آیا آلومینیوم زنگ می زند؟?

1. مقدمه

پاسخ کوتاه این است نه: آلومینیوم زنگ نمی زند. زنگ محصول خوردگی مرتبط با آهن و آلیاژهای غنی از آهن مانند فولاد است.

آلومینیوم متفاوت رفتار می کند: هنگامی که در معرض اکسیژن قرار می گیرند, نازک را تشکیل می دهد, فیلم اکسید آلومینیوم محکم چسبنده که به جای پوسته پوسته شدن و افشای فلز تازه، حمله بیشتر را کند می کند..

این فیلم اکسیدی دلیل اصلی این است که آلومینیوم به طور گسترده به عنوان یک فلز طبیعی مقاوم در برابر خوردگی در نظر گرفته می شود..

این بدان معنا نیست که آلومینیوم در برابر خوردگی مصون است. یعنی مکانیسم خوردگی متفاوت است.

آلومینیوم می تواند لکه دار شود, گودال, دچار حمله گالوانیکی شود, و در محیط های تهاجمی تخریب می شود; به سادگی "زنگ" به معنای فنی ایجاد نمی کند.

سوال واقعی, پس, این نیست که آیا آلومینیوم زنگ می زند, اما در چه شرایطی لایه اکسید محافظ آن از کار می افتد یا ناکافی می شود.

2. تعریف زنگ: تمایز مهم بین زنگ زدگی و خوردگی

زنگ چیست?

زنگ یک محصول خوردگی قهوه ای مایل به قرمز است که هنگام واکنش آهن یا فولاد با اکسیژن و رطوبت تولید می شود.. متخلخل است, چسبندگی ضعیف, و از فلز زیرین محافظت نمی کند.

در نتیجه, پس از تشکیل زنگ، خوردگی می تواند به گسترش خود ادامه دهد. آلومینیوم آن شیمی زنگ اکسید آهن را تولید نمی کند. در عوض, سطح آن به سرعت یک فیلم فشرده آلومینیوم-اکسید ایجاد می کند.

خوردگی در مقابل. زنگ زدگی: چشم انداز گسترده تر

خوردگی اصطلاح گسترده‌تری در علم مواد است. این به تخریب محیطی یک فلز از طریق واکنش های الکتروشیمیایی یا شیمیایی اشاره دارد.

بسیاری از آلیاژهای مهندسی برای سودمندی خود به فیلم های غیرفعال متکی هستند; وقتی آن فیلم ها به صورت محلی خراب می شوند, نتیجه، خوردگی موضعی مانند خوردگی حفره ای یا شکافی به جای زنگ زدگی به معنای باریک آهن است..

اکسیداسیون آلومینیوم: زنگ نزن, اما یک سپر محافظ

آلومینیوم در برابر اکسیداسیون پیشرونده ای که باعث زنگ زدگی فولاد می شود، مقاومت می کند. سطح در معرض آن با اکسیژن ترکیب می شود و یک فیلم اکسید آلومینیوم بی اثر به ضخامت تنها چند ده میلیونم اینچ تشکیل می دهد..

آن فیلم محکم می‌چسبد, شفاف است, و اکسیداسیون بیشتر را مسدود می کند. اگر خراشیده شده باشد, به سرعت دوباره آب بندی می شود.

3. علم اکسیداسیون آلومینیوم: مکانیسم ها و خواص

فرآیند اکسیداسیون: سریع, نازک, و خود محدود کننده

آلومینیوم زمانی که در معرض هوا یا رطوبت قرار می گیرد خیلی سریع اکسید می شود, اما واکنش بسیار متفاوت از خوردگی آهن عمل می کند.

روی آلومینیوم تازه در معرض دید, یک فیلم نازک اکسید تقریباً بلافاصله تشکیل می شود, و آن فیلم انتقال بیشتر اکسیژن به سطح فلز را کند می کند.

در اکثر محیط های معمولی, نتیجه این است منفعل شدن, خوردگی قابل مشاهده به معنای زنگ زدگی نیست.

لایه اکسید بومی بسیار نازک است, وابسته, و به اندازه کافی پایدار است که آلومینیوم را به طور طبیعی در برابر خوردگی در خدمات اتمسفر مقاوم کند.

این دلیل متالورژی مرکزی است که آلومینیوم زنگ نمی‌زند.

زنگ متخلخل است, محصول خوردگی غیر محافظ; اکسید آلومینیوم یک لایه مانع فشرده است که به جای تشویق، واکنش بیشتر را سرکوب می کند..

از نظر عملی, شیمی سطح آلومینیوم تحت بسیاری از شرایط معمول از خود محافظت می کند, به همین دلیل است که این فلز به طور گسترده در حمل و نقل استفاده می شود, ساخت و ساز, و محصولات مصرفی.

خواص کلیدی اکسید آلومینیوم (Al2O3)

دلیل اینکه اکسید آلومینیوم به عنوان یک لایه محافظ خوب عمل می کند این است که مشخصات خاصی دارد که اساساً با زنگ آهن متفاوت است..

زنگ تمایل به درشت بودن دارد, متخلخل, و پوسته پوسته شدن, بنابراین به طور موثری از فولاد زیرین محافظت نمی کند.

در مقابل, اکسید آلومینیوم فشرده است, محکم چسبیده, و از نظر شیمیایی در یک پنجره مفید محیطی پایدار است.

منابع خوردگی آلومینیوم توجه داشته باشند که فیلم اکسید بومی تقریباً در آن پایدار است PH 4 به 8 محدوده, در حالی که اسیدها یا قلیاهای قوی تر می توانند آن را حل کنند.

مقایسه دقیق تر در زیر نشان داده شده است.

مکانیسم خود درمانی: مزیت حیاتی

یکی از با ارزش ترین ویژگی های آلومینیوم این است که فیلم اکسید است خود درمانی. اگر سطح خراشیده شده باشد یا به تازگی در معرض دید قرار گیرد, اکسیژن بلافاصله با سطح آلومینیوم جدید واکنش می دهد و دوباره یک لایه اکسید تازه تشکیل می شود.

این بدان معنا نیست که آلومینیوم در برابر تمام خوردگی مصون است, اما به این معنی است که آسیب سطحی کوچک معمولاً مانند گسترش رفتار نمی کند, خوردگی خود انتشاری که در آهن دیده می شود.

این رفتار خود انفعالی دلیل اصلی مقاومت آلومینیوم در برابر خوردگی در هوا است.

لایه اکسیدی در حالت طبیعی خود تنها چند نانومتر ضخامت دارد, اما برای جلوگیری از حمله سریع بیشتر در بسیاری از محیط ها کافی است.

وقتی آنودایز می شود, لایه اکسید بسیار ضخیم تر و محافظ تر می شود, به همین دلیل است که می توان از آلومینیوم آنودایز شده در مواردی که ظاهر و دوام اهمیت دارد استفاده کرد.

4. وقتی آلومینیوم خورده می شود: محدودیت های لایه اکسیدی

شرایط محیطی که لایه اکسید را تجزیه می کند

محیط های اسیدی و قلیایی

اکسید بومی آلومینیوم فقط در یک پنجره pH متوسط ​​پایدار است. در شرایط اسیدی, اکسید با حمله اسید حل می شود; در شرایط قلیایی, با تشکیل گونه های آلومینات مانند Al حل می شود(اوه)₄.

از نظر عملی, اسیدهای قوی و بازهای قوی می توانند لایه محافظ را تحت الشعاع قرار دهند و به طور مداوم آلومینیوم تازه را در معرض دید قرار دهند.

محیط های غنی از کلرید

کلریدها به خصوص تهاجمی هستند زیرا با غیرفعال شدن تداخل می کنند و باعث تجزیه موضعی فیلم می شوند..

یک بررسی کلاسیک خوردگی در مورد حفره ها توضیح می دهد که حفره زمانی رخ می دهد که یک لایه محافظ غیرفعال شکسته شود, و اینکه یون های کلرید معمولاً گونه های مهاجم کلیدی درگیر هستند.

بنابراین محیط های غنی از کلرید یکی از مهم ترین خطرات خوردگی برای آلیاژهای آلومینیوم هستند.

محیط های با دمای بالا

در دمای بالا, اکسید بومی همچنان مهم است, اما مشکل طراحی تغییر می کند.

پوشش ها, درمان های سطحی, و انتخاب آلیاژ مهم تر می شود زیرا قرار گرفتن در معرض حرارتی می تواند اکسیداسیون را تقویت کرده و حفاظت از سطح را مختل کند.

برای آلومینیوم, فیلم‌های اکسید آندی مهندسی شده اغلب دقیقاً به این دلیل استفاده می‌شوند که مانع محافظتی قوی‌تر و قابل کنترل‌تری نسبت به فیلم اصلی به تنهایی ایجاد می‌کنند..

انواع متداول خوردگی آلومینیوم - نه زنگ زدگی

خوردگی

حفره یک انحلال موضعی است که در جایی ایجاد می شود که فیلم غیرفعال شکسته می شود.

این یکی از مهم ترین حالت های خوردگی برای آلومینیوم است زیرا می تواند عمیق باشد, موضعی, و تشخیص زود هنگام دشوار است. آلودگی کلرید یک محرک کلاسیک است.

خوردگی گالوانیک

هنگامی که آلومینیوم در حضور رطوبت به صورت الکتریکی به فلز نجیب تری جفت می شود, آلومینیوم ممکن است ترجیحا خورده شود.

این یک مسئله طراحی است به همان اندازه که یک موضوع شیمی است: تماس غیر مشابه با فلز, رطوبت به دام افتاده, و انزوای ضعیف همگی خطر را افزایش می دهند.

خوردگی شکاف

خوردگی شکاف در نواحی مسدود شده ای که شیمی موضعی با سطح باز متفاوت است رخ می دهد..

ارتباط نزدیکی با حفره شدن دارد، زیرا هر دو از شکسته شدن فیلم غیرفعال و عدم تعادل الکتروشیمیایی موضعی ناشی می‌شوند..

خوردگی رشته ای

خوردگی رشته ای به صورت تصادفی ظاهر می شود, تونل های سفید بدون انشعاب محصول خوردگی, اغلب در زیر پوشش ها یا روی فلز محافظت نشده.

به طور معمول بیشتر به ظاهر آسیب می رساند تا قدرت, اگرچه ورق نازک را می توان سوراخ کرد.

خوردگی بین دانه ای

برخی از خانواده‌های آلیاژ آلومینیوم در برابر حمله بین دانه‌ای آسیب‌پذیر هستند زمانی که آلیاژ یا عملیات حرارتی باعث ایجاد بارش نامطلوب در مرز دانه می‌شود..

یک مثال کلاسیک آلیاژهای فرفورژه با منیزیم بالاتر است, که در آن بارش تقریباً پیوسته Al5Mg5 در مرزهای دانه می تواند حساسیت به لایه برداری یا ترک خوردگی تنشی را افزایش دهد..

آلیاژهای غنی از مس نیز در برخی شرایط می توانند در برابر اشکال حمله بین دانه ای آسیب پذیر باشند.

آلومینیوم "زنگ سفید": یک نام اشتباه

"زنگ سفید" به درستی متعلق به روی و فولاد گالوانیزه است, آلومینیوم نیست.

هنگامی که آلومینیوم لکه های سفید یا باقیمانده سطح سفید را نشان می دهد, این پدیده معمولاً نوعی رنگ آمیزی اکسید یا محصول خوردگی است تا زنگ واقعی.

به عبارت دیگر, ظاهر ممکن است شبیه به "زنگ سفید" به نظر برسد,اما شیمی متفاوت است.

5. آلیاژهای آلومینیوم: چگونه ترکیب بر مقاومت در برابر خوردگی تأثیر می گذارد

مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم به تنهایی توسط "آلومینیوم" تعیین نمی شود. در عمل مهندسی, رفتار خوردگی یک قطعه آلومینیومی به شدت به آن بستگی دارد سری آلیاژی, خوی, ساختار, و محیط زیست.

عناصر کلیدی آلیاژی و تاثیر خوردگی آنها

منیزیم (Mg)

منیزیم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی در آلومینیوم است, به خصوص در 5سری xxx.

اغلب با مقاومت در برابر خوردگی عالی همراه است, به ویژه در محیط های دریایی.

آلیاژهای مانند 5052 و 5083 به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند زیرا استحکام خوب را با مقاومت قوی در برابر آب دریا و خوردگی جوی ترکیب می کنند.

منیزیم به آلیاژ کمک می کند تا رفتار اکسید محافظ پایداری داشته باشد و از عملکرد خوب در محیط های حاوی کلرید پشتیبانی کند.. به همین دلیل است که آلیاژهای 5xxx در آن رایج هستند:

• کشتی سازی,
• ساختارهای دریایی,
• سخت افزار دریایی,
• مخازن تحت فشار,
• و تجهیزات حمل و نقل.

با این حال, یک محدودیت مهم وجود دارد. هنگامی که محتوای منیزیم بالا می رود و آلیاژ در معرض تنش کششی پایدار قرار می گیرد, خطر از ترک خوردگی تنشی می تواند افزایش یابد.

به عبارت دیگر, منیزیم مقاومت در برابر خوردگی را در بسیاری از تنظیمات بهبود می بخشد, اما فقط در پنجره ترکیب و سرویس مناسب.

مس (مس)

مس در درجه اول برای افزایش استحکام اضافه می شود, به خصوص در 2سری xxx مانند 2024 و 2017.

این آلیاژها در جایی ارزش گذاری می شوند که عملکرد مکانیکی حیاتی است, اما مس به طور کلی مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می دهد.

دلیل آن متالورژی است: مناطق غنی از مس می توانند به مکان های فعال الکتروشیمیایی تبدیل شوند که حمله موضعی را تشویق می کنند. در نتیجه, 2آلیاژهای xxx بیشتر مستعد ابتلا به:

• خوردگی بین دانه ای,
• سوراخ کردن,
• و ترک خوردگی استرس.

به همین دلیل, 2آلیاژهای xxx به طور گسترده در سازه های هوافضا که در آن استحکام ضروری است استفاده می شود, اما اغلب به درمان های محافظتی مانند آنودیزاسیون نیاز دارند, روکش فلزی, یا پوشش هایی برای دستیابی به دوام قابل قبول.

سیلیکون (و)

سیلیکون معمولا برای بهبود استفاده می شود قابلیت استفاده, به خصوص در 3xxx و 4xxx خانواده ها.

این آلیاژها مقاومت در برابر خوردگی متوسط ​​و رفتار تولید خوبی دارند. آنها به طور گسترده ای در آن استفاده می شوند:

• قطعات خودرو,
• ظروف آشپزی,
• قطعات مبدل حرارتی,
• و محصولات ریخته گری را در جایی که سیالیت و فرآیند پذیری اهمیت دارد.

سیلیکون معمولاً همان جریمه خوردگی مرتبط با آلیاژهای غنی از مس را ایجاد نمی کند.

در عوض, اغلب به عنوان یک کمک پردازش استفاده می شود که به کنترل رفتار ریخته گری و پاسخ مکانیکی بدون به خطر انداختن شدید عملکرد خوردگی کمک می کند..

روی (روی)

روی عنصر اصلی تقویت کننده در 7سری xxx, از جمله آلیاژهایی مانند 7075 و 7050.

اینها از قوی ترین آلیاژهای آلومینیوم موجود هستند, اما نسبت به سری های با آلیاژ پایین تر در برابر مشکلات مربوط به خوردگی آسیب پذیرتر هستند.

آلیاژهای 7xxx با استحکام بالا اغلب به انتخاب دقیق دما نیاز دارند زیرا می توانند مستعد ابتلا به:

• ترک خوردگی تنشی,
• خوردگی بین دانه ای,
• و از دست دادن اموال در محیط های تهاجمی.

به همین دلیل, شرایط ویژه عملیات حرارتی, مانند T73, اغلب زمانی استفاده می شوند که مقاومت در برابر خوردگی باید بهبود یابد, حتی اگر مقداری اوج قدرت قربانی شود.

اینجا دوباره, قانون مهندسی روشن است: حداکثر استحکام به طور خودکار به معنای حداکثر دوام نیست.

کروم (Cr) و تیتانیوم (از)

کروم و تیتانیوم معمولاً در مقادیر کم برای اصلاح ساختار دانه و بهبود کنترل متالورژیکی اضافه می شوند..

آنها معمولاً عناصر اصلی قدرت نیستند, اما نقش حمایتی مهمی دارند.

این اضافات جزئی به بهبود کمک می کند:

• پالایش غلات,
• قوام اموال,
• ثبات قدرت,
• و در بسیاری از موارد تعادل کلی بین استحکام و مقاومت در برابر خوردگی.

یک مثال خوب است 6سری xxx, مانند 6061 و 6063.

این آلیاژها از منیزیم و سیلیکون به عنوان سیستم تقویت کننده اصلی استفاده می کنند, در حالی که کروم و تیتانیوم به اصلاح ساختار و پشتیبانی از ترکیب مفیدی از مقاومت در برابر خوردگی کمک می کنند, قدرت, و شکل پذیری.

این یکی از دلایلی است که آلیاژهای 6xxx اغلب به عنوان مواد مهندسی همه منظوره در نظر گرفته می شوند.

رفتار خوردگی توسط خانواده های معمول آلیاژ آلومینیوم

6. محافظت از آلومینیوم: افزایش مقاومت در برابر خوردگی

آندایزاسیون: ضخیم شدن لایه اکسید

آنودایز کردن یکی از مهمترین عملیات سطحی آلومینیوم است زیرا به طور عمدی لایه اکسید را ضخیم می کند و کنترل می کند..

ادبیات فیلم اکسید آندی، فیلم‌های مانع و نوع متخلخل را متمایز می‌کند, و خاطرنشان می کند که فیلم های متخلخل مهر و موم شده را می توان در مواردی که مقاومت در برابر خوردگی عالی مورد نیاز است استفاده کرد.

از نظر عملی, آندایزینگ فیلم غیرفعال طبیعی آلومینیوم را به یک لایه محافظ مهندسی شده تر تبدیل می کند.

پوشش های محافظ

پوشش های محافظ به عنوان یک مانع فیزیکی بین آلومینیوم و محیط آن عمل می کنند, جلوگیری از رسیدن عوامل خورنده به سطح فلز. پوشش های رایج شامل:

• پوشش رنگ و پودر: بر روی سطوح آلومینیومی برای اهداف زیبایی و حفاظتی اعمال می شود. پوشش پودری از دوام خاصی برخوردار است, ارائه مقاومت عالی در برابر خرد شدن, محو شدن, و خوردگی.
  با این حال, نسبت به آنودایز کردن در محیط های خشن کمتر موثر است, زیرا پوشش ها می توانند به مرور زمان پوسته پوسته یا ترک بخورند.
• پوشش های تبدیل شیمیایی: نازک, پوشش های چسبنده (به عنوان مثال, کرومات, فسفات) که یک لایه محافظ روی آلومینیوم تشکیل می دهند.
  این پوشش ها اغلب به عنوان آستر قبل از رنگ آمیزی استفاده می شوند, افزایش چسبندگی و مقاومت در برابر خوردگی.
• روکشهای سرامیکی: برای کاربردهای با دمای بالا استفاده می شود (به عنوان مثال, اجزای موتور هوافضا), پوشش های سرامیکی مقاومت در برابر حرارت و محافظت در برابر خوردگی را در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد ارائه می دهند.

جلوگیری از خوردگی گالوانیکی

مجموعه‌های آلومینیومی باید طوری طراحی شوند که تماس الکتریکی با فلزات نجیب‌تر در حضور رطوبت به حداقل برسد..

واشرهای ایزوله, درزگیرها, پوشش ها, و زهکشی خوب همگی به کاهش حمله گالوانیکی کمک می کنند. در سازه های فلزی مخلوط, جزئیات طراحی اغلب بیشتر از خود آلیاژ اهمیت دارند.

نگهداری و نظافت مناسب

نظافت به دلیل رسوبات اهمیت دارد, فیلم های نمکی, رطوبت به دام افتاده, و آلودگی همگی می تواند شیمی محلی را تغییر دهد.

یک تمیز, خشک, و سطح آلومینیومی که به خوبی زهکشی شده باشد نسبت به سطحی که برای مدت طولانی مرطوب یا آلوده باقی می ماند، احتمال ایجاد لکه یا حمله موضعی بسیار کمتر است..

7. نتیجه گیری: آلومینیوم زنگ نمی‌زند، اما می‌تواند خورده شود

برای پاسخ به این سوال "آیا آلومینیوم زنگ می زند؟?” با وضوح مطلق: خیر, آلومینیوم زنگ نمی زند.

آلومینیوم آسیب ناپذیر نیست. در محیط های اسیدی یا قلیایی, محیط های غنی از کلرید, شکاف, زوج های گالوانیکی, و شرایط آلیاژ/معطف خاص, فیلم غیرفعال می تواند به صورت موضعی شکست بخورد و خوردگی می تواند پیشرفت کند.

در آن موارد, سوال درست این نیست که «چرا آلومینیوم زنگ زد؟?" اما "کدام مکانیزم خوردگی آلومینیوم وجود دارد, و چگونه باید کنترل شود?”

بنابراین دقیق ترین خلاصه این است: آلومینیوم زنگ نمی زند, اما می تواند فرسوده شود - و درک این تفاوت کلید استفاده از آن است.

 

سوالات متداول

آیا آلومینیوم در آب زنگ می زند؟?

خیر. آلومینیوم به معنای آهنی زنگ نمی زند. معمولاً یک فیلم اکسید محافظ را تشکیل می دهد, هر چند رنگ‌آمیزی آب یا خوردگی موضعی همچنان بسته به محیط ممکن است رخ دهد.

چرا آلومینیوم گاهی اوقات سفید می شود؟?

باقیمانده سطح سفید معمولاً محصول رنگ آمیزی اکسید یا خوردگی است, زنگ واقعی نیست. اصطلاح "زنگ سفید" به طور کلی برای روی استفاده می شود, آلومینیوم نیست.

اگر آلومینیوم با فولاد برخورد کند، می تواند سریعتر خورده شود?

بله. تماس غیر مشابه با فلز در حضور رطوبت می تواند باعث خوردگی گالوانیکی شود, به خصوص اگر مفصل به درستی ایزوله یا پوشش داده نشده باشد.

آلومینیوم آنودایز شده ضد زنگ است?

هیچ ماده ای کاملاً ضد زنگ یا ضد خوردگی نیست. آنودایز کردن با ضخیم کردن لایه اکسید و محافظت بیشتر آن، مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد.