Nhôm có bị gỉ không？

1. Giới thiệu

Câu hỏi Cấm không bị gỉ bằng nhôm?” phát sinh thường xuyên trong kỹ thuật vật liệu, Thiết kế công nghiệp, Và ngay cả các dự án DIY hàng ngày.

Nói đúng ra, Rust đề cập đến oxit sắt, Sản phẩm ăn mòn màu nâu đỏ bong tróc của sắt và thép.

Bởi vì nhôm tạo thành một oxit khác (oxit nhôm), nó về mặt kỹ thuật không rỉ sét theo cách sắt. Tuy nhiên, nhôm có thể ăn mòn trong một số điều kiện nhất định.

Bài viết này giải thích hóa học đằng sau quá trình oxy hóa nhôm, Tương phản nó với gỉ sắt, Kiểm tra các chế độ ăn mòn khác nhau, và phác thảo các chiến lược bảo vệ.

2. Xác định Rust Rust Vs. Oxit nhôm

Về mặt kỹ thuật, Rust đề cập đến chất bong tróc màu nâu đỏoxit sắt—That hình thành khi sắt phản ứng với oxy và độ ẩm.

Nhôm, là một kim loại màu không có chất, không rỉ sét theo cách này. Thay vì, nó trải qua quá trình oxy hóa, sản xuất một khó khăn, không màu, và lớp tuân thủ của oxit nhôm (Al₂o₃).

Lớp oxit này hình thành gần như ngay lập tức với sự hiện diện của không khí và nước, tạo ra một rào cản tự nhiên ức chế sự ăn mòn hơn nữa.

Trong khi quá trình này đôi khi được gọi là Rust Rust ”theo thuật ngữ giáo dân, Nó khác về cơ bản với sự rỉ sét của thép.

3. Lớp oxit bảo vệ trên nhôm

Sự hình thành và độ dày oxit bản địa

Ngay khi tiếp xúc với không khí, Nhôm phát triển một oxit tự nhiên có độ dày ~ 2 Nm5nm. Nghiên cứu làm phim (XPS, hình elip) Xác nhận rằng lớp này hình thành trong vòng vài giây.

Trong không khí khô, cao nguyên độ dày; trong môi trường ẩm ướt, nó có thể làm dày một chút (5Tiết10 nm) Nhưng vẫn bảo vệ.

Cơ chế tự truyền

Nếu một vết xước nhỏ vi phạm oxit, Nhôm tươi bên dưới oxy hóa để sửa chữa phim.

Cái này tự chữa lành Cơ chế đảm bảo bảo vệ liên tục miễn là có đủ oxy hoặc hơi nước.

Trong cài đặt oxy giới hạn (VÍ DỤ., dưới nước trong nước trì trệ), thụ động vẫn có thể xảy ra nhưng có thể chậm hơn.

Tính chất cơ học và hóa học của Al₂O₃

Oxit nhôm là:

• Cứng (Mohs ~ 9), Tăng điện trở vết xước bề mặt.
• Ổn định về mặt hóa học trong môi trường trung tính và kiềm lên đến ~ pH 9, mặc dù bị tấn công trong axit mạnh (PH < 4) hoặc kiềm (PH > 9) môi trường.
• Độ dẫn điện thấp, có thể góp phần ăn mòn cục bộ (VÍ DỤ., rỗ) trong một số điều kiện nhất định.

4. Hành vi ăn mòn của nhôm trong các môi trường khác nhau

Tiếp xúc với khí quyển

• Khí hậu khô: Quá trình oxy hóa tối thiểu ngoài phim bản địa; Ngoại hình vẫn còn luns.
• Không khí ẩm: Lớp oxit dày lên, duy trì sự bảo vệ. Chất gây ô nhiễm (Vì vậy,, Không) có thể axit hóa sương, gây ra rỗ nhẹ.
• Bầu không khí biển: Aerosols clorua tấn công oxit, dẫn đến rỗ nếu lớp phủ bảo vệ vắng mặt.

Môi trường nước

• Nước ngọt: Nhôm chống nước trung tính nhẹ, hình thành ổn định al₂o₃.
• Nước biển: Clorua cao (~ 19.000 ppm) thúc đẩy ăn mòn rỗ. Hố nhỏ có thể hình thành, Nhưng sự ăn mòn đồng nhất vẫn còn thấp.
• Dung dịch axit/kiềm:

• • PH < 4: Oxit hòa tan, lộ kim loại trần để tấn công nhanh chóng.
  • PH > 9: Oxit cũng hòa tan (Độ hòa tan al₂o₃ tăng), dẫn đến ăn mòn hoạt động.

Quá trình oxy hóa nhiệt độ cao

Trên ~ 200 ° C trong không khí, Lớp oxit phát triển dày hơn (lên đến micromet) Trong một xu hướng tỷ lệ parabol.

Trong khi vẫn bảo vệ, Sự mở rộng nhiệt khác biệt giữa Al và Al₂o₃ có thể gây ra sự phát triển nếu được làm mát nhanh chóng. Trong các thành phần động cơ (VÍ DỤ., pistons), Thiết kế tài khoản cho sự tăng trưởng oxit có kiểm soát.

Ăn mòn điện

Khi nhôm tiếp xúc với kim loại cao quý hơn (Thép, đồng) với sự hiện diện của chất điện phân, nhôm trở thành cực dương và ăn mòn ưu tiên.

Cách nhiệt hoặc bảo vệ catốt thích hợp ngăn chặn cuộc tấn công điện.

5. Các loại ăn mòn nhôm

Mặc dù màng oxit bản địa nhôm, có sự bảo vệ đáng kể trong nhiều điều kiện, Các môi trường và ứng suất khác nhau có thể kích hoạt các chế độ ăn mòn riêng biệt.

Ăn mòn đồng đều

Ăn mòn đồng đều (Đôi khi được gọi là ăn mòn chung) liên quan đến sự mất kim loại tương đối thậm chí trên các bề mặt tiếp xúc.

Bằng nhôm, Ăn mòn đồng đều xảy ra khi oxit bảo vệ (Al₂o₃) hòa tan hoặc trở nên không ổn định về mặt hóa học, cho phép kim loại cơ bản bị oxy hóa với tốc độ gần như không đổi.

Ăn mòn rỗ

Rỗ bắt đầu khi clorua hoặc các anion hung hăng khác vi phạm hàng rào thụ động tại một điểm cục bộ.

Một khi một hạt nhân tạo ra, Axit hóa cục bộ xảy ra (Do quá trình thủy phân Al³⁺ hòa tan), Alumina hòa tan hơn nữa và tăng tốc độ sâu hố.

Hình thái hố thường hẹp và sâu, làm cho nó trở nên khó khăn để phát hiện trước khi thâm nhập đáng kể.

Ăn mòn giữa các hạt

Ăn mòn giữa các hạt (IGC) tấn công khu vực ranh giới hạt tốt hơn, thường thì các yếu tố hợp kim đã kết tủa trong quá trình xử lý nhiệt (VÍ DỤ., ở nhiệt độ 150 bóng350 ° C).

Những kết tủa này (Cu - giàu, Mg₂si, hoặc al₂cu) Làm cạn kiệt ma trận liền kề của các chất hòa tan hợp kim, Tạo ra một con đường anốt hẹp dọc theo ranh giới hạt.

Khi chìm trong môi trường ăn mòn, ranh giới hạt ăn mòn trước nội thất hạt, dẫn đến việc giảm ngũ cốc hoặc các đường dẫn thất bại giòn.

Vết nứt căng thẳng căng thẳng (SCC)

SCC là chế độ thất bại hiệp đồng yêu cầu ba điều kiện: một hợp kim nhạy cảm, một môi trường ăn mòn, và căng thẳng kéo (dư hoặc áp dụng).

Trong những điều kiện này, Các vết nứt bắt đầu tại giao diện kim loại/oxit và lan truyền giữa các tế bào hoặc xuyên suốt ở mức độ căng thẳng thấp hơn cường độ năng suất.

Ăn mòn kẽ hở

Ăn mòn kẽ hở phát triển ở các khu vực được che chắn hoặc giới hạn, Đầu đinh tán, hoặc các khớp nối, trong đó một chất điện phân trì trệ trở nên cạn kiệt oxy.

Trong kẽ hở, Sự hòa tan kim loại tạo ra Al³⁺ và axit hóa môi trường cục bộ (Al₂O₃ → Al³⁺ + 3Oh⁻).

Phản ứng catốt (giảm oxy) xảy ra bên ngoài kẽ hở, Lái xe giải thể anodic tiếp theo bên trong.

Các ion clorua tập trung vào kẽ hở để duy trì tính trung lập điện tích, tăng tốc tấn công.

Bảng tóm tắt - Cơ chế ăn mòn nhôm

6. Hiệu ứng hợp kim đối với khả năng chống ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn nội tại nhôm từ sự hình thành nhanh chóng của một loại mỏng, oxit nhôm tuân thủ (Al₂o₃) phim ảnh.

Tuy nhiên, trong thực hành kỹ thuật, Gần như tất cả nhôm cấu trúc được sử dụng ở dạng hợp kim, và mỗi nguyên tố hợp kim có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định và bảo vệ lớp oxit.

Nhôm tinh khiết vs. Hợp kim nhôm

• Nhôm tinh khiết (1100 loạt): Kháng ăn mòn đặc biệt do intermetallics tối thiểu; được sử dụng cho thiết bị hóa học.
• 2Sê -ri XXX (Al-Cu): Kháng ăn mòn thấp hơn, Đặc biệt là hợp kim cứng kết tủa (VÍ DỤ., 2024), dễ bị scc và tấn công giữa các tế bào.
• 5Sê -ri XXX (AlTHER mg): Kháng ăn mòn hàng hải tốt; chung trong thân tàu (VÍ DỤ., 5083, 5052).
• 6Sê -ri XXX (Al -mg -i): Sức mạnh cân bằng và khả năng chống ăn mòn; được sử dụng rộng rãi trong các công tác kiến ​​trúc (VÍ DỤ., 6061).
• 7Sê -ri XXX (AlTHER ZnTHER MG): Sức mạnh rất cao nhưng dễ bị SCC dễ bị điều trị thích hợp.

Vai trò của đồng, Magiê, Silicon, Kẽm, và các yếu tố khác

• đồng: Tăng sức mạnh nhưng giảm khả năng chống ăn mòn và khả năng chống rỗ.
• Magiê: Tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển nhưng có thể thúc đẩy ăn mòn giữa các hạt nếu không được kiểm soát.
• Silicon: Cải thiện tính trôi chảy và khả năng đúc; Hợp kim như A356 cho thấy hiệu suất ăn mòn khiêm tốn.
• Kẽm: Góp phần vào sức mạnh nhưng làm giảm khả năng chống ăn mòn chung.
• Các yếu tố dấu vết (Fe, Mn, Cr): Giảm thiểu bất lợi intermetallics; MN giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt, lợi ích hành vi ăn mòn.

Xử lý nhiệt và ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

• Dung dịch xử lý nhiệt và lão hóa: Hòa tan kết tủa có hại, Giảm ăn mòn giữa các hạt.
• Thừa thãi: Kết tủa thô ở ranh giới hạt có thể làm xấu đi sự ăn mòn.
• Lượng mưa cứng: Yêu cầu kiểm soát cẩn thận để cân bằng sức mạnh và sự ăn mòn.
• Công việc nhiệt: Làm việc lạnh (VÍ DỤ., lăn) có thể tạo ra các trật khớp giúp tăng cường ăn mòn cục bộ trừ khi tiếp theo là ủ thích hợp.

7. Các biện pháp bảo vệ và phương pháp điều trị bề mặt

Anodizing

• Quá trình: Quá trình oxy hóa điện phân xây dựng lớp al₂o₃ dày hơn (10Mùi25 μm).
• Loại:

• • Axit sunfuric Anodizing (Loại II): Chung cho các sản phẩm kiến ​​trúc và tiêu dùng (có thể tô màu).
  • Khó anod hóa (Loại III): Dày hơn (25Mạnh100 μm), Kháng mòn cao; được sử dụng trong máy móc và không gian vũ trụ.
  • Anod hóa axit chromic (Loại i): Mỏng hơn (5Mạnh10 μm), Kháng ăn mòn tốt hơn, Thay đổi chiều tối thiểu; được sử dụng cho các thành phần hàng không vũ trụ.

• Những lợi ích: Tăng cường bảo vệ ăn mòn, Cải thiện độ bám dính cho sơn, Kết thúc trang trí.

Lớp phủ chuyển đổi

• Lớp phủ chuyển đổi cromat: Dựa trên crôm hexavalent hoặc trivalent; Cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt và độ bám dính sơn.
  Mối quan tâm về môi trường đang thúc đẩy các lựa chọn thay thế hóa trị ba.
• Lớp phủ phốt phát: Ít phổ biến hơn trên nhôm; Thỉnh thoảng được sử dụng để cải thiện độ bám dính sơn.
• Giải pháp thay thế không chrome: Dựa trên fluoride, zirconate, hoặc hóa chất titanate cung cấp bảo vệ ăn mòn mà không có crom hexavalent.

Lớp phủ hữu cơ

• Sơn chất lỏng: Các mồi Epoxy, Topcoats polyurethane, hoặc kết thúc fluoropolymer bảo vệ chống lại độ ẩm và tia cực tím.
• sơn tĩnh điện: Polyester, Epoxy, hoặc bột polyurethane được áp dụng và nướng để tạo thành phim bền. Bảo hiểm dày hơn chống ăn mòn và mài mòn.

Bảo vệ catốt và cực dương hiến tế

• Cực dương hy sinh (Kẽm, Magiê): Được sử dụng trong nước biển để bảo vệ các cấu trúc nhôm ngập; cực dương ăn mòn ưu tiên.
• Ấn tượng hiện tại: Ít phổ biến hơn đối với các mặt hàng nhôm nhỏ; được sử dụng cho các cấu trúc biển lớn.

8. Phần kết luận

Nhôm không Không phải là rỉ sét theo nghĩa thông thường, Nhưng nó không ăn mòn, thường tạo thành một lớp oxit ổn định bảo vệ nó khỏi cuộc tấn công tiếp theo.

Vật chất chống ăn mòn, kết hợp với tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của nó, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ngành công nghiệp từ hàng không vũ trụ đến xây dựng.

Tuy nhiên, Hiểu các cơ chế ăn mòn của nó, giới hạn môi trường, và các biện pháp bảo vệ là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của nó.

Bằng cách kết hợp hợp kim đúng, Xử lý bề mặt, và cân nhắc thiết kế, Nhôm có thể cung cấp hàng thập kỷ dịch vụ không cần bảo trì.

 

Những quan niệm sai lầm phổ biến

Mặc dù hành vi ăn mòn nhôm, đã được nghiên cứu rộng rãi, Một số hiểu lầm vẫn tồn tại trong cả công nghiệp và diễn ngôn phổ biến.

Giải quyết những quan niệm sai lầm này giúp các kỹ sư, nhà thiết kế, và người dùng cuối đưa ra quyết định sáng suốt khi chọn hoặc duy trì các thành phần nhôm.

"Nhôm không bao giờ ăn mòn"

Một niềm tin rộng rãi cho rằng nhôm không thấm vào tất cả các hình thức ăn mòn. Trong thực tế, Mặc dù nhôm không bị gỉ như thép, nó vẫn trải qua sự ăn mòn.

Màng oxit tự nhiên của nó (Al₂o₃) Các hình thức gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với không khí, Cung cấp tuyệt vời - nhưng không phải là sự bảo vệ tuyệt đối.

Trong các điều kiện tích cực như môi trường giàu clorua hoặc cống axit, Lớp thụ động đó có thể bị hỏng, dẫn đến rỗ hoặc ăn mòn kẽ hở.

Vì thế, Trong khi nhôm thường vượt trội so với thép không tráng, nó vẫn đòi hỏi lựa chọn hợp kim thích hợp và xử lý bề mặt cho tuổi thọ.

“Bột màu trắng trên nhôm là vô hại”

Khi bề mặt nhôm phát triển màu trắng, dư lượng bột, thường gọi là.

Tuy nhiên, Bột này là kết quả từ các mỏ hydroxit hoặc cacbonat hình thành dưới độ ẩm cao hoặc tiếp xúc với hóa chất.

Không được giải quyết, Những tiền gửi này có thể giữ được độ ẩm đối với kim loại, thúc đẩy sự ăn mòn cục bộ bên dưới sự tích tụ.

Ứng dụng Lớp phủ bảo vệ và làm sạch thường xuyên là rất quan trọng để ngăn ngừa thiệt hại tiềm ẩn, đặc biệt là trên tấm kim loại hoặc các thành viên cấu trúc.

“Tất cả các hợp kim nhôm đều có cùng một hành vi ăn mòn”

Một quan niệm sai lầm khác là tất cả các hợp kim nhôm đều thể hiện khả năng chống ăn mòn đồng nhất. Trong thực tế, Các yếu tố hợp kim làm thay đổi đáng kể hiệu suất.

Ví dụ, 5Sê -ri XXX (Mang mg) Hợp kim cho thấy sức đề kháng tuyệt vời trong môi trường biển,

Trong khi đó 2xxx và 7xxx Series (Cu- và mang Zn) dễ bị rỗ và nứt nẻ căng thẳng nếu không được điều trị.

Giả sử chi phí thấp, Hợp kim cường độ cao sẽ đủ trong mọi môi trường có nguy cơ thất bại sớm.

Như vậy, Chỉ định chuỗi chính xác và tính khí - và có thể áp dụng anodizing hoặc ốp.

Ăn mòn Galvanic chỉ có vấn đề trong điều kiện khắc nghiệt ”

Một số nhà thiết kế nghĩ rằng ăn mòn điện chỉ xảy ra trong dịch vụ rất tích cực hoặc ngập nước.

Trong sự thật, thậm chí theo dấu vết của độ ẩm, chẳng hạn như sương buổi sáng trong khí hậu ven biển, có thể tạo đủ độ dẫn

Để bắt đầu một tế bào điện giữa ốc vít nhôm và dây đồng, hoặc trang trí bằng nhôm tiếp xúc với thép không gỉ.

Theo thời gian, Nhôm anốt sẽ ăn mòn ưu tiên, dẫn đến việc nới lỏng chung hoặc suy yếu cấu trúc.

Để tránh điều này, Các kỹ sư phải luôn cách nhiệt kim loại không giống nhau hoặc chỉ định ốc vít tương thích.

"Anodizing làm cho nhôm hoàn toàn chống ăn mòn"

Anodizing chắc chắn cải thiện khả năng chống ăn mòn bằng cách làm dày lớp oxit, Nhưng nó không làm cho nhôm bất khả xâm phạm.

Bề mặt cứng có thể phát triển các vicrocracks nếu tiếp xúc với xe đạp nhiệt hoặc căng thẳng cơ học, Và không có niêm phong thích hợp, Chúng vẫn còn xốp cho các ion hung hăng.

Do đó, Chỉ dựa vào một anodize axit-axit tiêu chuẩn cho môi trường biển có thể dẫn đến rỗ theo thời gian.

Kết hợp anodizing với chất bịt kín, Topcoats, hoặc bảo vệ catốt thường trở nên cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu.

“Độ tinh khiết cao nhôm làm giảm bớt tất cả các mối quan tâm ăn mòn

Độ tinh khiết không tăng cường khả năng chống oxy hóa nhôm nhôm đối với quá trình oxy hóa, Tuy nhiên, thậm chí 99.99% nhôm tinh khiết có thể bị ăn mòn kẽ hở dưới miếng đệm hoặc bên trong vỏ kín.

Trace tạp chất Iron, Silicon, đồng - có xu hướng tập trung tại các ranh giới hạt, Tạo các tế bào điện cục bộ.

Trong thực tế, Hợp kim nhôm rất tinh khiết (VÍ DỤ., 1100) Tìm sử dụng hạn chế trong các ứng dụng cấu trúc chính xác vì chúng thiếu sức mạnh cơ học để bù đắp cho cuộc tấn công cục bộ.

Cân bằng độ tinh khiết với các yếu tố hợp kim cần thiết vẫn cần thiết.