Алюминий широко известен своей устойчивостью к коррозии, но многие инженеры и покупатели до сих пор задаются вопросом, может ли он "ржаветь" так же, как железо или сталь. Путаница понятна - и алюминий, и сталь являются металлическими конструкционными материалами, и оба они могут разрушаться при определенных условиях окружающей среды. Однако механизмы, лежащие в основе этого разрушения, принципиально различны. Прежде чем рассматривать поведение алюминия, необходимо понять, что на самом деле означает "ржавчина" с точки зрения металлургии и электрохимии.
Что такое ржавчина?
Ржавчина - это термин, обозначающий электрохимическую реакцию, которая происходит при воздействии кислорода и влаги на черные металлы, такие как железо и сталь. Химически ржавчина представляет собой окисление железа с образованием гидратированного оксида железа (Fe₂O₃-nH₂O), рыхлого, пористого и хрупкого красновато-коричневого вещества. Этот оксидный слой не является защитным; напротив, он постоянно отслаивается от поверхности, обнажая новое железо под ним и позволяя коррозии проникать все глубже в материал. Такое самоускоряющееся разрушение объясняет, почему ржавчина может быстро нарушить структурную целостность металлов на основе железа и почему алюминий, не содержащий железа, ведет себя принципиально иначе.
Ржавеет ли алюминий
Нет. Строго говоря, алюминий не ржавеет, потому что "ржавчина" означает именно окисление железа. Алюминий не содержит элементов железа и поэтому не может образовывать гидратированный оксид железа. Однако это не означает, что алюминий абсолютно не подвержен коррозии. Как и все активные металлы, алюминий подвергается окислительная коррозия при контакте с воздухом. Но в отличие от железа, оксид алюминия -оксид алюминия ($\text{Al}_2\text{O}_3$)- стабилен и обладает самозащитными свойствами.
Как корродирует алюминий
Уникальная устойчивость алюминия к атмосферному разрушению обусловлена его внутренней химической реакцией с кислородом, в результате которой сразу же образуется защитный слой.
Натуральная оксидная пленка
Когда свежая алюминиевая поверхность подвергается воздействию воздуха, она вступает в реакцию мгновенно с кислородом, образуя чрезвычайно тонкий, плотный и непористый слой оксида алюминия ($\text{Al}_2\text{O}_3$). Толщина этой защитной пленки обычно составляет всего $2 \text{-} 10 \text{нанометров}$. Это натуральная оксидная пленка обладает высокой химической инертностью и эффективно предотвращает контакт кислорода и влаги с подстилающим металлом, что в значительной степени препятствует дальнейшей коррозии. Именно эта самопассивирующаяся пленка придает алюминию превосходную коррозионную стойкость.
Когда возникает коррозия
Несмотря на защиту, обеспечиваемую естественной оксидной пленкой, коррозия алюминия все же может возникнуть при определенных экстремальных условиях:
- Среды с высоким или низким уровнем pH: Пленка оксида алюминия неустойчива в среде сильных кислот (pH ниже 4) или сильных щелочей (pH ниже 9), где она может быть растворена. Как только защитная пленка нарушается, алюминиевая подложка обнажается, что ускоряет коррозию.
- Присутствие галоидных ионов: Хлорид-ионы ($\text{Cl}^-$), особенно распространенные в морской воде или соленой среде, могут проникать в оксидную пленку или разрушать ее, инициируя точечная коррозия.
- Высокая температура и влажность: Хотя вначале коррозия идет медленно, в жарких и влажных условиях ее скорость возрастает.
- Гальванический эффект: Когда алюминий соединяется с более благородным металлом (например, медью, никелем или сталью), алюминий выступает в роли анода и преимущественно корродирует.
Распространенные формы коррозии
Наиболее распространенные формы коррозии алюминия включают:
- Питтинговая коррозия: Это наиболее распространенная и часто разрушительная форма коррозии алюминия. Галоидные ионы, такие как хлорид, создают небольшие локальные отверстия в оксидной пленке, и коррозия проникает глубоко, образуя крошечные, глубокие ямки.
- Щелевая коррозия: Возникает в узких зазорах между алюминием и другим металлом или неметаллическим материалом. Разница в концентрации кислорода разрушает оксидную пленку в щели, создавая локальный анод, на котором происходит коррозия.
- Гальваническая коррозия: Когда алюминий находится в прямом контакте с благородным металлом (например, медью или нержавеющей сталью) в присутствии электролита (воды или влаги), алюминий жертвует собой как активным металлом, чтобы защитить благородный металл.
- Отшелушивание: Обычно в высокопрочных алюминиевых сплавах с направленной зернистой структурой коррозия распространяется по границам зерен параллельно поверхности, вызывая наслоение или отслаивание металла.
Как выглядит коррозия алюминия
Когда алюминий корродирует, его внешний вид значительно отличается от ржавчины на железе:
- Белое порошкообразное вещество: Продукты коррозии алюминия - это, в основном, гидроксид или оксид алюминия, выглядящие как рыхлая масса, Белые или небелые порошкообразные пятна или накипь, прилипшая к поверхности.
- Шелушение или волдыри: Сильное шелушение или изъязвление может привести к незначительным волдыри или шелушение поверхности покрытия или подложки.
- Нераспространенный характер: В отличие от ржавчины, которая постоянно распространяется, продукты коррозии, однажды образовавшись, обычно остаются локализовано вокруг очага коррозии и распространяются очень медленно, если их не удалить механическим или химическим способом.
- Тусклая поверхность: На начальных стадиях коррозии блеск алюминия уменьшается, а поверхность становится тусклый и потускневший.
Алюминий против железа против стали
Чтобы в полной мере оценить коррозионную стойкость алюминия, необходимо сначала понять, как его фундаментальное химическое поведение отличается от поведения обычных черных металлов.
Поведение ржавчины
Коррозия алюминия - это химическое образование оксид алюминия ($\text{Al}_2\text{O}_3$), который представляет собой плотный, твердый материал, самопассивирующийся защитная пленка, которая приводит к прекращению коррозии. Визуально коррозия алюминия проявляется в виде белых или белесых порошкообразных пятен. В отличие от этого, ржавление железа и стали означает образование гидратированный оксид железа ($\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}$), пористое вещество, которое не обеспечивает защиты и постоянно отслаивается, заставляя коррозию проникать все глубже, пока металл не будет полностью изъеден. Железная ржавчина имеет характерный красновато-коричневый вид.
Устойчивость к коррозии
В большинстве естественных атмосферных условий общая коррозионная стойкость алюминия значительно выше, чем у незащищенной углеродистой стали и чистого железа. Это объясняется тем, что алюминий полагается на свою самопассивирующую пленку, которая создает эффективный барьер уже на начальной стадии коррозии. Углеродистая сталь и железо лишены этого врожденного защитного механизма и требуют внешних мер, таких как цинкование или покрытие, чтобы достичь сравнимой с алюминием коррозионной стойкости. Однако в высокохлоридных средах или в условиях сильной щелочи/сильной кислоты для сохранения превосходной коррозионной стойкости алюминия необходима специальная обработка поверхности (например, анодирование).
Как защитить алюминий от коррозии
Профилактика коррозии алюминия направлена на сохранение и укрепление его естественной оксидной пленки.
Поверхностные покрытия
Искусственное укрепление оксидной пленки или нанесение внешнего покрытия - наиболее эффективный способ повысить долговечность алюминия:
- Анодирование: Это самый распространенный метод защиты. Электрохимический процесс формирует на поверхности алюминия твердый оксидный слой, который в сотни раз толще естественной пленки, что значительно повышает коррозионную и износостойкость.
- Жидкая живопись: Нанесение высокоэффективных покрытий, таких как эпоксидные или полиуретановые, создает внешний физический барьер.
- Порошковое покрытие: Обеспечивает толстую, устойчивую к истиранию и не содержащую летучих органических соединений полимерную пленку, особенно подходящую для наружных и промышленных условий.
- Электрофоретическое покрытие: Подходит для деталей сложной формы, обеспечивая равномерную, тонкую защиту.
Дизайн и использование
Соответствующее проектирование и контроль окружающей среды могут снизить риски коррозии:
- Избегайте скопления воды: Конструкция должна предотвращать скопление влаги и электролитов в щелях.
- Изолируйте гальванический контакт: Для предотвращения гальванической коррозии необходимо использовать изоляцию - например, прокладки или непроводящие покрытия - в местах контакта алюминия с благородными металлами (например, медью или нержавеющей сталью).
- Контроль окружающей среды: Избегайте длительного воздействия высокохлористой, сильнокислой или сильнощелочной среды.
Выбор материала
Правильный выбор алюминиевого сплава помогает противостоять коррозии в определенных условиях:
- Чистый алюминий (серия 1xxx): Отличная коррозионная стойкость, но низкая прочность.
- Сплавы серии 5xxx (магнийсодержащие): Обладает высокой коррозионной стойкостью, отлично работает в морской и соленой воде.
- Сплавы серий 2xxx и 7xxx (медь/цинксодержащие): Как правило, обладают высокой прочностью, но меньшей коррозионной стойкостью и обычно требуют анодирования или нанесения защитного покрытия.
Заключение
Хотя алюминий не "ржавеет", как железо, он подвергается окислительной коррозии с помощью механизма самозащиты. Превосходная коррозионная стойкость алюминия обусловлена тем, что его поверхность плотная защитная пленка из оксида алюминия. В современном производстве используются такие передовые методы обработки поверхности, как анодирование и порошковое покрытие используются для повышения стойкости алюминия, обеспечивая его долговременное и надежное применение в различных областях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, строительство и электроника.
Если вам нужны коррозионностойкие компоненты из литого алюминия для вашего следующего проекта, загрузите свои рисунки чтобы получить быстрый обзор DFM и предложение от наших инженеров-литейщиков.
