii, Vylepšená adhézia pre farby, dekoratívne povrchové úpravy.

Konverzné povlaky

• Chrómový konverzný povlak: Hexavalentný alebo trojitý chróm; Poskytuje dobrý odolnosť proti korózii a priľnavosť farieb.
  Environmentálne záujmy vedú k trojstranným alternatívam.
• Fosfátové povlaky: Menej bežné na hliníku; občas sa používa na zlepšenie adhézie farby.
• Non-chrómové alternatívy: Na báze fluoridu, zirkonát, alebo titanátové chemikácie, ktoré ponúkajú ochranu proti korózii bez hexavalentného chrómu.

Organické povlaky

• Tekuté farby: Epoxidové priméry, polyuretán, alebo fluoropolymérny povrchový úprav chránia pred vlhkosťou a UV.
• Práškové lakovanie: Polyester, epoxid, alebo polyuretánové prášky sa aplikujú a pečú na vytvorenie trvanlivých filmov. Hrubšie pokrytie odoláva korózii a oderu.

Katódová ochrana a obetné anódy

• Obetné anódy (Zinok, Horčík): Používa sa v morskej vode na ochranu ponorených hliníkových štruktúr; anóda korózy prednostne.
• Zapôsobený prúd: Menej bežné pre malé hliníkové predmety; Používa sa pre veľké morské štruktúry.

8. Záver

Hliník nie hrdzavec v konvenčnom zmysle, ale to robí koróziu, zvyčajne tvorí stabilnú vrstvu oxidu, ktorá ju chráni pred ďalším útokom.

Odolnosť materiálu voči korózii, v kombinácii s pomerom sily k hmotnosti, robí z neho ideálny pre priemyselné odvetvia od letectva po výstavbu.

Avšak, Pochopenie jeho koróznych mechanizmov, environmentálne obmedzenia, a ochranné opatrenia sú rozhodujúce pre zabezpečenie jej dlhovekosti a výkonu.

Kombináciou správnej zliatiny, ošetrenie povrchom, a úvahy o návrhu, Hliník môže poskytovať desaťročia servisu bez údržby.

 

Bežné mylné predstavy

Aj keď sa hliníkové korózne správanie značne študovalo, Niekoľko nedorozumení pretrváva v priemysle aj v populárnom diskurze.

Riešenie týchto mylných predstáv pomáha inžinierom, dizajnér, a koncoví používatelia prijímajú informované rozhodnutia pri výbere alebo udržiavaní hliníkových komponentov.

„Hliník nikdy nekraje“

Rozsiahle presvedčenie, že hliník je nepriepustný pre všetky formy korózie. V skutočnosti, Aj keď hliník nie je hrdzavý ako oceľ, Stále prechádza koróziou.

Jeho prírodný oxidový film (Al₂o₃) sa tvorí takmer okamžite po vystavení vzduchu, Poskytovanie vynikajúceho - ale nie absolútne -.

V agresívnych podmienkach, ako sú prostredie bohaté na chlorid alebo kyslé odtoky, Táto pasívna vrstva sa môže rozobrať, čo vedie k jamkovaniu alebo korózii trhliny.

Preto, Zatiaľ čo hliník často prekonáva nekolesovanú oceľ, Stále si vyžaduje vhodný výber zliatiny a povrchové spracovanie dlhovekosti.

„Biely prášok na hliníku je neškodný“

Keď hliníkové povrchy vyvinú bielu, Zvyšky práškov - spoločne označované ako „biela hrdza“ - Mnoho predpokladá, že nepredstavuje žiadnu hrozbu.

Avšak, Tento prášok vyplýva z usadenín hydroxidu alebo uhličitanov, ktoré sa tvoria pri vysokej vlhkosti alebo chemickej expozícii.

Ľavý neadresovaný, Tieto usadeniny si môžu zachovať vlhkosť na kov, Podpora lokalizovanej korózie pod hromadením.

Pravidelné čistenie a aplikácia ochranného povlaku sú rozhodujúce pre zabránenie poškodeniu podkladu, najmä na odhalených plechoch alebo konštrukčných členoch.

"Všetky hliníkové zliatiny majú rovnaké korózne správanie"

Ďalšou mylnou predstavou je, že všetky hliníkové zliatiny vykazujú jednotný odpor korózie. V skutočnosti, zliatinové prvky dramaticky menia výkon.

Napríklad, 5XXX Series (Mg) zliatiny vykazujú vynikajúci odpor v morských prostrediach,

zatiaľ čo séria 2xxx a 7xxx (Cu- a zn nesúci) sú náchylné na jamky a praskanie korózie stresu, ak sa neliečite.

Za predpokladu lacného nákladu, Vysoko silná zliatina bude stačiť v každom prostredí riskuje predčasné zlyhanie.

Teda, Zadanie správnej série a temperamentu - a prípadne aplikovanie eloxovania alebo opláštenia - zapoja požadovanú životnosť.

„Galvanická korózia záleží iba v extrémnych podmienkach“

Niektorí dizajnéri si myslia, že galvanická korózia sa vyskytuje iba vo vysoko agresívnej alebo ponorenej službe.

Pravda, Dokonca aj stopové množstvá vlhkosti, napríklad ranná rosa v pobrežnej klíme, môže vytvoriť dostatočnú vodivosť

Iniciovať galvanickú bunku medzi hliníkovými upevňovačmi a medeným zapojením, alebo hliníkové čalúnenie v kontakte s nehrdzavejúcou oceľou.

Časom, Anodický hliník bude prednostne korodovať, čo vedie k uvoľneniu kĺbov alebo k oslabeniu štrukturálneho.

Aby sa tomu zabránilo, Inžinieri by mali vždy izolovať odlišné kovy alebo špecifikovať kompatibilné upevňovacie prvky.

„Eloxizovanie robí hliník úplne odolný voči korózii“

Anodizácia určite zlepšuje odolnosť proti korózii zahusťovaním vrstvy oxidu, ale nezastaví hliník.

Tvrdo anodarované povrchy môžu vyvinúť mikrotrhanky, ak sú vystavené tepelnému cyklistiu alebo mechanickému napätiu, a bez správneho utesnenia, Zostávajú pórovité agresívne ióny.

Následne, Spoliehanie sa výlučne na štandardný anodizujúci kyselina pre morské prostredie môže v priebehu času viesť k jamkam.

Kombinácia eloxovania s tesniacimi prostriedkami, vrcholové nádoby, alebo katódová ochrana je často potrebná pre náročné aplikácie.

„Hliník s vysokou čistotou zmierňuje všetky obavy o koróziu“

Čistota zvyšuje vrodenú odolnosť hliníka voči oxidácii, napriek 99.99% Čistý hliník môže utrpieť koróziu trhliny pod tesneniami alebo vo vnútri utesnených krytov.

Stopové nečistoty - žehlič, kremík, meď - dom, Vytváranie lokalizovaných galvanických buniek.

V praxi, Veľmi vysokokvalitné hliníkové zliatiny (Napr., 1100) Nájdite obmedzené použitie v štrukturálnych aplikáciách presne preto, že im chýba mechanická sila na kompenzáciu lokalizovaného útoku.

Vyváženie čistoty s potrebnými legmitingovými prvkami zostáva nevyhnutné.