Коррозия алюминия: причины, факторы, решения.

Составляя около 8% всех элементов в земной коре, алюминий является распространенным металлом, который используется для изготовления различных изделий. Вы можете найти алюминий в автомобилях, самолетах, кровельных материалах, трансформаторах, проводниках, гайках, болтах, кухонной технике и многом другом. Его часто предпочитают другим металлам из-за сочетания прочности, стойкости к ржавчине, малого веса и пластичности. Низкая плотность и механическая прочность в сочетании с удовлетворительной стойкостью к коррозии делают алюминий привлекательным конструкционным материалом.

Но если вы собираетесь инвестировать в алюминиевый продукт, вы должны принять меры предосторожности, чтобы защитить его от коррозии. С химической точки зрения алюминий — один из наиболее реакционноспособных металлов, который активно взаимодействует не только с кислотами и щелочами, но и с водой! Кажущееся противоречие очень просто объясняется: под воздействием кислорода (или других окислителей) поверхность металлического алюминия покрывается прочной, химически устойчивой оксидной пленкой, предохраняющей металл от разрушения.

Влияние атмосферы на процесс коррозии зависит от климатической зоны, уровня развития промышленности в регионе и загрязненности атмосферы. Наиболее существенными факторами, определяющими коррозионные свойства атмосферы, являются: содержание пыли, газов, влажность и температура.

Коррозия -  это процесс разрушения металлов и их сплавов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды.

567575675.jpg
Рисунок 1 Сквозная коррозия алюминия

Насколько устойчив к коррозии алюминий?

Вообще говоря, алюминий и его сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью. Алюминий в своем естественном состоянии, коммерчески чистый или алюминий 1xxx*, обладает наилучшей коррозионной стойкостью, но это качество ухудшается при добавлении сплавов, особенно меди и железа, а также магния или цинка. Легирующие элементы, используемые для достижения желаемых свойств большинства групп коммерческих алюминиевых сплавов, перечислены ниже: Cu, Mn, Mg,Si/Mg, Zn/Mg, Zn/Mg/Cu. С увеличением чистоты алюминия возрастает его стойкость к коррозии. Наличие в составе слава примесей меди, кремния, магния усиливает воздействие кислот.

* Сплав 1100: алюминий марки 1100 представляет собой технически чистый алюминий. Он обладает отличной коррозионной стойкостью и широко используется в химической и пищевой промышленности. В остальном это мягкий и пластичный металл с отличной обрабатываемостью. Вы часто найдете сплав 1100 в приложениях, требующих формовки. Его можно сваривать любым способом, но он не подвергается термической обработке.

Коррозионная стойкость алюминия в значительной степени зависит от содержания примесей других металлов. Как известно, при контакте двух металлов, погруженных в среду электролита, образуется гальваническая пара, где более активный металл становится анодом, а менее активный — катодом. В результате электрохимической реакции анод разрушается. Большинство примесей (за исключением металлов, более активных, чем алюминий) играют роль катода по отношению к алюминию, т.е. способствуют его разрушению.

По этой причине алюминий более высокой чистоты отличается  высокой коррозионной стойкостью, чем технический металл, который, в свою очередь, более устойчив к коррозии, чем сплавы алюминия. Кроме того, коррозионная стойкость алюминия зависит от характеристик окружающей среды и от реакций, вызываемых этой средой в алюминии

Механизм коррозии алюминия

Коррозия возникает естественным образом, поскольку природа пытается вернуть металлы в их исходное стабильное окисленное состояние. Степень и серьезность коррозии, которая происходит с течением времени, зависит как от материала, так и от его рабочей среды. Коррозия – это дегенерация, вызванная элементами окружающей среды. Коррозия алюминия может происходить постепенно в течение недель, месяцев или даже лет. Со временем в алюминиевых изделиях могут образоваться большие отверстия из-за коррозии.

В присутствии окислителей поверхность алюминия покрывается защитным слоем окиси алюминия. Защитный слой, в свою очередь, состоит из двух слоев:

-   внутреннего слоя - Al2O3,  образуется при непосредственной реакции кислорода с металлом. Внутренний слой прочный, а его структура и толщина зависят от температуры окисления.

-   внешнего слоя, образующегося в результате реакции внутреннего слоя с водой. Толщина этого слоя зависит от времени протекания коррозии и концентрации агрессивных веществ в окружающей среде. Увеличение толщины наружного слоя происходит за счет окисления металла. Наружный слой пористый и он пропускает воздух и влагу.

Несмотря на то, что он не ржавеет, алюминий все же может страдать от коррозии. Некоторые считают, что ржавчина и коррозия — одно и то же, но это не всегда так. Коррозия относится к химически вызванному разрушению металла, вызванному элементами окружающей среды. 

Для сравнения, ржавчина относится к определенному типу коррозии, при котором железо окисляется под воздействием кислорода. Опять же, алюминий может подвергаться коррозии, но не ржавчине. Без железа алюминий полностью защищен от ржавчины. Когда алюминий начнет корродировать, он станет слабее. Подобно ржавчине, коррозия разъедает соответствующий металл. 

Как остановить коррозию алюминия?

Способы защиты алюминия от коррозии несколько:

- хранение в помещении с регулируемым климатом. Коррозия является результатом воздействия факторов окружающей среды, таких как влага, вызывающих химическую реакцию в алюминии. Если возможно, храните изделие или изделия из алюминия в помещении с контролируемым климатом, где оно не подвергается воздействию дождя, влажности или других природных элементов.

6576588.jpg
Рисунок 2 Пример неправильного хранения

- нанесение защитного покрытия

- минимизация  эффекта гальванической коррозии

Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла, таких как алюминий и сталь, находятся рядом друг с другом. Кислотность или щелочность окружающей среды существенно влияет на коррозионное поведение алюминиевых сплавов. При более низком и более высоком pH алюминий более подвержен коррозии, но не всегда. Например, алюминий достаточно устойчив к концентрированной азотной кислоте. Когда алюминий подвергается воздействию щелочных условий, может возникнуть коррозия за счет разрушения поверхностной пленки. Она стабильна в диапазоне pH от 4,5 до 8. Пленка может оставаться стабильной в других случаях в зависимости от окружающей среды, например азотная кислота при pH 0. Оксидная пленка может растворяться в большинстве сильных кислот и щелочей, и в этом случае коррозия алюминия будет быстрой.

865865865.jpg

Рисунок 3 Результат повышенной влажности производственной площадки

Скорость окисления и коррозии алюминия

Окисление алюминия происходит быстрее, чем окисление стали, потому что алюминий имеет сильное сродство к кислороду. Когда все атомы алюминия соединились с кислородом, процесс окисления прекращается.

Разрушающее действие коррозии всегда начинается с поверхности металла. Затем коррозия распространяется в глубину со скоростью, зависящей от вида металла или сплава, его состава, структуры, характеристик, а также состава и характеристик окружающей среды. Этому процессу чаще всего сопутствуют изменения внешнего вида поверхности: она становится матовой, изменяет цвет, появляются точки, пятна, вздутия и т. д.

В результате взаимодействия алюминия с окружающей средой образуются вещества (продукты коррозии), свойства которых в значительной мере влияют на протекание коррозионных процессов.

Скорость коррозии зависит как от характеристик коррозионной среды (внешних факторов), так и от характера самого металла (внутренних факторов). К внешним факторам относятся: состав, температура среды, блуждающие токи. К внутренним факторам относятся: химический состав сплава, структура металла, внутренние напряжения.

Влиянием этих факторов объясняется различная скорость процесса коррозии в различных точках земного шара. Например, чем ближе к морю, тем больше в воздухе морских солей, ускоряющих коррозию, особенно NaCl.  В регионах, где много промышленных объектов, в воздухе много соединений SO2.

Виды коррозии алюминия

Коррозию металлов можно разделить на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих газов, пыли, жидких веществ  и не сопровождается возникновением электрического тока. Процесс химической коррозии протекает при воздействии сухих газов, жидких не электролитов. В результате химической коррозии на поверхности алюминия образуется защитный слой, состоящий из продуктов коррозии и препятствующий взаимодействию агрессивных веществ с металлом. Скорость и вид химической коррозии определяет процесс диффузии агрессивного вещества через защитный слой.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия происходит при действии на металл растворов электролитов и сопровождается возникновением электрического тока. Благодаря наличию таких вкраплений сплав, погруженный в электролит, представляет собой совокупность большого количества микроскопических гальванических очагов. В результате электрохимической реакции возникающей в этих очагах запускается процесс электролиза.

Атмосферная коррозия

Атмосферной коррозией называют процесс разрушения металлов на воздухе в результате происходящих на их поверхности химических и электрохимических реакций. Это наиболее распространенный пример разрушения металлов. Основной причиной атмосферной коррозии является тонкий слой влаги, который образуется на поверхности металла, если его температура находится ниже точки росы. С понижением температуры или при увеличении содержания водяного пара в воздухе излишек пара оседает в виде капель воды. Если поверхность шероховатая, покрыта пылью или слоями продуктов коррозии, то значительно раньше достижения точки росы во всех углублениях, порах и трещинах конденсируется пар и образуется слой воды. атмосферная коррозия протекает в слое электролита малой толщины. Скорость процесса зависит от влажности воздуха, атмосферных загрязнений и гигроскопичности продуктов коррозии: если эти вещества задерживают влагу на поверхности металла.

Взаимодействие алюминия и его сплавов с другими металлами

В среде электролита два различных металла, соприкасающиеся между собой или соединенные проводником образуют гальванический элемент в котором генерируется электрический ток. Направление движения электронов в гальваническом элементе определяется величинами электродных потенциалов металлов. Электроны движутся от металла с более высоким потенциалом (анода) к металлу с низшим потенциалом (катоду). В такой ситуации металл с высоким потенциалом и большей химической активностью быстро разрушается. Также нужно учитывать что в зависимости от состава электролита эти значения могут меняться. Так  в щелочных растворах алюминий корродирует значительно сильнее, чем в кислых.

Цинк. Его потенциал близок к потенциалу алюминия, может использоваться для непосредственного контакта с алюминием. Если такой контакт происходит в нейтральных и кислых средах, цинк выполняет функцию анода и поэтому защищает катодный алюминий от коррозии. Однако в щелочных средах, наоборот, активность алюминия возрастает, поэтому цинк ускоряет коррозию алюминия.

Медь. Алюминий ни в коем случае не должен соединяться с медью и ее сплавами, т.к. это приводит к быстрой коррозии алюминия т.н. катастрофической коррозии. В связи с этим в алюминиевых конструкциях недопустимы элементы из меди. По этой же причине не следует допускать влияния на алюминий дождевой воды, которая стекает с медных крыш и труб непосредственно на алюминиевые конструкции, даже тогда, когда она содержит небольшие количества ионов меди.  Также следует избегать контакта с оловом и его соединениями, особенно в атмосфере, загрязненной промышленными отходами. Соли олова, образующиеся в кислой среде, сильно разрушают поверхность алюминия.

Ртуть. Она и ее соли в присутствии следов влаги вызывают сильную коррозию алюминия. В этом случае процесс коррозии усиливается благодаря образованию амальгамы: амальгамированный алюминий интенсивно взаимодействует с водой в даже отсутствие кислот и щелочей! Поэтому при складировании алюминиевых профилей даже пары ртути из разбитой лампочки могут привести к мгновенной коррозии.

Воздействие кислот

Алюминий не стоек к действию кислот. Разбавленная азотная или серная кислота — более слабый окислитель — энергично реагирует с алюминием. Соляная кислота вызывает сильную коррозию и воздействие этой кислоты нельзя ослабить добавлением ингибиторов. Фтороводородная кислота и кислородсодержащие кислоты хлора оказывают самое сильное влияние на алюминий. Даже непродолжительное взаимодействие разбавленной кислоты ведет к полному растворению алюминия. Серная кислота вызывает равномерную коррозию алюминия, интенсивность которой зависит от концентрации. Азотная кислота (HNO3) воздействует на алюминий по-разному, в зависимости от концентрации и  приводит к равномерной коррозии.

Сильное воздействие оказывают следующие химические соединения:

- органические кислоты

- соли органических кислот

- четыреххлористый углерод

- большинство соединений галогенов (хлор, бром, йод, фтор) при взаимодействии с водой они образуют кислоты, агрессивные по отношению к алюминию.

- серосодержащие органические соединения

Решения Petrofer для борьбы с коррозией алюминия

Ингибитор коррозии алюминия Aluminium Inhibitor - состоит на основе силиката и препятствует образованию пятен на алюминии. ALUMINIUM INHIBITOR добавляется в водную среду (раствор СОЖ, раствор очистителя) в концентрации от 0,05 до 0,1%, чтобы избежать появления пятен и потускнения алюминия. Применяется для всех марок алюминия и сплавов

Корректор pH Alkalinity Improver -  используется для увеличения значения pH водосмешиваемой жидкости для обработки металлов, соответственно для того, чтобы улучшить буферную емкость и обеспечить лучшую защиту от коррозии.

Антикоррозийное средство Isotect OSD - водовытесняющая антикоррозионная жидкость на основе растворителя, без содержания летучих органических соединений. После испарения растворителя на рабочей поверхности остается масляная пленка.

Антикоррозийное средство Isotect WSD  – антикоррозионная жидкость на растворителе и содержащая летучие органические соединения VOC1. После испарения растворителя на рабочей поверхности остается восковая пленка.