Ржавеет ли алюминий?

1. Введение

Короткий ответ: нет: алюминий не ржавеет. Ржавчина — это продукт коррозии, связанный с железом и его сплавами, такими как сталь..

Алюминий ведет себя по-другому: при воздействии кислорода, он образует тонкий, плотно прилегающая пленка оксида алюминия, которая замедляет дальнейшее разрушение, а не отслаивается и обнажает свежий металл..

Эта оксидная пленка является основной причиной того, что алюминий широко считается естественным коррозионностойким металлом..

Это не означает, что алюминий невосприимчив к коррозии.. Значит механизм коррозии другой..

Алюминий может испачкаться, яма, подвергнуться гальванической атаке, и деградируют в агрессивной среде; он просто не образует «ржавчину» в техническом смысле.

Настоящий вопрос, затем, не ржавеет ли алюминий, но при каких условиях его защитный оксидный слой выходит из строя или становится недостаточным.

2. Определение ржавчины: Критическое различие между ржавчиной и коррозией

Что такое ржавчина?

Ржавчина — это знакомый красновато-коричневый продукт коррозии, образующийся в результате реакции железа или стали с кислородом и влагой.. Это пористый, плохо прилегает, и не защищает основной металл.

Как результат, коррозия может продолжать распространяться после образования ржавчины. Алюминий не производит такого химического состава ржавчины, как оксид железа.. Вместо, на его поверхности быстро образуется компактная пленка оксида алюминия..

Коррозия против. ржавчина: более широкая перспектива

Коррозия - это более широкий термин в материаловедении.. Это относится к разложению металла под воздействием окружающей среды в результате электрохимических или химических реакций..

Полезность многих конструкционных сплавов зависит от пассивных пленок.; когда эти фильмы ломаются локально, результатом является локальная коррозия, такая как точечная или щелевая коррозия, а не ржавчина в узком смысле железа..

Окисление алюминия: не ржавеет, но защитный щит

Алюминий противостоит прогрессирующему окислению, которое приводит к ржавчине стали.. Его открытая поверхность в сочетании с кислородом образует инертную пленку оксида алюминия толщиной всего несколько десятимиллионных дюйма..

Эта пленка крепко прилипает, прозрачный, и блокирует дальнейшее окисление. Если он поцарапан, он быстро заживает.

3. Наука об окислении алюминия: Механизмы и свойства

Процесс окисления: быстрый, тонкий, и самоограничение

Алюминий очень быстро окисляется под воздействием воздуха или влаги., но реакция ведет себя совсем иначе, чем коррозия железа.

На свежеобнаженном алюминии, почти сразу образуется тонкая оксидная пленка, и эта пленка замедляет дальнейший транспорт кислорода к поверхности металла..

В большинстве обычных сред, результат пассивация, не видимая коррозия в смысле ржавчины.

Слой родного оксида чрезвычайно тонкий., приверженец, и достаточно стабилен, чтобы сделать алюминий естественно устойчивым к коррозии в атмосферных условиях..

Это основная металлургическая причина, по которой алюминий не ржавеет..

Ржавчина – пористая, незащитный продукт коррозии; оксид алюминия представляет собой компактную барьерную пленку, которая подавляет дальнейшую реакцию, а не поощряет ее..

В практическом плане, химический состав поверхности алюминия самозащитен во многих распространенных условиях., вот почему металл по-прежнему так широко используется в транспорте., строительство, и потребительские товары.

Основные свойства оксида алюминия (Al₂o₃)

Причина, по которой оксид алюминия так хорошо работает в качестве защитного слоя, заключается в том, что его профиль свойств принципиально отличается от ржавчины железа..

Ржавчина имеет тенденцию быть грубой, пористый, и шелушащийся, поэтому он не защищает основную сталь эффективно.

Напротив, оксид алюминия компактен, плотно прилегающий, и химически стабилен в полезном экологическом окне.

В справочниках по коррозии алюминия отмечается, что пленка собственного оксида стабильна примерно в течение pH 4 к 8 диапазон, в то время как более сильные кислоты или щелочи могут растворить его..

Более подробное сравнение показано ниже..

Механизм самовосстановления: критическое преимущество

Одной из наиболее ценных особенностей алюминия является то, что оксидная пленка самоисцеление. Если поверхность поцарапана или недавно подверглась воздействию, кислород немедленно вступает в реакцию с новой поверхностью алюминия, и снова образуется свежий оксидный слой..

Это не означает, что алюминий невосприимчив к любой коррозии., но это означает, что небольшие повреждения поверхности обычно не ведут себя так, как распространение, самораспространяющаяся коррозия, наблюдаемая в железе.

Такое самопассивирующее поведение является основной причиной того, что алюминий устойчив к коррозии на воздухе..

Оксидная пленка в естественном состоянии имеет толщину всего несколько нанометров., но этого достаточно, чтобы заблокировать дальнейшую быструю атаку во многих средах.

При анодировании, оксидный слой становится намного толще и более защитным, именно поэтому анодированный алюминий можно использовать там, где важны как внешний вид, так и долговечность..

4. Когда алюминий ржавеет: Ограничения оксидного слоя

Условия окружающей среды, разрушающие оксидный слой

Кислотная и щелочная среда

Собственный оксид алюминия стабилен только в умеренном диапазоне pH.. В кислых условиях, оксид растворяется под воздействием кислоты; в щелочных условиях, он растворяется с образованием алюминатов, таких как Al(ОЙ)₄⁻.

В практическом плане, сильные кислоты и сильные основания могут повредить защитную пленку и постоянно обнажать свежий алюминий..

Среда, богатая хлоридами

Хлориды особенно агрессивны, поскольку препятствуют пассивации и способствуют локальному разрушению пленки..

Классический обзор коррозии по питтингу объясняет, что питтинг возникает, когда разрушается защитная пассивная пленка., и что ионы хлорида обычно являются ключевыми агрессивными частицами..

Таким образом, среда с высоким содержанием хлоридов представляет собой один из наиболее серьезных рисков коррозии для алюминиевых сплавов..

Высокотемпературная среда

При повышенных температурах, родной оксид остается важным, но проблема дизайна меняется.

Покрытия, обработка поверхности, и выбор сплава становятся более важными, поскольку термическое воздействие может усилить окисление и нарушить защиту поверхности..

Для алюминия, инженерные анодно-оксидные пленки часто используются именно потому, что они обеспечивают более надежный и контролируемый защитный барьер, чем только нативная пленка..

Распространенные виды коррозии алюминия — не ржавчина

Коррозия ячейки

Питтинг – это локализованное растворение, которое развивается там, где пассивная пленка разрушается..

Это один из наиболее важных видов коррозии алюминия, поскольку он может быть глубоким., локализованный, и трудно обнаружить на ранней стадии. Загрязнение хлоридами является классическим триггером.

Гальваническая коррозия

Когда алюминий электрически соединяется с более благородным металлом в присутствии влаги., алюминий может корродировать преимущественно.

Это проблема дизайна, а также проблема химии.: контакт с разнородными металлами, захваченная влага, и плохая изоляция повышают риск.

Щелевая коррозия

Щелевая коррозия возникает в защищенных закрытых зонах, где местный химический состав отличается от химического состава открытой поверхности..

Это тесно связано с точечной коррозией, поскольку оба возникают в результате разрушения пассивной пленки и локального электрохимического дисбаланса..

Нитевидная коррозия

Нитевидная коррозия проявляется как случайная, неразветвленные белые туннели продуктов коррозии, часто под покрытиями или на незащищенном металле.

Обычно это больше вредит внешнему виду, чем силе., хотя тонкий лист можно перфорировать.

Межцентральная коррозия

Некоторые семейства алюминиевых сплавов уязвимы к межкристаллитному разрушению, когда легирование или термообработка приводит к неблагоприятным выделениям на границах зерен..

Классический пример – деформируемые сплавы с высоким содержанием магния., где почти непрерывное осаждение Al₈Mg₅ на границах зерен может повысить склонность к отслаиванию или коррозионному растрескиванию под напряжением.

Сплавы с высоким содержанием меди также могут быть уязвимы для межкристаллитных форм коррозии в некоторых условиях..

Алюминий «белая ржавчина»: неправильное название

«Белая ржавчина» по праву относится к цинку и оцинкованной стали., не алюминий.

Когда на алюминии появляются белые пятна или белые остатки на поверхности., это явление обычно представляет собой форму оксидного пятна или продукта коррозии, а не настоящую ржавчину..

Другими словами, внешний вид может быть похож на «белую ржавчину»,” но химия другая.

5. Алюминиевые сплавы: Как состав влияет на коррозионную стойкость

Коррозионная стойкость алюминия определяется не только «алюминием».. В инженерной практике, Коррозионное поведение алюминиевой детали сильно зависит от ее серия сплавов, характер, Микроструктура, и окружающая среда.

Ключевые легирующие элементы и их коррозионное воздействие

Магний (мг)

Магний является одним из важнейших легирующих элементов алюминия., особенно в 5ххх серия.

Это часто связано с превосходной коррозионной стойкостью., особенно в морской среде.

Сплавы, такие как 5052 и 5083 широко используются, поскольку сочетают в себе хорошую прочность с высокой устойчивостью к морской воде и атмосферной коррозии..

Магний помогает сплаву сохранять стабильные защитные свойства оксида и обеспечивает хорошие характеристики в средах, содержащих хлориды.. Вот почему сплавы 5ххх распространены в:

• судостроение,
• оффшорные структуры,
• морское оборудование,
• сосуды под давлением,
• и транспортное оборудование.

Однако, есть важное ограничение. Когда содержание магния становится высоким и сплав подвергается длительному растягивающему напряжению., риск коррозионное растрескивание под напряжением может увеличиться.

Другими словами, магний улучшает коррозионную стойкость во многих условиях, но только в пределах правильного состава и окна обслуживания.

Медь (Cu)

Медь добавляют в первую очередь для повышения прочности., особенно в 2ххх серия такой как 2024 и 2017.

Эти сплавы ценятся там, где механические характеристики имеют решающее значение., но медь вообще снижает коррозионную стойкость.

Причина в металлургии: богатые медью регионы могут стать электрохимически активными участками, которые способствуют локализованной атаке.. Как результат, 2Сплавы ххх более склонны к:

• межкристаллитная коррозия,
• питтинг,
• и коррозия стресса растрескивается.

По этой причине, 2Сплавы ххх широко используются в аэрокосмических конструкциях, где важна прочность., но они часто требуют защитной обработки, такой как анодирование., облицовка, или покрытия для достижения приемлемой долговечности.

Кремний (И)

Кремний обычно используется для улучшения листовиденность, особенно в 3ххх и 4ххх семьи.

Эти сплавы, как правило, обладают умеренной коррозионной стойкостью и хорошими производственными свойствами.. Они широко используются в:

• автомобильные компоненты,
• посуда,
• части теплообменника,
• и литые изделия, для которых важны текучесть и технологичность.

Кремний обычно не вызывает такого же ущерба от коррозии, как и сплавы с высоким содержанием меди..

Вместо, его чаще используют в качестве технологической добавки, которая помогает контролировать поведение отливки и механическую реакцию без серьезного ущерба для коррозионных характеристик..

Цинк (Зн)

Цинк является основным укрепляющим элементом в 7ххх серия, включая такие сплавы, как 7075 и 7050.

Это одни из самых прочных алюминиевых сплавов., но они также более уязвимы к проблемам, связанным с коррозией, чем низколегированные серии..

Высокопрочные сплавы 7xxx часто требуют тщательного выбора отпуска, поскольку они могут быть подвержены:

• коррозионное растрескивание под напряжением,
• межкристаллитная коррозия,
• и потери имущества в агрессивных средах.

По этой причине, специальные условия термообработки, такой как Т73, часто используются, когда необходимо улучшить коррозионную стойкость, даже если пожертвовать некоторой пиковой силой.

Здесь снова, инженерное правило ясно: максимальная прочность не означает автоматически максимальную долговечность.

Хром (Кр) и титан (Из)

Хром и титан обычно добавляются в небольших количествах для улучшения зернистой структуры и улучшения металлургического контроля..

Обычно они не являются основными силовыми элементами., но они играют важную вспомогательную роль.

Эти незначительные дополнения помогают улучшить:

• уточнение зерна,
• согласованность свойств,
• прочностная стабильность,
• и во многих случаях общий баланс между прочностью и коррозионной стойкостью.

Хорошим примером является 6ххх серия, такой как 6061 и 6063.

В этих сплавах в качестве основной системы упрочнения используются магний и кремний., в то время как хром и титан помогают улучшить структуру и обеспечивают полезную комбинацию коррозионной стойкости., сила, и формуемость.

Это одна из причин, по которой сплавы 6ххх часто считаются конструкционными материалами общего назначения..

Коррозионное поведение распространенных семейств алюминиевых сплавов

6. Защита алюминия: Повышение коррозионной стойкости

Анодирование: утолщение оксидного слоя

Анодирование является одним из наиболее важных видов обработки поверхности алюминия, поскольку оно намеренно утолщает и контролирует оксидный слой..

В литературе по анодно-оксидным пленкам различают пленки барьерного и пористого типа., и отмечает, что герметичные пористые пленки могут использоваться там, где требуется превосходная коррозионная стойкость..

В практическом плане, анодирование превращает естественную пассивную пленку алюминия в более сложный защитный слой..

Защитные покрытия

Защитные покрытия действуют как физический барьер между алюминием и окружающей средой., предотвращение попадания коррозионно-активных веществ на металлическую поверхность. Общие покрытия включают в себя:

• Краска и порошковое покрытие: Наносится на алюминиевые поверхности как в эстетических, так и в защитных целях.. Порошковое покрытие отличается особой долговечностью., обеспечивает превосходную устойчивость к сколам, угасание, и коррозия.
  Однако, он менее эффективен, чем анодирование в суровых условиях, поскольку покрытия со временем могут отслаиваться или трескаться.
• Химические конверсионные покрытия: Тонкий, адгезионные покрытия (например, хромат, фосфат) образующие защитный слой на алюминии.
  Эти покрытия часто используются в качестве грунтовки перед покраской., повышение адгезии и коррозионной стойкости.
• Керамические покрытия: Используется для высокотемпературных применений. (например, компоненты аэрокосмического двигателя), керамические покрытия обеспечивают термостойкость и защиту от коррозии при температуре выше 500°С..

Как избежать гальванической коррозии

Алюминиевые сборки должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать электрический контакт с более благородными металлами в присутствии влаги..

Изолирующие шайбы, герметики, покрытия, и хороший дренаж помогают уменьшить гальваническую атаку.. В смешанных металлических конструкциях, детали конструкции часто имеют большее значение, чем сам сплав.

Правильный уход и чистка

Очистка имеет значение, потому что отложения, соляные пленки, захваченная влага, и загрязнение могут изменить местную химию.

Чистый, сухой, На хорошо дренированной алюминиевой поверхности гораздо меньше шансов на появление пятен или локальных повреждений, чем на поверхности, которая остается влажной или загрязненной в течение длительного времени..

7. Заключение: Алюминий не ржавеет, но может корродировать

Чтобы ответить на вопрос «Ржавет ли алюминий?» с абсолютной ясностью: Нет, алюминий не ржавеет.

Алюминий не неуязвим. В кислой или щелочной среде, Обогащенные хлоридом среды, щели, гальванические пары, и определенные условия сплава/температуры, пассивная пленка может локально выйти из строя, и коррозия может прогрессировать..

В этих случаях, правильный вопрос не «Почему алюминий заржавел»?», а «Какой механизм коррозии алюминия присутствует?», и как это нужно контролировать?»

Поэтому самое точное изложение таково:: алюминий не ржавеет, но он может подвергнуться коррозии — и понимание этой разницы является ключом к его правильному использованию..

 

Часто задаваемые вопросы

Ржавеет ли алюминий в воде?

Нет. Алюминий не ржавеет в смысле железа.. Обычно образует защитную оксидную пленку., хотя образование пятен от воды или локальная коррозия все равно могут возникать в зависимости от окружающей среды..

Почему алюминий иногда белеет?

Белый остаток на поверхности обычно представляет собой оксидное пятно или продукт коррозии., не настоящая ржавчина. Термин «белая ржавчина» обычно используется для обозначения цинка., не алюминий.

Может ли алюминий корродировать быстрее, если он соприкасается со сталью??

Да. Контакт разнородных металлов в присутствии влаги может вызвать гальваническую коррозию., особенно если стык не изолирован или не покрыт должным образом.

Анодированный алюминий устойчив к ржавчине?

Ни один материал не является абсолютно устойчивым к ржавчине или коррозии.. Анодирование улучшает коррозионную стойкость за счет утолщения оксидного слоя и делает его более защитным..