铝生锈了吗？

1. 介绍

问题 “铝生锈了?透明 材料工程经常出现, 工业设计, 甚至日常DIY项目.

严格来说, 生锈是氧化铁, 铁和钢的片状红棕色腐蚀产物.

因为铝会形成不同的氧化物 (氧化铝), 从技术上讲，它不会以铁的方式生锈. 尽管如此, 铝会在某些条件下腐蚀.

本文解释了铝氧化背后的化学反应, 将其与铁生锈对比, 检查各种腐蚀模式, 并概述了保护策略.

2. 定义“锈” vs. 氧化铝

从技术上讲, 生锈是指红棕色片状物质 - 氧化铁 - 当铁与氧气和水分反应时形成.

铝, 是一种非有产金属, 不要以这种方式生锈. 反而, 它经历了 氧化, 努力, 无色, 和粘附的层 氧化铝 (al₂o₃).

该氧化物层几乎立即形成空气和水, 创建一种自然障碍，以抑制进一步的腐蚀.

虽然这个过程有时将其称为“白锈”, 它与钢的生锈根本不同.

3. 铝上的保护性氧化物层

天然氧化物形成和厚度

空气暴露后立即, 铝发展出约2-5 nm厚度的天然氧化物. 电影制作研究 (XPS, 椭圆法) 确认该层在几秒钟内形成.

在干空气中, 厚度高原; 在潮湿的环境中, 它会略微增厚 (5–10 nm) 但仍然保护性.

自passivation机制

如果一小块刮擦破坏了氧化物, 在氧化下的新鲜铝来修复膜.

这 自我修复 只要存在足够的氧气或水蒸气，机制就可以确保持续的保护.

在有限的氧气设置中 (例如。, 水下停滞的水), 钝化仍然可以发生，但可能会慢慢.

Al₂o₃的机械和化学特性

氧化铝是:

• 难的 (MOHS〜9), 增加表面划痕阻力.
• 化学稳定 在中性和碱性培养基中 9, 虽然在强酸性中攻击 (ph < 4) 或碱 (ph > 9) 环境.
• 低电导率, 可以促进局部腐蚀 (例如。, 点缀) 在某些条件下.

4. 铝在各种环境中的腐蚀行为

大气暴露

• 干燥的气候: 超出天然膜的最小进一步氧化; 外观仍然有光泽.
• 潮湿的空气: 氧化物层略微增厚, 维持保护. 污染物 (所以₂, 不) 可以酸性露水, 引起轻度的斑点.
• 海洋气氛: 含有氯化物的气溶胶攻击氧化, 如果没有防护涂层，则导致点缀.

水环境

• 淡水: 铝抵抗温和的中性水, 形成稳定的al₂o₃.
• 海水: 高氯化物 (〜19,000 ppm) 促进 点腐蚀. 小坑可以形成, 但是均匀的腐蚀仍然很低.
• 酸性/碱性溶液:

• • ph < 4: 氧化物溶解, 将裸金属暴露于快速攻击.
  • ph > 9: 氧化物也溶解 (Al₂o₃溶解度增加), 导致主动腐蚀.

高温氧化

空气中的〜200°C以上, 氧化物层生长较厚 (到微米) 抛物线率趋势.

虽然仍然保护, 如果迅速冷却，Al和Al₂o₃之间的差分热膨胀可以诱导散布. 在发动机组件中 (例如。, 活塞), 设计占氧化物生长的控制.

电腐蚀

当铝接触更高的金属时 (钢, 铜) 在存在电解质的情况下, 铝变为阳极，优先腐蚀.

适当的绝缘或阴极保护可以防止电阵攻击.

5. 铝腐蚀的类型

尽管铝的本地氧化物膜在许多条件下提供了实质性的保护, 各种环境和压力会触发不同的腐蚀模式.

均匀的腐蚀

均匀的腐蚀 (有时称为一般腐蚀) 涉及在裸露的表面上相对均匀的金属损失.

在铝中, 当保护性氧化物时发生均匀的腐蚀 (al₂o₃) 溶解或化学不稳定, 允许下面的金属以几乎恒定的速率氧化.

点腐蚀

当氯化物或其他侵略性阴离子在局部位置违反被动障碍物时，点点开始.

一旦坑核, 发生局部酸化 (由于溶解的Al³⁺水解), 进一步溶解氧化铝并加速凹坑深度.

凹坑形态通常是狭窄而深的, 在大量渗透之前检测到具有挑战性.

晶间腐蚀

晶间腐蚀 (IGC) 优先攻击晶界区域, 通常在热处理期间沉淀合金元素的地方 (例如。, 在温度150–350°C下).

这些沉淀 (Cu -rich, mg₂si, 或al₂cu) 耗尽合金溶质的相邻基质, 沿晶界创建狭窄的阳极路径.

当沉浸在腐蚀性环境中时, 晶界在谷物内部腐蚀, 导致谷物掉落或脆弱的故障路径.

应力腐蚀破裂 (SCC)

SCC是一种协同失败模式，需要三个条件: 易感合金, 腐蚀性环境, 和拉伸应力 (残留或应用).

在这些条件下, 在金属/氧化物界面启动的裂纹，并在应力水平较低的压力水平上循环或跨性别地传播.

缝隙腐蚀

缝隙腐蚀发生在屏蔽或限制区域（在垫圈）中发生, 铆钉头, 或圈接头 - 停滞的电解质被氧气耗尽.

在缝隙内, 金属溶解会产生Al³⁺并酸化当地环境 (al₂o₃→al³⁺ + 3哦).

阴极反应 (还原氧) 发生在缝隙外, 进一步驱动内部阳极溶解.

氯离子集中在缝隙中以保持电荷中立性, 加速攻击.

摘要表 - 铝腐蚀机制

6. 对耐腐蚀性的合金作用

铝的固有腐蚀性源于薄的快速形成, 粘附的氧化铝 (al₂o₃) 电影.

然而, 在工程实践中, 几乎所有结构铝都以合金形式使用, 每个合金元件都会显着影响氧化物层的稳定性和保护.

纯铝与. 铝合金

• 纯铝 (1100 系列): 由于金属间最小的耐腐蚀性; 用于化学设备.
• 2XXX系列 (al-cu): 较低的耐腐蚀性, 尤其是降水固定的合金 (例如。, 2024), 容易出现SCC和晶间攻击.
• 5XXX系列 (Al – Mg): 良好的海洋腐蚀性; 在船体中常见 (例如。, 5083, 5052).
• 6XXX系列 (al -mg -i): 平衡强度和耐腐蚀性; 广泛用于建筑挤出 (例如。, 6061).
• 7XXX系列 (Al – Zn – Mg): 强度很高，但很容易受到SCC的影响，没有适当的治疗.

铜的作用, 镁, 硅, 锌, 和其他元素

• 铜: 增加强度，但降低了耐腐蚀性和耐蚀性.
• 镁: 增强海洋环境中的耐腐蚀性，但如果不控制，可以促进晶间腐蚀.
• 硅: 提高流动性和可is性; A356等合金显示适度的腐蚀性能.
• 锌: 有助于强度，但降低了一般腐蚀性.
• 跟踪元素 (铁, Mn, Cr): 最大程度地减少有害的金属间; MN有助于完善谷物结构, 受益于腐蚀行为.

热处理和微结构影响

• 溶液热处理和衰老: 溶解有害的沉淀物, 减少晶间腐蚀.
• 过度: 在晶界处的浓缩沉淀会恶化腐蚀.
• 降水硬化: 需要仔细控制以平衡强度和腐蚀.
• 热工作: 冷工作 (例如。, 滚动) 除非进行适当的退火，否则会产生可增强局部腐蚀的位错.

7. 保护措施和表面处理

阳极氧化

• 过程: 电解氧化构建一个较厚的al₂o₃层 (10–25μm).
• 类型:

• • 硫酸 阳极氧化 (II型): 建筑和消费产品常见 (可着色).
  • 硬氧化 (III型): 较厚 (25–100μm), 高磨损阻力; 用于机械和航空航天.
  • 铬酸阳极氧化 (类型I。): 更薄 (5–10μm), 更好的耐腐蚀性, 最小的尺寸变化; 用于航空航天组件.

• 好处: 增强的腐蚀保护, 改善了油漆的粘附, 装饰饰面.

转换涂层

• 镀铬转化涂层: 六价或三价铬; 提供良好的耐腐蚀性和油漆粘附.
  环境问题正在推动三价替代方案.
• 磷酸盐涂料: 铝不太常见; 偶尔用于改善油漆粘附.
• 非晶状替代品: 基于氟化物, 锆石, 或具有六价铬的耐腐蚀保护的钛酸化学条件.

有机涂料

• 液体油漆: 环氧底漆, 聚氨酯面漆, 或荧光聚合物饰面可预防水分和紫外线.
• 粉末涂料: 聚酯纤维, 环氧树脂, 或烘烤聚氨酯粉末以形成耐用的薄膜. 较厚的覆盖范围可抵抗腐蚀和磨损.

阴极保护和牺牲阳极

• 牺牲阳极 (锌, 镁): 在海水中用于保护淹没的铝结构; 阳极优先腐蚀.
• 印象深刻的电流: 小铝件不太常见; 用于大型海洋结构.

8. 结论

铝确实 不要生锈 从传统意义上, 但是它 确实腐蚀, 通常形成稳定的氧化物层，以保护其免受进一步攻击.

材料抵抗腐蚀, 结合其强度与权重的比率, 使其非常适合从航空到建筑的行业.

然而, 了解其腐蚀机制, 环境局限性, 保护措施对于确保其寿命和绩效至关重要.

通过结合正确的合金, 表面处理, 和设计注意事项, 铝可以提供数十年的无维护服务.

 

常见的误解

即使已经对铝的腐蚀行为进行了广泛的研究, 几种误解在行业和流行的话语中都存在.

解决这些误解有助于工程师, 设计师, 最终用户在选择或维护铝制组件时做出明智的决定.

“铝永远不会腐蚀”

广泛的信念认为，铝不渗透到各种形式的腐蚀. 实际上, 虽然铝不像钢铁生锈, 它仍然经历腐蚀.

它的天然氧化物膜 (al₂o₃) 暴露在空中时几乎立即形成, 提供出色（但不是绝对）保护.

在侵略性条件下，例如富含氯化物的环境或酸性排水, 那个被动层可以分解, 导致凹痕或缝隙腐蚀.

所以, 而铝通常胜过未涂层的钢, 它仍然需要适当的合金选择和寿命的表面处理.

“铝上的白色粉末无害”

当铝表面形成白色时, 粉状残留物（通常称为“白锈”），许多人认为它没有构成威胁.

然而, 该粉末是由在高湿度或化学暴露下形成的氢氧化物或碳酸盐沉积物引起的.

剩下的, 这些沉积物可以将水分保留在金属上, 在堆积下促进局部腐蚀.

定期清洁和保护性涂料应用对于防止潜在损坏至关重要, 特别是在裸露的钣金或结构成员上.

“所有铝合金都具有相同的腐蚀行为”

另一个误解是所有铝合金都表现出均匀的腐蚀性. 实际上, 合金元素极大地改变了性能.

例如, 5XXX系列 (毫克) 合金在海洋环境中表现出极好的阻力,

而2xxx和7xxx系列 (铜- 和Zn) 如果不处理.

假设低成本, 高强度合金在每个环境中都足够的风险过早故障.

因此, 指定正确的系列和脾气，并可能应用阳极氧化或覆层 - 确保所需的使用寿命.

“电腐蚀仅在极端条件下很重要”

一些设计师认为电流腐蚀仅发生在高度侵略性或淹没的服务中.

实际上, 甚至微量的水分, 例如沿海气候中的早晨露水, 可以产生足够的电导率

在铝紧固件和铜线之间启动电池, 或与不锈钢接触的铝制装饰.

随着时间的推移, 阳极铝将优先腐蚀, 导致关节松动或结构削弱.

为了避免这种情况, 工程师应始终将不同的金属隔离或指定兼容的紧固件.

“阳极氧化使铝完全防腐”

阳极氧化无疑通过增厚的氧化物层改善了耐腐蚀性, 但这并不能使铝无敌.

如果暴露于热循环或机械应力，硬构的表面可能会产生微裂纹, 并且没有正确的密封, 它们仍然是侵略性离子的多孔.

最后, 仅依靠标准的硫酸酸盐阳极阳极以用于海洋环境可能会随着时间的流逝而导致点状.

将阳极氧与密封剂结合在一起, 面漆, 或对苛刻申请的必要条件通常是必需的.

“高纯度铝减轻所有腐蚀问题”

纯度确实增强了铝的先天抵抗力, 均匀 99.99% 纯铝可能会在垫片下或密封的外壳下遭受缝隙腐蚀.

痕量杂质 - 铁, 硅, 铜 - 倾向于集中在晶界, 创建局部电池.

实践, 非常高的铝合金 (例如。, 1100) 确定在结构应用中的使用有限，正是因为它们缺乏补偿局部攻击的机械强度.

平衡纯度与必要的合金元素仍然是必不可少的.