Vai alumīnija rūsa?

1. Ievads

Īsā atbilde ir ne: alumīnijs nerūsē. Rūsa ir korozijas produkts, kas saistīts ar dzelzi un ar dzelzi bagātiem sakausējumiem, piemēram, tēraudu.

Alumīnijs uzvedas savādāk: saskaroties ar skābekli, tas veido plānu, cieši pieguļoša alumīnija oksīda plēve, kas palēnina turpmāku uzbrukumu, nevis atslāņojas un atklāj svaigu metālu.

Šī oksīda plēve ir galvenais iemesls, kāpēc alumīnijs tiek plaši uzskatīts par dabiski korozijizturīgu metālu.

Tas nenozīmē, ka alumīnijs ir imūns pret koroziju. Tas nozīmē, ka korozijas mehānisms ir atšķirīgs.

Alumīnijs var notraipīt, bedre, cieš galvanisku uzbrukumu, un degradējas agresīvā vidē; tas vienkārši neveido “rūsu” tehniskā nozīmē.

Īstais jautājums, tad, nav tas, vai alumīnijs nerūsē, bet kādos apstākļos tā aizsargājošais oksīda slānis sabojājas vai kļūst nepietiekams.

2. Rūsas definīcija: Kritiskā atšķirība starp rūsu un koroziju

Kas ir rūsa?

Rūsa ir pazīstams sarkanbrūns korozijas produkts, kas rodas, kad dzelzs vai tērauds reaģē ar skābekli un mitrumu. Tas ir porains, slikti pielīp, un neaizsargā pamatā esošo metālu.

Rezultātā, korozija var turpināt izplatīties, tiklīdz ir izveidojusies rūsa. Alumīnijs nerada šo dzelzs oksīda rūsas ķīmiju. Tā vietā, tā virsma ātri izveido kompaktu alumīnija oksīda plēvi.

Korozija vs. rūsa: plašāka perspektīva

Korozija ir plašāks materiālu zinātnes termins. Tas attiecas uz metāla degradāciju vidē elektroķīmisku vai ķīmisku reakciju rezultātā.

Daudzu inženiertehnisko sakausējumu lietderība ir atkarīga no pasīvām plēvēm; kad šīs filmas lokāli sabojājas, rezultāts ir lokāla korozija, piemēram, punktveida korozija vai plaisu korozija, nevis rūsa šaurā dzelzs nozīmē.

Alumīnija oksidēšana: ne rūsa, bet aizsargvairogs

Alumīnijs iztur progresīvu oksidāciju, kas izraisa tērauda rūsēšanu. Tās atklātā virsma apvienojas ar skābekli, veidojot inertu alumīnija oksīda plēvi, kuras biezums ir tikai dažas desmitmiljondaļas collas..

Tā plēve cieši pielīp, ir caurspīdīgs, un bloķē tālāku oksidēšanos. Ja tas ir saskrāpēts, tas ātri noslēdzas atkārtoti.

3. Zinātne par alumīnija oksidēšanu: Mehānismi un īpašības

Oksidācijas process: ātri, mazs, un pašierobežojošs

Alumīnijs ļoti ātri oksidējas, ja tas tiek pakļauts gaisa vai mitruma iedarbībai, bet reakcija uzvedas ļoti atšķirīgi no dzelzs korozijas.

Uz tikko atklāta alumīnija, gandrīz nekavējoties veidojas plāna oksīda plēve, un šī plēve palēnina turpmāku skābekļa transportēšanu uz metāla virsmu.

Lielākajā daļā parasto vidi, rezultāts ir pasniegšana, nav redzama korozija rūsas izpratnē.

Dabiskais oksīda slānis ir ārkārtīgi plāns, pieķērušies, un pietiekami stabils, lai alumīnijs atmosfēras apstākļos būtu dabiski izturīgs pret koroziju.

Tas ir galvenais metalurģijas iemesls, kāpēc alumīnijs nerūsē.

Rūsa ir poraina, neaizsargājošs korozijas produkts; alumīnija oksīds ir kompakta barjerplēve, kas nomāc turpmāku reakciju, nevis veicina to.

Praktiski, alumīnija virsmas ķīmija ir pašaizsargājoša daudzos izplatītos apstākļos, tāpēc metāls joprojām ir tik plaši izmantots transportā, būvniecība, un patēriņa preces.

Alumīnija oksīda galvenās īpašības (Al₂O3)

Iemesls, kāpēc alumīnija oksīds darbojas tik labi kā aizsargslānis, ir tāds, ka tam ir īpašības, kas būtiski atšķiras no dzelzs rūsas..

Rūsa mēdz būt rupja, porains, un pārslains, tāpēc tas efektīvi neaizsargā pamatā esošo tēraudu.

Turpretī, alumīnija oksīds ir kompakts, cieši pielīp, un ķīmiski stabils visā noderīgā vides logā.

Alumīnija korozijas atsauces norāda, ka dabiskā oksīda plēve ir stabila aptuveni pH 4 līdz 8 diapazons, savukārt stiprākas skābes vai sārmi var to izšķīdināt.

Detalizētāks salīdzinājums ir parādīts zemāk.

Pašārstēšanās mehānisms: kritiskā priekšrocība

Viena no alumīnija vērtīgākajām īpašībām ir tā, ka tā ir oksīda plēve pašdziedināšanās. Ja virsma ir saskrāpēta vai tikko atklāta, skābeklis nekavējoties reaģē ar jauno alumīnija virsmu un atkal veidojas svaigs oksīda slānis.

Tas nenozīmē, ka alumīnijs ir imūns pret jebkādu koroziju, bet tas nozīmē, ka nelieli virsmas bojājumi parasti neizturas kā izkliedēšana, pašvairojoša korozija, kas redzama dzelzē.

Šī pašpasivējošā darbība ir galvenais iemesls, kāpēc alumīnijs ir izturīgs pret koroziju gaisā.

Oksīda plēve dabiskā stāvoklī ir tikai dažus nanometrus bieza, bet tas ir pietiekami, lai bloķētu turpmāku strauju uzbrukumu daudzās vidēs.

Kad anodēts, oksīda slānis kļūst daudz biezāks un aizsargājošāks, tādēļ anodētu alumīniju var izmantot tur, kur svarīgs ir gan izskats, gan izturība.

4. Kad alumīnijs korodē: Oksīda slāņa ierobežojumi

Vides apstākļi, kas noārda oksīda slāni

Skāba un sārmaina vide

Alumīnija dabiskais oksīds ir stabils tikai mērenā pH logā. Skābos apstākļos, oksīds izšķīst skābes uzbrukumā; sārmainos apstākļos, tas izšķīst, veidojot aluminātu, piemēram, Al(Ak!)₄⁻.

Praktiski, stipras skābes un spēcīgas bāzes var pārklāt aizsargplēvi un nepārtraukti atklāt svaigu alumīniju.

Hlorīdiem bagāta vide

Hlorīdi ir īpaši agresīvi, jo traucē pasivāciju un veicina lokālu plēves sadalīšanos.

Klasiskā korozijas pārskatā par bedrīšu veidošanu ir paskaidrots, ka bedru veidošanās rodas, kad pasīvā aizsargplēve sabojājas, un ka hlorīda joni parasti ir galvenās iesaistītās agresīvās sugas.

Tāpēc hlorīdu bagāta vide rada vienu no svarīgākajiem alumīnija sakausējumu korozijas riskiem.

Augstas temperatūras vide

Pie paaugstinātas temperatūras, dabiskais oksīds joprojām ir svarīgs, bet dizaina problēma mainās.

Pārklājumi, virsmas procedūras, un sakausējuma izvēle kļūst nozīmīgāka, jo termiskā iedarbība var pastiprināt oksidāciju un traucēt virsmas aizsardzību.

Alumīnijam, konstruētas anodiskā oksīda plēves bieži tiek izmantotas tieši tāpēc, ka tās nodrošina izturīgāku un vadāmāku aizsargbarjeru nekā tikai dabiskā plēve..

Izplatītākie alumīnija korozijas veidi — nerūsa

Punktu korozija

Pitting ir lokalizēta izšķīšana, kas attīstās vietā, kur pasīvā plēve sadalās.

Tas ir viens no svarīgākajiem alumīnija korozijas veidiem, jo ​​tas var būt dziļš, lokalizēts, un to ir grūti savlaicīgi atklāt. Hlorīda piesārņojums ir klasisks izraisītājs.

Galvaniskā korozija

Kad alumīnijs ir elektriski savienots ar cēlmetālu mitruma klātbūtnē, alumīnijs var rūsēt.

Tā ir dizaina problēma, tāpat kā ķīmijas problēma: atšķirīgs metāla kontakts, iesprostots mitrums, un slikta izolācija palielina risku.

Plaisu korozija

Plaisu korozija notiek aizsargātās slēgtās zonās, kur vietējā ķīmija atšķiras no atklātās virsmas.

Tas ir cieši saistīts ar punktu veidošanu, jo abi rodas pasīvās plēves sabrukšanas un lokālas elektroķīmiskās nelīdzsvarotības dēļ..

Filiforma korozija

Šķiedrveida korozija parādās nejauši, korozijas produkta baltie tuneļi, kas nav sazaroti, bieži zem pārklājumiem vai uz neaizsargāta metāla.

Tas parasti vairāk kaitē izskatam nekā izturībai, lai gan plānu loksni var perforēt.

Starpkristālu korozija

Dažas alumīnija sakausējumu grupas ir neaizsargātas pret starpgranulu uzbrukumu, ja sakausēšana vai termiskā apstrāde rada nelabvēlīgus graudu robežas nokrišņus.

Klasisks piemērs ir kalti sakausējumi ar augstāku magnija saturu, kur gandrīz nepārtraukti Al₈Mg5 nokrišņi pie graudu robežām var palielināt uzņēmību pret atslāņošanos vai sprieguma korozijas plaisāšanu.

Ar varu bagāti sakausējumi dažos apstākļos var būt arī neaizsargāti pret starpgranulu uzbrukumiem.

Alumīnija "baltā rūsa": nepareizs apzīmējums

“Baltā rūsa” pieder pie cinka un cinkota tērauda, nevis alumīnijs.

Ja uz alumīnija ir redzami balti plankumi vai baltas virsmas paliekas, parādība parasti ir oksīda krāsojuma vai korozijas produkta veids, nevis īsta rūsa.

Citiem vārdiem sakot, izskats var izskatīties līdzīgs “baltajai rūsai,” bet ķīmija ir cita.

5. Alumīnija sakausējumi: Kā sastāvs ietekmē izturību pret koroziju

Alumīnija izturību pret koroziju nenosaka tikai “alumīnijs”.. Inženieru praksē, alumīnija daļas korozijas izturēšanās ir ļoti atkarīga no tās sakausējuma sērija, temperaments, mikrostruktūra, un vidi.

Galvenie sakausējuma elementi un to ietekme uz koroziju

Magnijs (Mg)

Magnijs ir viens no svarīgākajiem alumīnija sakausējuma elementiem, īpaši iekšā 5xxx sērija.

Tas bieži ir saistīts ar izcilu izturību pret koroziju, īpaši jūras vidē.

Sakausējumi, piemēram, 5052 un 5083 tiek plaši izmantoti, jo tie apvieno labu izturību ar spēcīgu izturību pret jūras ūdeni un atmosfēras koroziju.

Magnijs palīdz sakausējumam saglabāt stabilu aizsargājošu oksīda izturēšanos un nodrošina labu veiktspēju vidēs, kurās ir hlorīds. Tāpēc 5xxx sakausējumi ir izplatīti:

• kuģu būve,
• ārzonas struktūras,
• jūras aparatūra,
• spiediena tvertnes,
• un transporta aprīkojumu.

Lai arī, ir svarīgs ierobežojums. Kad magnija saturs kļūst augsts un sakausējums tiek pakļauts ilgstošai stiepes spriedzei, risks Stresa korozijas plaisāšana var palielināties.

Citiem vārdiem sakot, magnijs daudzos iestatījumos uzlabo izturību pret koroziju, bet tikai pareizajā sastāva un pakalpojumu logā.

Vara (Cu)

Varš tiek pievienots galvenokārt, lai palielinātu izturību, īpaši iekšā 2xxx sērija piemēram 2024 un 2017.

Šie sakausējumi tiek novērtēti tur, kur mehāniskā veiktspēja ir kritiska, bet varš kopumā samazina izturību pret koroziju.

Iemesls ir metalurģisks: ar varu bagāti reģioni var kļūt par elektroķīmiski aktīvām vietām, kas veicina lokalizētu uzbrukumu. Rezultātā, 2xxx sakausējumi ir vairāk pakļauti:

• starpgranulārā korozija,
• lobīšana,
• un sprieguma korozijas plaisāšana.

Šī iemesla dēļ, 2xxx sakausējumus plaši izmanto kosmosa konstrukcijās, kur izturība ir būtiska, bet tiem bieži nepieciešama aizsargājoša apstrāde, piemēram, anodēšana, apšuvums, vai pārklājumus, lai sasniegtu pieņemamu izturību.

Silīcijs (Un)

Lai uzlabotu, parasti izmanto silīciju liešana, īpaši iekšā 3xxx un 4xxx ģimenes.

Šie sakausējumi parasti piedāvā mērenu izturību pret koroziju un labu ražošanas darbību. Tie tiek plaši izmantoti:

• automobiļu komponenti,
• virtuves piederumi,
• siltummaiņa daļas,
• un lietie izstrādājumi, kur svarīga ir plūstamība un apstrādājamība.

Silīcijs parasti nerada tādu pašu korozijas ietekmi, kas saistīta ar sakausējumiem, kas bagāti ar varu.

Tā vietā, to biežāk izmanto kā apstrādes palīglīdzekli, kas palīdz kontrolēt liešanas uzvedību un mehānisko reakciju, būtiski neapdraudot korozijas veiktspēju.

Cinks (Zn)

Cinks ir galvenais stiprinošais elements 7xxx sērija, ieskaitot sakausējumus, piemēram, 7075 un 7050.

Tie ir vieni no spēcīgākajiem pieejamajiem alumīnija sakausējumiem, bet tie ir arī neaizsargātāki pret ar koroziju saistītām problēmām nekā mazāk leģētās sērijas.

Augstas stiprības 7xxx sakausējumiem bieži ir rūpīgi jāizvēlas rūdījums, jo tie var būt jutīgi pret:

• Stresa korozijas plaisāšana,
• starpgranulārā korozija,
• un īpašuma zaudēšana agresīvā vidē.

Šī iemesla dēļ, īpaši termiskās apstrādes apstākļi, piemēram T73, bieži izmanto, ja jāuzlabo izturība pret koroziju, pat ja tiek upurēts kāds maksimālais spēks.

Šeit atkal, inženierijas noteikums ir skaidrs: maksimālā izturība automātiski nenozīmē maksimālu izturību.

Hroms (Krekls) un titāns (No)

Hromu un titānu parasti pievieno nelielos daudzumos, lai uzlabotu graudu struktūru un uzlabotu metalurģijas kontroli.

Tie parasti nav galvenie stiprības elementi, taču tiem ir svarīga atbalsta loma.

Šie nelieli papildinājumi palīdz uzlabot:

• graudu rafinēšana,
• īpašuma konsekvenci,
• stiprības stabilitāte,
• un daudzos gadījumos kopējais līdzsvars starp izturību un izturību pret koroziju.

Labs piemērs ir 6xxx sērija, piemēram 6061 un 6063.

Šajos sakausējumos kā galveno stiprināšanas sistēmu izmanto magniju un silīciju, savukārt hroms un titāns palīdz uzlabot struktūru un atbalsta noderīgu izturību pret koroziju, izturība, un formablitāte.

Tas ir viens no iemesliem, kāpēc 6xxx sakausējumi bieži tiek uzskatīti par vispārējas nozīmes inženiertehniskajiem materiāliem.

Korozijas uzvedība parastajās alumīnija sakausējumu grupās

6. Aizsargā alumīniju: Korozijas izturības uzlabošana

Anodēšana: oksīda slāņa sabiezēšana

Anodēšana ir viena no vissvarīgākajām alumīnija virsmas apstrādes metodēm, jo ​​tā apzināti sabiezina un kontrolē oksīda slāni..

Anoda oksīda plēvju literatūrā ir izšķirtas barjeras tipa un porainas plēves, un atzīmē, ka noslēgtas porainas plēves var izmantot vietās, kur nepieciešama izcila izturība pret koroziju.

Praktiski, anodēšana pārvērš alumīnija dabisko pasīvo plēvi vairāk izstrādātā aizsargslānī.

Aizsargpārklājumi

Aizsargpārklājumi darbojas kā fiziska barjera starp alumīniju un tā vidi, neļaujot kodīgiem līdzekļiem nokļūt metāla virsmā. Parastie pārklājumi ietver:

• Krāsa un pulvera pārklājums: Uzklāj uz alumīnija virsmām gan estētiskiem, gan aizsardzības nolūkiem. Pulvera pārklājums ir īpaši izturīgs, piedāvā izcilu izturību pret šķeldošanu, izbalēšanu, un korozija.
  Lai arī, tas ir mazāk efektīvs nekā anodēšana skarbos apstākļos, jo pārklājumi laika gaitā var lobīties vai saplaisāt.
• Ķīmiskās konversijas pārklājumi: Tievs, lipīgi pārklājumi (Piem., hromāts, fosfāts) kas veido aizsargkārtu uz alumīnija.
  Šos pārklājumus bieži izmanto kā grunti pirms krāsošanas, uzlabo adhēziju un izturību pret koroziju.
• Keramikas pārklājumi: Izmanto augstas temperatūras aplikācijām (Piem., kosmosa dzinēju sastāvdaļas), keramiskie pārklājumi nodrošina karstumizturību un aizsardzību pret koroziju temperatūrā virs 500°C.

Izvairīšanās no galvaniskās korozijas

Alumīnija mezgli jāprojektē tā, lai mitruma klātbūtnē samazinātu elektriski savienotu kontaktu ar vairāk cēlmetālu.

Izolācijas paplāksnes, hermētiķi, pārklājumi, un laba drenāža palīdz samazināt galvanisko uzbrukumu. Jauktu metālu konstrukcijās, dizaina detaļām bieži ir lielāka nozīme nekā pašam sakausējumam.

Pareiza apkope un tīrīšana

Tīrīšana ir svarīga, jo nogulsnes, sāls plēves, iesprostots mitrums, un piesārņojums var mainīt vietējo ķīmiju.

Tīrs, sauss, un uz labi nosusinātas alumīnija virsmas ir daudz mazāka iespēja, ka veidosies traips vai lokāls uzbrukums, nekā virsma, kas ilgstoši paliek mitra vai piesārņota.

7. Secinājums: Alumīnijs nerūsē, bet var korodēt

Lai atbildētu uz jautājumu “Vai alumīnijs nerūsē?” ar absolūtu skaidrību: Ne, alumīnijs nerūsē.

Alumīnijs nav neievainojams. Skābā vai sārmainā vidē, Ar hlorīdiem bagāta vide, spraugas, galvaniskie pāri, un noteikti sakausējuma/temperatūras nosacījumi, pasīvā plēve var lokāli sabojāt un progresēt korozija.

Tādos gadījumos, pareizais jautājums nav “Kāpēc alumīnijs sarūsēja?” bet “Kāds alumīnija korozijas mehānisms ir klāt, un kā to vajadzētu kontrolēt?”

Tāpēc visprecīzākais kopsavilkums ir šāds: alumīnijs nerūsē, bet tas var sarūsēt, un šīs atšķirības izpratne ir atslēga, lai to pareizi izmantotu.

 

FAQ

Vai alumīnijs nerūsē ūdenī?

Ne. Alumīnijs nerūsē dzelzs nozīmē. Tas parasti veido aizsargājošu oksīda plēvi, lai gan atkarībā no vides joprojām var rasties ūdens traipi vai lokāla korozija.

Kāpēc alumīnijs dažreiz kļūst balts?

Baltas virsmas atlikums parasti ir oksīda krāsojums vai korozijas produkts, nav īsta rūsa. Termins “baltā rūsa” parasti tiek lietots attiecībā uz cinku, nevis alumīnijs.

Vai alumīnijs var ātrāk sarūsēt, ja tas pieskaras tēraudam?

Jā. Atšķirīgs metāla kontakts mitruma klātbūtnē var izraisīt galvanisku koroziju, īpaši, ja locītava nav izolēta vai pareizi pārklāta.

Ir anodēta alumīnija rūsas necaurlaidīga?

Neviens materiāls nav pilnīgi izturīgs pret rūsu vai koroziju. Anodēšana uzlabo izturību pret koroziju, sabiezinot oksīda slāni un padarot to aizsargājošāku.