Gör aluminium rost？

1. Introduktion

Frågan ”Gör aluminiumrost?” uppstår ofta inom materialteknik, industriell formgivning, och till och med vardagliga DIY -projekt.

Strängt taget, Rost hänvisar till järnoxid, Den flagniga rödbrun korrosionsprodukten av järn och stål.

Eftersom aluminium bildar en annan oxid (aluminiumoxid), Det rostar tekniskt inte i det sätt som järn gör det. Ändå, Aluminium kan korrodera under vissa förhållanden.

Den här artikeln förklarar kemin bakom aluminiumoxidation, kontrasterande med järnrostning, undersöker olika korrosionslägen, och beskriver skyddsstrategier.

2. Definiera "rost" vs. Aluminiumoxid

Tekniskt, Rust hänvisar till det rödbruna flagnande ämnet-järnoxid- Det bildas när järn reagerar med syre och fukt.

Aluminium, Att vara en icke-järnhaltig metall, rostar inte på detta sätt. I stället, det genomgår oxidation, producerar ett hårt, färglös, och vidhäftande lager av aluminiumoxid (Al₂o₃).

Detta oxidskikt bildas nästan direkt i närvaro av luft och vatten, skapa en naturlig barriär som hämmar ytterligare korrosion.

Medan denna process ibland kallas ”vit rost” i leksak, Det skiljer sig i grunden från rost av stål.

3. Skyddande oxidlager på aluminium

Native oxidbildning och tjocklek

Omedelbart efter luftsexponering, Aluminium utvecklar en nativ oxid av ~ 2–5 nm tjocklek. Filmstudier (Xps, ellipsometri) Bekräfta att detta lager bildas inom några sekunder.

I torr luft, tjocklek platåer; i fuktiga miljöer, det kan tjockna något (5–10 nm) men förblir skyddande.

Självpassiveringsmekanism

Om en liten skrapa bryter mot oxiden, Färsk aluminium under oxiderar för att reparera filmen.

Detta självläkande Mekanismen säkerställer pågående skydd så länge det är tillräckligt med syre eller vattenånga.

I inställningar med begränsad syre (TILL EXEMPEL., undervattens i stillastående vatten), Passivering kan fortfarande inträffa men kan vara långsammare.

Mekaniska och kemiska egenskaper hos Al₂o₃

Aluminiumoxid är:

• Hård (Mohs ~ 9), Ökande ytskrapmotstånd.
• Kemiskt stabil I neutrala och alkaliska medier upp till ~ pH 9, men attackeras starkt surt (pH < 4) eller alkaliskt (pH > 9) miljöer.
• Låg elektrisk konduktivitet, som kan bidra till lokal korrosion (TILL EXEMPEL., grop) under vissa förutsättningar.

4. Korrosionsbeteende hos aluminium i olika miljöer

Atmosfärisk exponering

• Torrklimat: Minimal ytterligare oxidation utöver infödda film; utseende förblir glansigt.
• Fuktig luft: Oxidskiktet förtjockas något, upprätthållande av skydd. Föroreningar (Så ₂, Noₓ) kan försuras dagg, orsakar mild grop.
• Marin atmosfär: Kloridbelastade aerosoler attackerar oxid, vilket leder till pitting om skyddande beläggningar är frånvarande.

Vattenmiljöer

• Sötvatten: Aluminium motstår milt neutralt vatten, bildar stabil al₂o₃.
• Havsvatten: Högklorid (~ 19 000 ppm) främja korrosion. Små gropar kan bildas, Men enhetlig korrosion förblir låg.
• Sura/alkaliska lösningar:

• • pH < 4: Oxid upplöses, utsätta bar metall för snabb attack.
  • pH > 9: Oxid upplöses också (Al₂o₃ löslighet ökar), vilket leder till aktiv korrosion.

Högtemperaturoxidation

Över ~ 200 ° C i luften, Oxidskiktet blir tjockare (upp till mikrometrar) I en parabolisk trend.

Medan du fortfarande är skyddande, Differential termisk expansion mellan Al och Al₂o₃ kan inducera spallation om den kyls snabbt. I motorkomponenter (TILL EXEMPEL., kolv), Designkonton för kontrollerad oxidtillväxt.

Galvanisk korrosion

När aluminium kontaktar en mer ädel metall (stål, koppar) i närvaro av en elektrolyt, aluminium blir anoden och korroderar företrädesvis.

Korrekt isolering eller katodiskt skydd förhindrar galvanisk attack.

5. Typer av aluminiumkorrosion

Även om aluminiums nativa oxidfilm ger ett stort skydd under många förhållanden, Olika miljöer och spänningar kan utlösa distinkta korrosionslägen.

Enhetlig korrosion

Enhetlig korrosion (ibland kallas allmän korrosion) innebär en relativt jämn förlust av metall över exponerade ytor.

I aluminium, enhetlig korrosion uppstår när den skyddande oxiden (Al₂o₃) löser upp eller blir kemiskt instabil, tillåter den underliggande metallen att oxidera i nästan konstant hastighet.

Korrosion

Pitting börjar när klorid eller andra aggressiva anjoner bryter mot den passiva Al₂o₃ -barriären på en lokal plats.

En gång en gropkärnor, Lokal försurning sker (På grund av hydrolys av upplöst al³⁺), ytterligare upplösning av aluminiumoxid och accelerera gropdjupet.

Pit Morfology är ofta smal och djup, vilket gör det utmanande att upptäcka före betydande penetration.

Intergranulär korrosion

Intergranulär korrosion (IGC) attackerar korngränsregionen företrädesvis, Ofta där legeringselement har fällts ut under värmebehandlingen (TILL EXEMPEL., Vid temperaturen 150–350 ° C).

Dessa fällningar (Cu -rik, Mg₂si, eller Al₂cu) tappar den intilliggande matrisen för legeringar, Skapa en smal anodisk väg längs korngränserna.

När det är nedsänkt i frätande miljöer, Korngränser korroderar före korninredning, vilket resulterar i kornavfall eller spröda felvägar.

Stresskorrosionsprick (SCC)

SCC är ett synergistiskt felläge som kräver tre villkor: En mottaglig legering, en frätande miljö, och dragspänning (återstående eller tillämpad).

Under dessa förhållanden, sprickor initieras vid metall/oxidgränssnittet och förökar intergranulärt eller transgranulärt vid stressnivåer långt under avkastningsstyrkan.

Sprickorrosion

Crevice Corrosion utvecklas i skärmade eller begränsade områden - under packningar, nithuvuden, eller varvförband - där en stillastående elektrolyt tappas av syre.

Inom sprickan, Metallupplösning genererar Al³⁺ och försurar den lokala miljön (Al₂o₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

Den katodiska reaktionen (syrgasreduktion) förekommer utanför sprickan, Kör ytterligare anodisk upplösning inuti.

Kloridjoner koncentrerar sig i sprickan för att upprätthålla laddningsneutralitet, påskynda attacken.

Sammanfattningstabell - Aluminiumkorrosionsmekanismer

6. Legeringseffekter på korrosionsbeständighet

Aluminiums inneboende korrosionsmotstånd härrör från den snabba bildningen av en tunn, vidhäftande aluminiumoxid (Al₂o₃) filma.

Dock, i ingenjörspraxis, Nästan alla strukturella aluminium används i legerad form, och varje legeringselement kan påverka stabiliteten och skyddet av oxidskiktet avsevärt.

Ren aluminium vs. Aluminiumlegeringar

• Ren aluminium (1100 serie): Exceptionell korrosionsmotstånd på grund av minimal intermetallik; används för kemisk utrustning.
• 2xxx -serie (Al-Cu): Lägre korrosionsbeständighet, särskilt utfällningshärdade legeringar (TILL EXEMPEL., 2024), benägen att SCC och intergranulär attack.
• 5xxx -serie (Al - mg): Bra marinkorrosionsmotstånd; Vanligt i fartygsskrov (TILL EXEMPEL., 5083, 5052).
• 6xxx -serie (Al -mg -i): Balanserad styrka och korrosionsmotstånd; Används allmänt i arkitektoniska extrusioner (TILL EXEMPEL., 6061).
• 7xxx -serie (Al - zn - mg): Mycket hög styrka men sårbar för SCC utan korrekt behandling.

Kopparroll, Magnesium, Kisel, Zink, och andra element

• Koppar: Ökar styrkan men sänker korrosionsmotståndet och gropmotståndet.
• Magnesium: Förbättrar korrosionsmotståndet i marina miljöer men kan främja intergranulär korrosion om den inte kontrolleras.
• Kisel: Förbättrar fluiditet och gjutbarhet; Legeringar som A356 visar blygsam korrosionsprestanda.
• Zink: Bidrar till styrka men minskar allmän korrosionsmotstånd.
• Spårelement (Fe, Mn, Cr): Minimera skadlig intermetallik; MN hjälper till att förfina spannmålsstrukturen, gynna korrosionsbeteende.

Värmebehandling och mikrostrukturpåverkan

• Lösning värmebehandling och åldrande: Löser upp skadliga utfällningar, Minska intergranulär korrosion.
• Överbeläggning: Grovade fällningar vid korngränser kan förvärra korrosion.
• Nederbörd härdning: Kräver noggrann kontroll för att balansera styrka och korrosion.
• Termiskt arbete: Kallt arbetande (TILL EXEMPEL., rullande) kan producera dislokationer som förbättrar lokal korrosion såvida inte följt av lämplig glödgning.

7. Skyddsåtgärder och ytbehandlingar

Anodiserande

• Behandla: Elektrolytisk oxidation bygger ett tjockare al₂o₃ -lager (10–25 μm).
• Typ:

• • Svavelsyra Anodiserande (Typ II): Vanligt för arkitektoniska och konsumentprodukter (färgbar).
  • Hård anodiserande (Typ III): Tjockare (25–100 μm), hög slitbidrag; används i maskiner och rymd.
  • Kromsyraanodisering (Typ I): Thinner (5–10 μm), Bättre korrosionsmotstånd, minimal dimensionell förändring; används för flyg- och rymdkomponenter.

• Gynn: Förbättrat korrosionsskydd, Förbättrad vidhäftning för färger, dekorativa ytor.

Konverteringsbeläggningar

• Kromatomvandlingsbeläggning: Hexavalent eller trivalent krombaserad; Ger bra korrosionsbeständighet och färg vidhäftning.
  Miljöproblem driver trivalenta alternativ.
• Fosfatbeläggningar: Mindre vanligt vid aluminium; används ibland för att förbättra färgadhesion.
• Icke-kromalternativ: Fluorbaserad, zirkonat, eller titanatkemister som erbjuder korrosionsskydd utan hexavalent krom.

Ekologiskt beläggning

• Flytande färger: Epoxi -primrar, polyuretantopprockar, eller fluoropolymerfinish skyddar mot fukt och UV.
• Pulverbeläggning: Polyester, epoxi, eller polyuretanpulver appliceras och bakas för att bilda hållbara filmer. Tjockare täckning motstår korrosion och nötning.

Katodiskt skydd och offeranoder

• Offeranoder (Zink, Magnesium): Används i havsvatten för att skydda nedsänkta aluminiumstrukturer; anoden korroderar företrädesvis.
• Imponerad ström: Mindre vanligt för små aluminiumföremål; används för stora marina strukturer.

8. Slutsats

Aluminium gör det inte rost i konventionell mening, men det korroderar, bildar vanligtvis ett stabilt oxidskikt som skyddar det från ytterligare attack.

Materialets motstånd mot korrosion, i kombination med dess styrka-till-viktförhållande, gör det idealiskt för branscher som sträcker sig från flyg- till konstruktion.

Dock, förstå dess korrosionsmekanismer, miljöbegränsningar, och skyddsåtgärder är avgörande för att säkerställa dess livslängd och prestanda.

Genom att kombinera rätt legering, ytbehandling, och designöverväganden, Aluminium kan tillhandahålla decennier av underhållsfri service.

 

Vanliga missuppfattningar

Även om aluminiums korrosionsbeteende har studerats i stor utsträckning, Flera missförstånd kvarstår i både branschen och den populära diskursen.

Att ta itu med dessa missuppfattningar hjälper ingenjörer, designers, och slutanvändare fattar informerade beslut när du väljer eller underhåller aluminiumkomponenter.

“Aluminium korroderar aldrig”

En utbredd tro anser att aluminium är ogenomtränglig för alla former av korrosion. I verkligheten, Även om aluminium inte rostar som stål, det genomgår fortfarande korrosion.

Dess naturliga oxidfilm (Al₂o₃) bildas nästan omedelbart efter exponering för luft, ger utmärkt - men inte absolut - skydd.

Under aggressiva förhållanden som kloridrika miljöer eller sura avlopp, Det passiva lagret kan bryta ner, vilket leder till pitting eller sprickkorrosion.

Därför, Medan aluminium ofta överträffar obelagda stål, Det kräver fortfarande lämplig val av legering och ytbehandling för livslängd.

"Vitt pulver på aluminium är ofarligt"

När aluminiumytor utvecklas en vit, pulverformiga rester - gemensamt kallad "vit rost" - många antar att det inte utgör något hot.

Dock, Detta pulver är resultatet av hydroxid- eller karbonatavlagringar som bildas under hög luftfuktighet eller kemisk exponering.

Lämnade oadresserad, Dessa avlagringar kan behålla fukt mot metallen, främjar lokaliserad korrosion under uppbyggnaden.

Regelbunden rengörings- och skyddsbeläggningsansökan är avgörande för att förhindra underliggande skador, särskilt på exponerad plåt eller strukturella medlemmar.

"Alla aluminiumlegeringar har samma korrosionsbeteende"

En annan missuppfattning är att alla aluminiumlegeringar uppvisar enhetlig korrosionsmotstånd. I själva verket, legeringselement förändrar dramatiskt prestanda.

Till exempel, 5xxx -serie (Mg) Legeringar visar utmärkt motstånd i marina miljöer,

Medan 2xxx och 7xxx -serien (Cu- och Zn-bärande) är benägna att putta och stresskorrosionsprickor om de inte behandlas.

Förutsatt att en billig, Högstyrka legering räcker i varje miljö riskerar för tidigt misslyckande.

Således, Att specificera rätt serie och humör - och eventuellt applicera anodisering eller beklädnad - säkerställa önskat livslängd.

"Galvanisk korrosion är bara viktig under extrema förhållanden"

Vissa designers tror att galvanisk korrosion bara förekommer i mycket aggressiv eller nedsänkt service.

I själva verket, till och med spårmängder fukt, som morgondagg i ett kustklimat, kan skapa tillräckligt konduktivitet

För att initiera en galvanisk cell mellan aluminiumfästelement och kopparledningar, eller aluminiumtrim i kontakt med rostfritt stål.

Med tiden, det anodiska aluminiumet kommer att korrodera företrädesvis, vilket leder till gemensamt lossning eller strukturell försvagning.

För att undvika detta, Ingenjörer ska alltid isolera olika metaller eller ange kompatibla fästelement.

“Anodisering gör aluminium helt korrosionssäkert”

Anodisering förbättrar säkert korrosionsbeständighet genom att förtjockas oxidskiktet, Men det gör inte aluminium oöverträffligt.

Hard-anodiserade ytor kan utveckla mikrokrackor om de utsätts för termisk cykling eller mekanisk stress, och utan korrekt tätning, De förblir porösa mot aggressiva joner.

Följaktligen, Att förlita sig enbart på en standard svavelinsyra anodize för en marin miljö kan leda till pitting över tid.

Kombinera anodisering med tätare, topprock, eller katodiskt skydd blir ofta nödvändigt för att kräva applikationer.

"Aluminium med hög renhet lindrar alla korrosionsproblem"

Renhet förbättrar aluminiumens medfödda resistens mot oxidation, ändå till och med 99.99% Ren aluminium kan drabbas av sprickorrosion under packningar eller inre förseglade kapslingar.

Spår föroreningar - järn, kisel, Koppar - tenderar att koncentrera sig vid korngränser, Skapa lokala galvaniska celler.

I praktiken, mycket hög renhets aluminiumlegeringar (TILL EXEMPEL., 1100) Hitta begränsad användning i strukturella tillämpningar just för att de saknar den mekaniska styrkan för att kompensera för lokaliserad attack.

Balansera renhet med nödvändiga legeringselement förblir väsentligt.