Содержание
Как и любой другой металл, алюминий подвергается коррозии, одним из проявлений которой является ржавчина. В отличие от стали, на которой коррозия оставляет характерные следы, алюминий ржавеет иначе. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, гибкостью, нетоксичностью, серебристым цветом, благодаря чему его используют во многих отраслях промышленности и в домашнем хозяйстве.
19 сентября 2016
Ржавеет ли аллюминий: причины
Если сплавы железа ржавеют относительно быстро, то при нормальных условиях алюминий практически не разрушается. На его поверхности появляется защитная пленка из оксида алюминия. Она имеет тонкий слой примерно 5−10 мм, но обладает высокой прочностью. Этот слой не позволяет влаге, воздуху разрушать структуру металла.
Как только нарушается целостность оксидной пленки, металл корродирует. Причинами повреждения защитного слоя может являться взаимодействие с кислотами, растворителями и щелочами, механическое воздействие (например, силы трения).
В промышленных районах и в городской среде оксидная пленка нарушается за счет продуктов распада топлива, взаимодействия с серой и с окислами углерода.
Интенсивно растворяют пассирующий слой такие элементы, как фтор, хлор, натрий, и соединения брома. Строительные растворы с добавлением цемента также приводят к быстрой порче металла. Морская вода также вызывает интенсивное разрушение чистого алюминия, поэтому на практике используют сплав с медью и марганцем, получивший название дюралюминия.
Гальванические пары способны вызывать электрохимическую коррозию. В местах соединений двух разнородных металлов ржавчина выступает наиболее заметно. При этом коррозии подвергается только один металл, а второй выступает в роли источника. Поэтому не рекомендуют использовать алюминиевые кузова при контакте с железом.
Почему алюминий не ржавеет?
Следующие факторы замедляют и даже полностью приостанавливают процесс порчи металла:
1. Для сохранения антикоррозионных свойств алюминия значение имеет кислотно-щелочной баланс (pH) в диапазоне от 6 до 8 единиц.
2. Металл без примесей лучше справляется с агрессивной средой. Согласно экспериментам, сплав, состоящий на 90% из чистого алюминия, в 80 раз быстрее подвергается коррозии, чем сплав, который состоит на 99% чистого металла.
3. Дополнительный защитный слой помимо естественного сохраняет структуру металла даже в агрессивных средах. Для этого используют анодирование защитного слоя, покрытие специальными красками и полимерными составами.
4. Предотвратить появление ржавчины помогает добавление марганца на 3% в процессе производства алюминия.
Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.
Для реакции Al 3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет -1,66 В.
Температура плавления алюминия — 660 °C.
Плотность алюминия — 2,6989 г/см 3 (при нормальных условиях).
Алюминий, хоть и является активным металлом, отличается достаточно хорошими коррозионными свойствами. Это можно объяснить способностью пассивироваться во многих агрессивных средах.
Коррозионная стойкость алюминия зависит от многих факторов: чистоты металла, коррозионной среды, концентрации агрессивных примесей в среде, температуры и т.д. Сильное влияние оказывает рН растворов. Оксид алюминия на поверхности металла образуется только в интервале рН от 3 до 9!
Очень сильно влияет на коррозионную стойкость Al его чистота. Для изготовления химических агрегатов, оборудования используют только металл высокой чистоты (без примесей), например алюминий марки АВ1 и АВ2.
Коррозия алюминия не наблюдается только в тех средах, где на поверхности металла образуется защитная оксидная пленка.
При нагревании алюминий может реагировать с некоторыми неметаллами:
2Al + N2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;
4Al + 3С → Al4С3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;
2Al + 3S → Al2S3 – взаимодействие алюминия и серы с образованием сульфида алюминия.
Коррозия алюминия на воздухе (атмосферная коррозия алюминия)
Алюминий при взаимодействии с воздухом переходит в пассивное состояние. При соприкосновении чистого металла с воздухом на поверхности алюминия мгновенно появляется тонкая защитная пленка оксида алюминия. Далее рост пленки замедляется. Формула оксида алюминия – Al2O3 либо Al2O3•H2O.
Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:
Толщина этой оксидной пленки составляет от 5 до 100 нм (в зависимости от условий эксплуатации). Оксид алюминия обладает хорошим сцеплением с поверхностью, удовлетворяет условию сплошности оксидных пленок. При хранении на складе, толщина оксида алюминия на поверхности металла составляет около 0,01 – 0,02 мкм. При взаимодействии с сухим кислородом – 0,02 – 0,04 мкм. При термической обработке алюминия толщина оксидной пленки может достигать 0,1 мкм.
Алюминий достаточно стоек как на чистом сельском воздухе, так и находясь в промышленной атмосфере (содержащей пары серы, сероводород, газообразный аммиак, сухой хлороводород и т.п.). Т.к. на коррозию алюминия в газовых средах не оказывают никакого влияния сернистые соединения – его применяют для изготовления установок переработки сернистой нефти, аппаратов вулканизации каучука.
Коррозия алюминия в воде
Коррозия алюминия почти не наблюдается при взаимодействии с чистой пресной, дистиллированной водой. Повышение температуры до 180 °С особого воздействия не оказывает. Горячий водяной пар на коррозию алюминия влияния также не оказывает. Если в воду, даже при комнатной температуре, добавить немного щелочи – скорость коррозии алюминия в такой среде немного увеличится.
Взаимодействие чистого алюминия (не покрытого оксидной пленкой) с водой можно описать при помощи уравнения реакции:
При взаимодействии с морской водой чистый алюминий начинает корродировать, т.к. чувствителен к растворенным солям. Для эксплуатации алюминия в морской воде в его состав вводят небольшое количество магния и кремния. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов, при воздействии морской воды, значительно снижается, если в состав метала будет входить медь.
Коррозия алюминия в кислотах
С повышением чистоты алюминия его стойкость в кислотах увеличивается.
Коррозия алюминия в серной кислоте
Для алюминия и его сплавов очень опасна серная кислота (обладает окислительными свойствами) средних концентраций. Реакция с разбавленной серной кислотой описывается уравнением:
Концентрированная холодная серная кислота не оказывает никакого влияния. А при нагревании алюминий корродирует:
При этом образуется растворимая соль – сульфат алюминия.
Al стоек в олеуме (дымящая серная кислота) при температурах до 200 °С. Благодаря этому его используют для производства хлорсульфоновой кислоты (HSO3Cl) и олеума.
Коррозия алюминия в соляной кислоте
В соляной кислоте алюминий или его сплавы быстро растворяются (особенно при повышении температуры). Уравнение коррозии:
Аналогично действуют растворы бромистоводородной (HBr), плавиковой (HF) кислот.
Коррозия алюминия в азотной кислоте
Концентрированный раствор азотной кислоты отличается высокими окислительными свойствами. Алюминий в азотной кислоте при нормальной температуре исключительно стоек (стойкость выше, чем у нержавеющей стали 12Х18Н9). Его даже используют для производства концентрированной азотной кислоты методом прямого синтеза
При нагревании коррозия алюминия в азотной кислоте проходит по реакции:
Коррозия алюминия в уксусной кислоте
Алюминий обладает достаточно высокой стойкостью к воздействию уксусной кислоты любых концентраций, но только если температура не превышает 65 °С. Его используют для производства формальдегида и уксусной к-ты. При более высоких температурах алюминий растворяется (исключение составляют концентрации кислоты 98 – 99,8%).
В бромовой, слабых растворах хромовой (до10%), фосфорной (до 1%) кислотах при комнатной температуре алюминий устойчив.
Слабое влияние на алюминий и его сплавы оказывают лимонная, масляная, яблочная, винная, пропионовая кислоты, вино, фруктовые соки.
Щавелевая, муравьиная, хлорорганические кислоты разрушают металл.
На коррозионную стойкость алюминия очень сильно влияет парообразная и капельножидкая ртуть. После недолгого контакта металл и его сплавы интенсивно корродируют, образуя амальгамы.
Коррозия алюминия в щелочах
Щелочи легко растворяют защитную оксидную пленку на поверхности алюминия, он начинает реагировать с водой, в результате чего металл растворяется с выделением водорода (коррозия алюминия с водородной деполяризацией).
Также оксидную пленку разрушают соли ртути, меди и ионы хлора.
Алюминий – широко распространенный в промышленности и быту металл. Окисление алюминия на воздухе не происходит. Его инертность обусловлена тонкой оксидной пленкой, защищающей его. Однако под влиянием определенных факторов из окружающей среды этот метал все же подвергается разрушительным процессам, и коррозия алюминия – не такое уж и редкое явление.
Виды коррозии
Окисляется алюминий в атмосфере быстро, но на небольшую глубину. Этому препятствует защитная окисная пленка. Окисление ускоряется выше температуры плавления алюминия. Если нарушается целостность оксидной пленки, алюминий начинает корродировать. Причинами истончения его защитного слоя могут стать различные факторы, начиная с воздействия кислот, щелочей и заканчивая механическим повреждением.
Коррозия алюминия – саморазрушение металла под воздействием окружающей среды. По механизму протекания выделяют:
- Химическую коррозию – происходит в газовой среде без участия воды.
- Электрохимическую коррозию – протекает во влажных средах.
- Газовое разрушение – но сопровождает нагрев и горячую обработку алюминия. В результате взаимодействия кислорода с металлами возникает плотная окисная пленка. Вот почему алюминий не ржавеет, как и все цветные металлы.
На видео: электрохимическая коррозия металлов и способы защиты.
Причины коррозии алюминия
Коррозионная стойкость алюминия зависит от нескольких факторов:
- чистоты – наличия примесей в металле;
- воздействующей среды – алюминий может одинаково подвергаться разрушению и на чистом сельском воздухе и в промышленно загрязненных районах;
- температуры.
Во многих случаях малоконцентрированные кислоты могут растворить алюминий. От возникновения коррозии не защищает естественная окисная пленка.
Мощные разрушители – фтор, калий, натрий. Алюминий и его сплавы корродируют при воздействии химических соединений брома и хлора, растворов извести и цемента.
Коррозия алюминия и его сплавов происходит в воде, воздухе, оксидах углерода и серы, растворах солей. Морская вода приводит к ускоренному разрушению. Алюминий считается активным металлом, но при этом отличается хорошими коррозионными свойствами.
Выделяют два основных фактора, которые влияют на интенсивность коррозийного процесса:
- степень агрессивности воздействующей окружающей среды – влажность, загрязненность, задымленность;
- химическая структура.
Алюминий не подвергается коррозии в чистой воде. Не влияют на защитную оксидную пленку нагревание и пар.
Проявление коррозии алюминия
Выделяют следующие виды коррозии алюминия и его сплавов:
- Поверхностная – наиболее распространенная, приносит наименьший вред, легко заметна и быстро поддается устранению.
- Локальная – разрушения наблюдаются в виде углублений и пятен. Опасный вид коррозии в силу своей незаметности. Встречается в труднодоступных частях и узлах металлических конструкций.
- Нитеподобная, филигрань – наблюдается под покрытиями из органики, на ослабленных местах поверхности.
Любой из видов коррозии конструкций из алюминия является причиной разрушения.
Это сокращает срок эксплуатации изделий. В гальванической паре алюминий может корродировать, при этом он защищает другой металл.
Естественных антикоррозийных свойств алюминия и его сплавов недостаточно. Поэтому механизмы, агрегаты, конструкции и изделия из металла нуждаются в дополнительной защите.
Способы борьбы с коррозией
Защита от коррозии производится несколькими способами:
- Механическое лакокрасочное защитное покрытие.
- Электрохимическая защита – покрытие более активными металлами;
- Покрытие алюминия порошковыми составами, так называемый процесс аллюминирования;
- Высоковольтное анодирование;
- Химическое оксидирование;
- Применение ингибиторов коррозии.
Механическое покрытие
Как защитить алюминий от коррозии? Чаще всего применяют механический способ – нанесение слоя краски.
Покройте краской изделие и вы убедитесь в действенности этого способа. Окрашивание бывает мокрым и сухим, или порошковым. Эти технологии усовершенствуются. При мокром окрашивании лакокрасочные слои наносят после защиты алюминия составом, содержащим соединения цинка и стронция. Металлическую основу тщательно подготавливают: защищают, шлифуют, сушат. Грунт наносят поэтапно.
Когда растворитель из грунтовочной смеси полностью исчезнет, поверхность можно покрывать изолирующим составом: масляным или глифталиевым лаком.
Специальные составы помогают остановить коррозию и защищают алюминиевые конструкции от химикатов, бензина, различного вида масел. Выбор покрытия зависит от условий последующей эксплуатации металлического изделия:
- молотковые – применяют для получения конструкций различных цветовых оттенков, используемых в декоре;
- бакелитовые – наносят под высоким давлением, заполняя микротрещины и поры.
Порошковое окрашивание требует тщательной очистки поверхности от жира и различных отложений. Это достигается погружением в щелочные или кислотные растворы с добавлением смачивателей. Далее на алюминиевые конструкции наносится слой хроматных, фосфатных, циркониевых или титановых соединений. После этого он не будет окисляться.
После просушки материала на окислившийся участок наносят защитный полимер. Чаще всего используются полиэфиры, стойкие к механическому, химическому и термическому воздействию. Применяют полимеризованный уретан, эпоксидные и акриловые порошки.
Оксидирование алюминия
Оксидирование алюминия протекает при постоянном токе под напряжением 250 В. Наращивание защитной пленки происходит при комнатной температуре с водяным охлаждением. Не требуется импульсного источника. Пленки получаются плотными и прочными в течение 45-60 минут.
На плотность и цвет оксидного покрытия влияет температура электролита:
- пониженная температура образует плотную пленку яркого цвета;
- повышенная – формирует рыхлую пленку, требующую дальнейшей окраски.
Образовать защиту алюминия от коррозии можно электрохимической реакцией. Процесс разделен на несколько этапов:
1. На стадии подготовки алюминиевое изделие обезжиривают, погружая его в раствор щавелевой кислоты.
2. После промывания водой опускают в щелочной раствор, чтобы удалить неравномерно образовавшийся оксидный слой.
3. Для дополнительной окраски алюминиевые изделия погружают в соответствующие растворы солей. Чтобы заполнить образовавшиеся поры, металлический материал обрабатывают паром.
4. Затем изделие подвергают сушке. Анодное оксидирование может проводиться с применением переменного тока.
Для защиты от коррозии применяют химическое оксидирование – менее затратное, не требующее специального электрического оборудования и квалификации исполнителей. Используется несложный химический состав.
В процессе алюминирования полученная оксидная пленка толщиной в 3 мкм имеет салатный цвет, обладает высокими электроизоляционными свойствами, не пориста, не окрашивается.
Коррозия алюминия возникает вследствие находящихся рядом металлов, которые окислились. Предотвращению этот процесса способствует изоляция. Это могут быть прокладки из резины, битума, паронита. При покрытии ржавчиной применяются лак и другие изолирующие материалы. Других способов избавиться от этой проблемы пока нет.
