Чи алюмінієва іржа？

1. Вступ

Питання “Чи є алюмінієва іржа?» часто виникає в інженерні матеріалів, промисловий дизайн, і навіть щоденні проекти самостійно.

Суворо кажучи, іржа відноситься до оксиду заліза, Пляда червонувато-коричнева продукція корозії заліза та сталі.

Тому що алюміній утворює інший оксид (оксид алюмінію), Технічно він не іржавіє так, як це робить Залізо. Все -таки, Алюміній може роз’їхати за певних умов.

Ця стаття пояснює хімію, що стоїть за окисленням алюмінію, контрастувати з залізною іржею, вивчає різні режими корозії, та окреслює захисні стратегії.

2. Визначення "іржі" проти. Оксид алюмінію

Технічно, іржа відноситься до червонувато-коричневої пластівської речовини-оксид заліза—К це утворюється, коли залізо реагує з киснем і вологою.

Алюміній, Будучи кольоромним металом, не іржавий таким чином. Натомість, він зазнає окислення, виробництво важко, безбарвний, і дотримний шар оксид алюмінію (Al₂o₃).

Цей оксидний шар утворюється майже миттєво в присутності повітря та води, Створення природного бар'єру, який гальмує подальшу корозію.

Хоча цей процес іноді називають "білою іржею" у легових термінах, він принципово відрізняється від іржі сталі.

3. Захисний оксидний шар на алюмінієві

Рідний оксид утворення та товщина

Відразу після впливу повітря, Алюміній розвиває рідний оксид товщиною ~ 2–5 нм. Дослідження фільму (XPS, еліпсометрія) підтвердити, що цей шар утворюється протягом декількох секунд.

У сухому повітрі, товщина плато; у вологому середовищі, він може трохи потовщитися (5–10 нм) Але залишається захисним.

Механізм самоврядування

Якщо невелика подряпина порушує оксид, Свіжий алюміній під окисленням для відновлення плівки.

Це самолікування Механізм забезпечує постійний захист до тих пір, поки присутній достатній кисень або водяна пара.

У налаштуваннях з обмеженою киснею (Напр., під водою у застійній воді), пасивація все ще може виникнути, але може бути повільніше.

Механічні та хімічні властивості Al₂o₃

Оксид алюмінію є:

• Важкий (Mohs ~ 9), Збільшення опору поверхневої подряпини.
• Хімічно стабільний у нейтральних та лужних носіях до ~ pH 9, хоч напав на сильно кислі (рН < 4) або лужний (рН > 9) середовище.
• Низька електропровідність, що може сприяти локалізованій корозії (Напр., піттінг) за певних умов.

4. Корозійна поведінка алюмінію в різних умовах

Атмосферна експозиція

• Сухий клімат: Мінімальне подальше окислення поза рідною плівкою; Зовнішній вигляд залишається блискучим.
• Вологе повітря: Оксидний шар трохи потовщується, підтримка захисту. Забруднювачі (So₂, Ні) може підкинути росу, спричиняючи м'який піттинг.
• Морська атмосфера: Аерозолі, навантажені хлоридом, атакують оксид, що веде до піттінгу, якщо захисні покриття відсутні.

Водні середовища

• Прісна вода: Алюміній чинить опір м'якій нейтральній воді, формування стабільного al₂o₃.
• Морська вода: Високий хлорид (~ 19000 ppm) сприяти корозія. Невеликі ями можуть утворюватися, але рівномірна корозія залишається низькою.
• Кислі/лужні розчини:

• • рН < 4: Оксид розчиняється, піддаючи голий метал швидкій атаці.
  • рН > 9: Оксид також розчиняється (Збільшення розчинності Al₂o₃), що призводить до активної корозії.

Окислення високої температури

Вище ~ 200 ° С у повітрі, Оксидний шар зростає товстішим (до мікрометрів) У тенденції параболізму.

Хоч і досі захисні, Диференціальне теплове розширення між Al та Al₂o₃ може викликати розбиття, якщо швидко охолоне. В компонентах двигуна (Напр., поршні), Проектування пояснює зростання контрольованого оксиду.

Гальванічна корозія

Коли алюміній контактує з більш благородним металом (сталь, мідь) У присутності електроліту, Алюміній стає анодом і переважно роз'єднується.

Правильна ізоляція або катодний захист запобігає гальванічній атаці.

5. Типи корозійної алюмінію

Хоча рідна оксидна плівка алюмінію забезпечує значний захист у багатьох умовах, Різні середовища та напруження можуть викликати чіткі режими корозії.

Рівномірна корозія

Рівномірна корозія (іноді називають загальною корозією) передбачає відносно рівномірну втрату металу через відкриті поверхні.

В алюмінієві, рівномірна корозія відбувається, коли захисний оксид (Al₂o₃) розчиняється або стає хімічно нестабільним, дозволяючи основному металу окислювати майже з постійною швидкістю.

Корозія

Піттінг починається, коли хлорид або інші агресивні аніони порушують пасивний бар'єр Al₂o₃ на локалізованому місці.

Колись яма нуклеї, Місцеве підкислення відбувається (Через гідроліз розчиненого al³⁺), Подальше розчинення глинозему та прискорення глибини ями.

Морфологія ями часто вузька і глибока, що робить складним виявленням перед значним проникненням.

Міжгранулярна корозія

Міжгранулярна корозія (IGC) нападає на межу зерна переважно, часто там (Напр., При температурі 150–350 ° C).

Ці осади (Куріч, Mg₂si, або al₂cu) Вичерпайте сусідню матрицю легованих розчинників, Створення вузького анодного шляху вздовж меж зерна.

При зануренні в корозійне середовище, Зернові межі роз'єднуються попереду зернового інтер'єру, що призводить до шляху до зерна або крихких невдач.

Стрес-корозія тріщини (SCC)

SCC - синергетичний режим відмови, який вимагає трьох умов: сприйнятливий сплав, корозійне середовище, і стрес на розрив (залишковий або застосований).

За цих умов, Тріщини ініціюють на інтерфейсі металу/оксиду та поширюються міжгранулярно або трансгранулярно при рівні стресу значно нижче міцності на врожайність.

Корозія щілини

Корозія щілини розвивається в екранованих або обмежених районах - за прокладками,, Голови заклепки, або колінні суглоби - де застійний електроліт виснажується киснем.

В межах щілини, Розчинення металів генерує Al³⁺ та підкислює місцеве середовище (Al₂o₃ → al³⁺ + 3Ох⁻).

Катодна реакція (Зниження кисню) відбувається поза щілиною, Далі подальше анодне розчинення всередині.

Іони хлориду концентруються в щілині для підтримки нейтралітету заряду, Прискорення нападу.

Підсумкова таблиця - механізми корозійної алюмінію

6. Легальний вплив на корозійну стійкість

Внутрішня корозійна стійкість алюмінію випливає з швидкого утворення тонкого, Агережний оксид алюмінію (Al₂o₃) плівка.

Однак, в інженерній практиці, Майже весь структурний алюміній використовується в легованій формі, і кожен легований елемент може суттєво вплинути на стабільність та захист оксидного шару.

Чистий алюміній проти. Алюмінієві сплави

• Чистий алюміній (1100 серія): Виняткова резистентність до корозії внаслідок мінімальної інтерметаліки; використовується для хімічного обладнання.
• 2Серія xxx (Аль-Ку): Нижня стійкість до корозії, Особливо сплави, загартовані опадами (Напр., 2024), схильний до SCC та міжгранулярної атаки.
• 5Серія xxx (Al - мг): Хороша морська резистентність; поширений у корабельних корпусах (Напр., 5083, 5052).
• 6Серія xxx (Al -mg -i): Збалансована сила та корозійна стійкість; Широко використовується в архітектурних екструзіях (Напр., 6061).
• 7Серія xxx (Al - Zn - mg): Дуже висока сила, але вразлива до SCC без належного лікування.

Роль міді, Магній, Кремнію, Цинк, та інші елементи

• Мідь: Збільшує силу, але знижує резистентність до корозії та стійкість до піттінгу.
• Магній: Підвищує резистентність до корозії в морських середовищах, але може сприяти міжгранулярній корозії, якщо не контролювати.
• Кремнію: Покращує плинність та кастота; сплави, як A356, показують скромну корозійну продуктивність.
• Цинк: Сприяє міцності, але знижує загальну резистентність.
• Слідові елементи (Феод, Мн, Cr): Мінімізувати згубну інтерметаліку; Mn допомагає уточнити структуру зерна, користь корозійної поведінки.

Термічна обробка та вплив мікроструктури

• Розчин термічна обробка та старіння: Розчиняє шкідливі осади, Зменшення міжгранулярної корозії.
• Надмірний: Осадні осади на межах зерна можуть погіршити корозію.
• Затвердіння опадів: Вимагає ретельного контролю, щоб збалансувати силу та корозію.
• Термічна робота: Холодний (Напр., прокатка) Можуть виробляти дислокації, що посилюють місцеву корозію, якщо не слідує відповідне відпал.

7. Захисні заходи та поверхневі обробки

Анодування

• Обробка: Електролітичне окислення будує більш товстий шар al₂o₃ (10–25 мкм).
• Типи:

• • Сірчана кислота Анодування (Тип II): Поширений для архітектурних та споживчих товарів (забарвлений).
  • Важкий анодування (Тип III): Густіший (25–100 мкм), висока зносостійкість; Використовується в машинах та аерокосмічній.
  • Хромова кислота анодування (Тип I): Тонший (5–10 мкм), Краща стійкість до корозії, мінімальна розмірна зміна; використовується для аерокосмічних компонентів.

• Вигоди: Посилений захист від корозії, вдосконалена адгезія фарб, декоративна обробка.

Перетворення покриттів

• Хроматне перетворення покриття: Гексавалентний або тривалентний хромовий; забезпечує хорошу резистентність до корозії та адгезію фарби.
  Екологічні проблеми викликають тривалентні альтернативи.
• Фосфатні покриття: Рідше на алюмінієві; Іноді використовується для поліпшення адгезії фарби.
• Нехроми альтернативи: На основі фтору, цирконат, або хімії титанату, які пропонують захист від корозії без шестигалентного хрому.

Органічні покриття

• Рідкі фарби: Епоксидні праймери, Поліуретанові верстви, або фторополімерні обробки захищають від вологи та УФ.
• Порошкове покриття: Поліестер, епоксидний, або поліуретанові порошки застосовуються та випікають для формування міцних плівок. Товстіше покриття чинить опір корозії та стирання.

Катодний захист та жертовні аноди

• Жертовні аноди (Цинк, Магній): Використовується в морській воді для захисту занурених алюмінієвих конструкцій; анод співдруує переважно.
• Вражений струм: Рідше для невеликих алюмінієвих предметів; використовується для великих морських структур.

8. Висновок

Алюміній робить не іржа У звичайному сенсі, Але це Чи кород, зазвичай утворюючи стабільний оксидний шар, який захищає його від подальшої атаки.

Стійкість матеріалу до корозії, у поєднанні з його співвідношенням сили до ваги, робить його ідеальним для галузей, починаючи від аерокосмічного до будівництва.

Однак, Розуміння його корозійних механізмів, Обмеження навколишнього середовища, і захисні заходи мають вирішальне значення для забезпечення його довговічності та продуктивності.

Поєднуючи правильний сплав, поверхнева обробка, та дизайнерські міркування, Алюміній може забезпечити десятиліття обслуговування без технічного обслуговування.

 

Поширені помилки

Навіть незважаючи на те, що поведінка корозій алюмінію широко вивчалася, Кілька непорозумінь зберігаються як у галузі, так і в популярному дискурсі.

Звернення до цих помилок допомагає інженерам, дизайнери, і кінцеві користувачі приймають обґрунтовані рішення при виборі або підтримці алюмінієвих компонентів.

"Алюміній ніколи не роз'єдається"

Широка віра стверджує, що алюміній непроникний для всіх форм корозії. Насправді, Хоча алюміній не іржавіє, як сталь, він все ще зазнає корозії.

Його природна оксидна плівка (Al₂o₃) утворюється майже відразу після впливу повітря, забезпечення відмінного - але не абсолютного - захист.

В агресивних умовах, таких як багаті хлоридами середовища або кислі стоки, Цей пасивний шар може зламатися, що призводить до корозій.

Отже, в той час як алюміній часто перевершує непорушну сталь, Це все ще вимагає відповідного вибору сплавів та поверхневої обробки для довговічності.

“Білий порошок на алюмінієві нешкідливий”

Коли алюмінієві поверхні розвивають білий, порошкоподібні залишки - звичайно називаються "білою іржею" - багато хто припускає, що він не становить загрози.

Однак, Цей порошок є результатом гідроксиду або карбонатних відкладень, які утворюються при високій вологості або хімічному впливу.

Залишив без розгляду, Ці родовища можуть утримувати вологу проти металу, сприяючи локалізованій корозії під нарощуванням.

Регулярне застосування очищення та захисного покриття є критично важливими для запобігання основних пошкоджень, особливо на оголеному листовому металі або структурних елементах.

"Усі алюмінієві сплави мають однакову поведінку корозії"

Ще одне неправильне уявлення полягає в тому, що всі алюмінієві сплави виявляють рівномірну резистентність. Фактично, Легування елементів різко змінюють продуктивність.

Наприклад, 5Серія xxx (Мг) сплави демонструють відмінну стійкість у морських умовах,

тоді як серія 2xxx та 7xxx (Куточок- і Zn-несучий) схильні до розтріскування піттінгу та стресової корозії, якщо їх не лікувати.

Припускаючи недорогу вартість, Високосильна сплав буде достатньо у кожному середовищі ризикує передчасною невдачею.

Таким чином, Визначення правильної серії та вдачі - і, можливо, застосування анодизації або обшивки - передбачає бажаний термін служби.

"Гальванічна корозія має значення лише в екстремальних умовах"

Деякі дизайнери вважають, що гальванічна корорія відбувається лише у високо агресивному або зануреному сервісі.

По правді, Навіть простежування кількості вологи, наприклад, ранкова роса в прибережному кліматі, може створити достатню провідність

Ініціюйте гальванічну комірку між алюмінієвими кріпленнями та мідною проводкою, або алюмінієва обробка в контакті з нержавіючої сталі.

З часом, анодний алюміній буде переважно роз’їтися, що призводить до послаблення суглобів або структурного ослаблення.

Щоб уникнути цього, Інженери завжди повинні ізолювати різні метали або вказувати сумісні кріплення.

"Анодізація робить алюміній повністю захищеним корозією"

Анодізація, безумовно, покращує корозійну стійкість шляхом потовщення оксидного шару, але це не робить алюміній невразливим.

Тверди з анодуванням можуть розвивати мікрокраки, якщо піддаються впливу теплового циклу або механічного напруження, і без належної герметизації, Вони залишаються пористими до агресивних іонів.

Отже, покладаючись виключно на стандартний анодізування сірчаної кислоти для морського середовища, може призвести до того.

Поєднання анодування з ущільнювачами, вершини, або катодний захист часто стає необхідним для вимогливих застосувань.

"Алюміній високої чистоти полегшує всі проблеми з корозією"

Чистота підвищує вроджену стійкість алюмінію до окислення, ще навіть 99.99% Чистий алюміній може зазнати корозії щілини під прокладками або всередині герметичних корпусів.

Сліди домішок - залізо, кремнію, мідь - слід сконцентруватися на межах зерна, Створення локалізованих гальванічних клітин.

На практиці, Дуже високі алюмінієві сплави (Напр., 1100) Знайдіть обмежене використання в структурних додатках саме тому, що їм не вистачає механічної сили для компенсації локалізованої атаки.

Балансування чистоти з необхідними легуючими елементами залишається важливим.