هل يصدأ الألومنيوم?

1. مقدمة

الجواب القصير هو لا: الألومنيوم لا يصدأ. الصدأ هو منتج التآكل المرتبط بالحديد والسبائك الغنية بالحديد مثل الفولاذ.

الألومنيوم يتصرف بشكل مختلف: عندما تتعرض للأكسجين, يشكل رقيقة, طبقة من أكسيد الألومنيوم ملتصقة بإحكام تعمل على إبطاء المزيد من الهجمات بدلاً من التقشر وكشف المعدن الجديد.

يعد فيلم الأكسيد هذا هو السبب الرئيسي وراء اعتبار الألومنيوم على نطاق واسع معدنًا مقاومًا للتآكل بشكل طبيعي.

هذا لا يعني أن الألومنيوم محصن ضد التآكل. وهذا يعني أن آلية التآكل مختلفة.

الألومنيوم يمكن أن وصمة عار, حفرة, تعاني من هجوم كلفاني, وتتحلل في البيئات العدوانية; فهو ببساطة لا يشكل "صدأ" بالمعنى الفني.

السؤال الحقيقي, ثم, ليس ما إذا كان الألومنيوم الصدأ, ولكن تحت أي ظروف تفشل طبقة الأكسيد الواقية أو تصبح غير كافية.

2. تعريف الصدأ: التمييز الحاسم بين الصدأ والتآكل

ما هو الصدأ?

الصدأ هو منتج التآكل المألوف ذو اللون البني المحمر الذي ينتج عندما يتفاعل الحديد أو الفولاذ مع الأكسجين والرطوبة. إنه مسامي, سيئة الالتصاق, ولا يحمي المعدن الأساسي.

نتيجة ل, يمكن أن يستمر التآكل في الانتشار بمجرد تشكل الصدأ. لا ينتج الألومنيوم كيمياء صدأ أكسيد الحديد. بدلاً من, سطحه يطور بسرعة طبقة مدمجة من أكسيد الألومنيوم.

التآكل مقابل. الصدأ: منظور أوسع

التآكل هو المصطلح الأوسع لعلم المواد. ويشير إلى التدهور البيئي للمعدن من خلال التفاعلات الكهروكيميائية أو الكيميائية.

تعتمد العديد من السبائك الهندسية على الأفلام السلبية لفائدتها; عندما تنهار تلك الأفلام محليا, والنتيجة هي تآكل موضعي مثل تآكل الشقوق أو التنقر بدلاً من الصدأ بالمعنى الضيق للحديد.

أكسدة الألومنيوم: لا الصدأ, بل درعا واقيا

يقاوم الألومنيوم نوع الأكسدة التدريجي الذي يتسبب في صدأ الفولاذ. يتحد سطحه المكشوف مع الأكسجين لتكوين طبقة خاملة من أكسيد الألومنيوم تبلغ سماكتها بضعة أجزاء من عشرة ملايين من البوصة.

يتمسك هذا الفيلم بإحكام, شفاف, ويمنع المزيد من الأكسدة. إذا تم خدشها, فإنه يعيد بسرعة.

3. علم أكسدة الألومنيوم: الآليات والخصائص

عملية الأكسدة: سريع, رفيع, وتقييد الذات

يتأكسد الألومنيوم بسرعة كبيرة عندما يتعرض للهواء أو الرطوبة, لكن رد الفعل يتصرف بشكل مختلف تمامًا عن تآكل الحديد.

على الألومنيوم المكشوف حديثًا, يتشكل فيلم أكسيد رقيق على الفور تقريبًا, وهذا الفيلم يبطئ نقل الأكسجين إلى السطح المعدني.

في معظم البيئات العادية, والنتيجة هي التخميل, تآكل غير مرئي بمعنى الصدأ.

طبقة الأكسيد الأصلية رقيقة للغاية, ملتصق, ومستقر بدرجة كافية لجعل الألومنيوم مقاومًا للتآكل بشكل طبيعي في الخدمة الجوية.

هذا هو السبب المعدني المركزي لعدم صدأ الألومنيوم.

الصدأ مادة مسامية, منتج تآكل غير وقائي; أكسيد الألومنيوم عبارة عن طبقة حاجزة مدمجة تمنع حدوث المزيد من التفاعلات بدلاً من تشجيعها.

من الناحية العملية, تعتبر كيمياء سطح الألومنيوم ذاتية الحماية في ظل العديد من الظروف الشائعة, ولهذا السبب يظل المعدن مستخدمًا على نطاق واسع في وسائل النقل, بناء, والمنتجات الاستهلاكية.

الخصائص الرئيسية لأكسيد الألومنيوم (al₂o₃)

السبب وراء عمل أكسيد الألومنيوم بشكل جيد كطبقة واقية هو أنه يحتوي على خصائص مختلفة بشكل أساسي عن صدأ الحديد.

يميل الصدأ إلى أن يكون خشنًا, مسامية, وقشاري, لذلك لا يحمي الفولاذ الأساسي بشكل فعال.

على النقيض من ذلك, أكسيد الألومنيوم مضغوط, ملتصقة بإحكام, ومستقر كيميائيًا عبر نافذة بيئية مفيدة.

تشير مراجع تآكل الألومنيوم إلى أن فيلم الأكسيد الأصلي مستقر تقريبًا PH 4 ل 8 يتراوح, بينما يمكن للأحماض أو القلويات الأقوى أن تذيبه.

وترد أدناه مقارنة أكثر تفصيلا.

آلية الشفاء الذاتي: الميزة الحاسمة

واحدة من أهم ميزات الألومنيوم هي وجود طبقة أكسيد الشفاء الذاتي. إذا كان السطح مخدوشًا أو مكشوفًا حديثًا, يتفاعل الأكسجين على الفور مع سطح الألومنيوم الجديد وتتشكل طبقة أكسيد جديدة مرة أخرى.

هذا لا يعني أن الألومنيوم محصن ضد جميع أنواع التآكل, ولكنه يعني أن الضرر السطحي البسيط لا يتصرف عادة مثل الانتشار, التآكل الذاتي الانتشار الذي يظهر في الحديد.

هذا السلوك الذاتي التخميل هو السبب الرئيسي الذي يجعل الألومنيوم مقاومًا للتآكل في الهواء.

يبلغ سمك طبقة الأكسيد بضعة نانومترات فقط في حالتها الطبيعية, ولكنه يكفي لمنع المزيد من الهجوم السريع في العديد من البيئات.

عندما بأكسيد, تصبح طبقة الأكسيد أكثر سمكًا وأكثر حماية, ولهذا السبب يمكن استخدام الألومنيوم المؤكسد عندما يكون المظهر والمتانة مهمين.

4. عندما يتآكل الألومنيوم: حدود طبقة الأكسيد

الظروف البيئية التي تكسر طبقة الأكسيد

البيئات الحمضية والقلوية

يكون أكسيد الألومنيوم الأصلي مستقرًا فقط ضمن نافذة درجة الحموضة المعتدلة. في الظروف الحمضية, يذوب الأكسيد بالهجوم الحمضي; في الظروف القلوية, يذوب عن طريق تكوين أنواع ألومينات مثل Al(أوه)₄⁻.

من الناحية العملية, يمكن للأحماض القوية والقواعد القوية أن تطغى على الطبقة الواقية وتكشف الألومنيوم الطازج بشكل مستمر.

البيئات الغنية بالكلوريد

الكلوريدات عدوانية بشكل خاص لأنها تتداخل مع التخميل وتعزز الانهيار الموضعي للفيلم.

توضح مراجعة التآكل الكلاسيكية على التنقر أن التنقر يحدث عندما ينهار الفيلم السلبي الواقي, وأن أيونات الكلوريد عادة ما تكون الأنواع العدوانية الرئيسية المعنية.

وبالتالي فإن البيئات الغنية بالكلوريد تشكل أحد أهم مخاطر التآكل لسبائك الألومنيوم.

البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة

في درجات حرارة مرتفعة, يظل الأكسيد الأصلي مهمًا, لكن مشكلة التصميم تتغير.

الطلاءات, المعالجات السطحية, ويصبح اختيار السبائك أكثر أهمية لأن التعرض الحراري يمكن أن يؤدي إلى تضخيم الأكسدة وتعطيل حماية السطح.

للألمنيوم, غالبًا ما يتم استخدام أفلام أكسيد الأنوديك الهندسية على وجه التحديد لأنها توفر حاجزًا وقائيًا أكثر قوة وقابلية للتحكم من الفيلم الأصلي وحده.

الأنواع الشائعة لتآكل الألومنيوم — وليس الصدأ

تآكل التآكل

التنقر هو انحلال موضعي يتطور حيث يتحلل الفيلم السلبي.

إنها واحدة من أهم أوضاع التآكل للألمنيوم لأنها يمكن أن تكون عميقة, محلية, ويصعب اكتشافها مبكرًا. يعد التلوث بالكلوريد محفزًا كلاسيكيًا.

التآكل الجلفاني

عندما يقترن الألمنيوم كهربائيا بمعدن أكثر نقاء في وجود الرطوبة, قد يتآكل الألومنيوم بشكل تفضيلي.

هذه مشكلة تصميمية بقدر ما هي مشكلة كيميائية: اتصال معدني مختلف, الرطوبة المحاصرة, والعزلة السيئة كلها تزيد من المخاطر.

تآكل الشقوق

يحدث تآكل الشقوق في المناطق المغطاة المحمية حيث تختلف الكيمياء المحلية عن السطح المفتوح.

ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتنقر لأن كلاهما ينشأ من انهيار الغشاء السلبي وعدم التوازن الكهروكيميائي الموضعي.

التآكل الخيطي

يظهر التآكل الخيطي بشكل عشوائي, أنفاق بيضاء غير متفرعة من منتجات التآكل, في كثير من الأحيان تحت الطلاء أو على المعدن غير المحمي.

وعادة ما يكون أكثر ضررا للمظهر من القوة, على الرغم من أنه يمكن ثقب الورقة الرقيقة.

التآكل بين الحبيبية

تكون بعض عائلات سبائك الألومنيوم عرضة للهجوم بين الحبيبات عندما تنتج صناعة السبائك أو المعالجة الحرارية هطولًا غير مناسب على حدود الحبوب.

والمثال الكلاسيكي هو السبائك المطاوع ذات نسبة المغنيسيوم العالية, حيث يمكن أن يؤدي ترسيب Al₈Mg₅ المستمر تقريبًا عند حدود الحبوب إلى زيادة القابلية للتقشير أو التشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل.

يمكن أيضًا أن تكون السبائك الغنية بالنحاس عرضة لأشكال الهجوم الحبيبية في بعض الظروف.

الألومنيوم "الصدأ الأبيض": تسمية خاطئة

"الصدأ الأبيض" ينتمي بشكل صحيح إلى الزنك والفولاذ المجلفن, ليس الألومنيوم.

عندما يظهر على الألومنيوم بقع بيضاء أو بقايا سطحية بيضاء, هذه الظاهرة عادة ما تكون شكلاً من أشكال تلطيخ الأكسيد أو منتج التآكل بدلاً من الصدأ الحقيقي.

بعبارة أخرى, قد يبدو المظهر مشابهًا لـ "الصدأ الأبيض".,لكن الكيمياء مختلفة.

5. سبائك الألومنيوم: كيف يؤثر التركيب على مقاومة التآكل

لا يتم تحديد مقاومة الألومنيوم للتآكل بواسطة "الألومنيوم" وحده. في الممارسة الهندسية, يعتمد سلوك التآكل لجزء الألومنيوم بشدة على سلسلة سبائك, حِدّة, البنية المجهرية, والبيئة.

عناصر السبائك الرئيسية وتأثيرها على التآكل

المغنيسيوم (ملغ)

يعتبر المغنسيوم أحد أهم عناصر صناعة السبائك في الألومنيوم, وخاصة في 5سلسلة الثلاثون.

غالبًا ما يرتبط بمقاومة ممتازة للتآكل, خاصة في البيئات البحرية.

سبائك مثل 5052 و 5083 تستخدم على نطاق واسع لأنها تجمع بين القوة الجيدة والمقاومة القوية لمياه البحر والتآكل الجوي.

يساعد المغنيسيوم السبيكة على الاحتفاظ بسلوك أكسيد وقائي مستقر ويدعم الأداء الجيد في البيئات الحاملة للكلوريد. هذا هو السبب في شيوع سبائك 5xxx في:

• بناء السفن,
• الهياكل الخارجية,
• الأجهزة البحرية,
• أوعية الضغط,
• ومعدات النقل.

لكن, هناك قيد مهم. عندما يصبح محتوى المغنيسيوم مرتفعًا وتتعرض السبيكة لإجهاد شد مستمر, خطر تكسير التآكل الإجهاد يمكن أن تزيد.

بعبارة أخرى, يحسن المغنيسيوم مقاومة التآكل في العديد من الإعدادات, ولكن فقط ضمن التكوين الصحيح ونافذة الخدمة.

نحاس (النحاس)

يضاف النحاس في المقام الأول لزيادة القوة, وخاصة في 2سلسلة الثلاثون مثل 2024 و 2017.

يتم تقييم هذه السبائك عندما يكون الأداء الميكانيكي أمرًا بالغ الأهمية, لكن النحاس يقلل بشكل عام من مقاومة التآكل.

والسبب معدني: يمكن أن تصبح المناطق الغنية بالنحاس مواقع نشطة كهروكيميائيًا تشجع على الهجوم الموضعي. نتيجة ل, 2سبائك xxx أكثر عرضة ل:

• التآكل الحبيبي,
• تأليب,
• وتكسير التآكل.

لهذا السبب, 2تُستخدم سبائك xxx على نطاق واسع في الهياكل الفضائية حيث تكون القوة ضرورية, لكنها غالبًا ما تتطلب علاجات وقائية مثل الأكسدة, الكسوة, أو الطلاء لتحقيق متانة مقبولة.

السيليكون (و)

يستخدم السيليكون عادة للتحسين قابلية القابلية, وخاصة في 3xxx و 4xxx العائلات.

تميل هذه السبائك إلى تقديم مقاومة معتدلة للتآكل وسلوك تصنيعي جيد. يتم استخدامها على نطاق واسع في:

• مكونات السيارات,
• تجهيزات المطابخ,
• أجزاء المبادل الحراري,
• ومنتجات الصب حيث تكون السيولة وقابلية المعالجة مهمة.

لا يُحدث السيليكون عمومًا نفس عقوبة التآكل المرتبطة بالسبائك الغنية بالنحاس.

بدلاً من, يتم استخدامه غالبًا كمساعد معالجة يساعد في التحكم في سلوك الصب والاستجابة الميكانيكية دون المساس بشدة بأداء التآكل.

الزنك (الزنك)

يعتبر الزنك عنصر التقوية الرئيسي في 7سلسلة الثلاثون, بما في ذلك السبائك مثل 7075 و 7050.

هذه هي من بين أقوى سبائك الألومنيوم المتاحة, ولكنها أيضًا أكثر عرضة للمشاكل المتعلقة بالتآكل من السلاسل ذات السبائك المنخفضة.

غالبًا ما تحتاج سبائك 7xxx عالية القوة إلى اختيار دقيق للحالة المزاجية لأنها قد تكون عرضة للتأثر:

• تكسير التآكل الإجهاد,
• التآكل الحبيبي,
• وفقدان الممتلكات في البيئات العدوانية.

لهذا السبب, ظروف المعالجة الحرارية الخاصة, مثل T73, غالبًا ما تستخدم عندما يجب تحسين مقاومة التآكل, حتى لو تم التضحية ببعض قوة الذروة.

هنا مرة أخرى, القاعدة الهندسية واضحة: القوة القصوى لا تعني تلقائيًا أقصى قدر من المتانة.

الكروم (كر) وتيتانيوم (ل)

عادةً ما تتم إضافة الكروم والتيتانيوم بكميات صغيرة لتحسين بنية الحبوب وتحسين التحكم في المعادن.

وهي ليست عادة عناصر القوة الرئيسية, لكنهم يلعبون دورًا داعمًا مهمًا.

تساعد هذه الإضافات البسيطة على التحسين:

• تحسين الحبوب,
• اتساق الممتلكات,
• استقرار القوة,
• وفي كثير من الحالات التوازن العام بين القوة ومقاومة التآكل.

وخير مثال على ذلك هو 6سلسلة الثلاثون, مثل 6061 و 6063.

تستخدم هذه السبائك المغنيسيوم والسيليكون كنظام تقوية رئيسي, بينما يساعد الكروم والتيتانيوم على تحسين الهيكل ودعم مزيج مفيد من مقاومة التآكل, قوة, والقابلية للتشكيل.

وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل سبائك 6xxx تعتبر مواد هندسية ذات أغراض عامة.

سلوك التآكل من قبل عائلات سبائك الألومنيوم الشائعة

6. حماية الألومنيوم: تعزيز مقاومة التآكل

أنودة: سماكة طبقة الأكسيد

تعد عملية الأنودة واحدة من أهم المعالجات السطحية للألمنيوم لأنها تعمل على تكثيف طبقة الأكسيد والتحكم فيها عن عمد.

تميز أدبيات أفلام أكسيد الأنوديك بين الأفلام من النوع الحاجز والأفلام المسامية, ويلاحظ أنه يمكن استخدام الأفلام المسامية المختومة عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة ممتازة للتآكل.

من الناحية العملية, تعمل عملية الأكسدة على تحويل طبقة الألومنيوم الطبيعية السلبية إلى طبقة حماية أكثر تصميمًا.

الطلاء الواقي

تعمل الطلاءات الواقية كحاجز مادي بين الألومنيوم وبيئته, منع العوامل المسببة للتآكل من الوصول إلى سطح المعدن. تشمل الطلاءات الشائعة:

• الطلاء ومسحوق الطلاء: يتم تطبيقه على أسطح الألمنيوم للأغراض الجمالية والوقائية. طلاء المسحوق متين بشكل خاص, تقديم مقاومة ممتازة للتقطيع, يتلاشى, والتآكل.
  لكن, وهو أقل فعالية من الأنودة في البيئات القاسية, حيث أن الطلاءات يمكن أن تتقشر أو تتشقق مع مرور الوقت.
• طلاءات التحويل الكيميائي: رفيع, الطلاءات الملتصقة (على سبيل المثال, كرومات, فوسفات) التي تشكل طبقة واقية على الألومنيوم.
  غالبًا ما تستخدم هذه الطلاءات كطبقة أولية قبل الطلاء, تعزيز الالتصاق ومقاومة التآكل.
• الطلاء الخزفي: تستخدم لتطبيقات درجة الحرارة العالية (على سبيل المثال, مكونات المحرك الفضائي), توفر الطلاءات الخزفية مقاومة للحرارة والحماية من التآكل عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية.

تجنب التآكل كلفاني

يجب تصميم مجموعات الألومنيوم لتقليل التلامس الكهربائي مع المعادن النبيلة في وجود الرطوبة.

غسالات العزل, المواد المانعة للتسرب, الطلاءات, والصرف الجيد كلها تساعد في تقليل الهجوم الجلفاني. في الهياكل المعدنية المختلطة, غالبًا ما تكون تفاصيل التصميم أكثر أهمية من السبيكة نفسها.

الصيانة والتنظيف السليم

التنظيف مهم لأن الودائع, أفلام الملح, الرطوبة المحاصرة, والتلوث يمكن أن يغير الكيمياء المحلية.

نظيفة, جاف, وسطح الألمنيوم الذي يتم تصريفه جيدًا أقل احتمالًا بكثير لتطور البقع أو الهجوم الموضعي مقارنة بالسطح الذي يظل رطبًا أو ملوثًا لفترات طويلة.

7. خاتمة: الألومنيوم لا يصدأ، لكنه يمكن أن يتآكل

للإجابة على سؤال “هل يصدأ الألومنيوم؟?"بوضوح مطلق: لا, الألومنيوم لا يصدأ.

الألومنيوم ليس معرضا للخطر. في الوسائط الحمضية أو القلوية, البيئات الغنية بالكلوريد, الشقوق, الأزواج كلفاني, وبعض ظروف السبائك/المزاج, يمكن أن يفشل الفيلم السلبي محليًا ويمكن أن يتطور التآكل.

في تلك الحالات, السؤال الصحيح ليس "لماذا صدأ الألومنيوم?" ولكن "ما هي آلية تآكل الألومنيوم الموجودة؟", وكيف ينبغي السيطرة عليها?"

لذلك فإن الملخص الأكثر دقة هو هذا: الألومنيوم لا يصدأ, ولكنه من الممكن أن يتآكل، وفهم هذا الاختلاف هو المفتاح لاستخدامه بشكل جيد.

 

الأسئلة الشائعة

هل يصدأ الألمنيوم في الماء؟?

لا. الألومنيوم لا يصدأ بمعنى الحديد. وعادة ما يشكل طبقة أكسيد واقية, على الرغم من أن تلطيخ الماء أو التآكل الموضعي لا يزال من الممكن أن يحدث اعتمادًا على البيئة.

لماذا يتحول الألمنيوم أحيانا إلى اللون الأبيض؟?

عادة ما تكون بقايا السطح الأبيض عبارة عن تلطيخ أكسيد أو منتج تآكل, ليس الصدأ الحقيقي. يستخدم مصطلح "الصدأ الأبيض" بشكل عام للزنك, ليس الألومنيوم.

يمكن أن يتآكل الألمنيوم بشكل أسرع إذا لامس الفولاذ?

نعم. الاتصال غير المتماثل للمعادن في وجود الرطوبة يمكن أن يسبب التآكل الجلفاني, خاصة إذا لم يتم عزل المفصل أو تغليفه بشكل صحيح.

هو الألومنيوم المؤكسد مقاوم للصدأ?

لا توجد مادة مقاومة تمامًا للصدأ أو مقاومة للتآكل. تعمل عملية الأنودة على تحسين مقاومة التآكل عن طريق تكثيف طبقة الأكسيد وجعلها أكثر حماية.