Алюминий — второй по распространённости металл на Земле, и благодаря своим превосходным свойствам сегодня является одним из наиболее широко используемых металлов. Поэтому важно знать условия, которые сокращают срок службы этих металлов.
Коррозия любого металла может существенно ослабить его эксплуатационные характеристики, приводя к структурным повреждениям, таким как трещины, частичный излом или полная потеря материала в крайних случаях. В этой статье мы подробно рассмотрим коррозию алюминия, чтобы понять различные виды коррозии, которым подвержен этот металл.
Коррозия алюминия — это постепенное разрушение молекул алюминия с образованием оксидов, что ухудшает его физические и химические свойства.
По своей природе алюминий является реакционноспособным металлом, но одновременно относится и к пассивным металлам.
Это означает, что свежий алюминий активно реагирует с кислородом и водой в окружающей среде, однако продукт этой реакции образует на поверхности защитный слой, который предотвращает дальнейшую коррозию основного материала. Этот пассивный оксидный слой прочно сцепляется с поверхностью и не отслаивается, подобно нержавеющей стали.
В отличие от целенаправленных процессов, таких как лазерная маркировка, анодирование алюминия или полировка, коррозия — это медленный процесс, который развивается в течение месяцев или лет. Особенность алюминия состоит в наличии множества различных механизмов коррозии. Понимание этих явлений — первый шаг к внедрению мер контроля для снижения или полного предотвращения их возникновения.
Это наиболее распространённая форма коррозии алюминия. Атмосферная коррозия возникает в результате воздействия природных факторов. Поскольку она может возникнуть практически везде, на её долю приходится основная часть совокупного ущерба алюминию от всех видов коррозии.
Атмосферная коррозия делится на три подтипа: сухая, влажная и сырая, в зависимости от уровня влажности в рабочей среде.
Поскольку содержание влаги может существенно отличаться в зависимости от географического положения, в некоторых регионах наблюдается более интенсивная коррозия, чем в других.
Другие факторы окружающей среды, влияющие на степень атмосферной коррозии, включают направление ветра, колебания температуры и осадков. Концентрация и разнообразие загрязнителей в воздухе, близость к крупным водоёмам и другие параметры также играют важную роль.
Атмосферная коррозия может усиливаться, если конструкция не предусматривает отвод влаги. Например, создание застойных зон для дождевой воды и конденсата — опасная ошибка проектирования.
Гальваническая коррозия, также известная как коррозия разнородных металлов, может возникать у алюминия, когда он соединён с благородным металлом физически или посредством электролита. Благородным металлом считается любой металл с меньшей реакционной способностью по сравнению с алюминием.
Реакционная способность металла определяется его положением в электрохимическом ряду напряжений. Чем дальше другой металл расположен от алюминия в этом ряду, тем тяжелее последствия коррозии.
Наибольшая интенсивность коррозии наблюдается в месте соприкосновения двух металлов и уменьшается по мере удаления от этого интерфейса.
Например, если алюминий и латунь находятся в контакте или даже просто расположены близко друг к другу в морской воде, формируется гальванический элемент. В этом случае алюминий выступает анодом (положительным полюсом) и подвергается коррозии.
Это может стать проблемой, например, на судах, где латунные и алюминиевые детали могут находиться рядом в морской воде. Электроны переходят от алюминия к латуни через воду.
Такой гальванический элемент может случайно образоваться и в других условиях эксплуатации, что приведёт к гальванической коррозии. Гальваническая коррозия может протекать значительно быстрее, чем обычная атмосферная.
Питтинговая коррозия — это поверхностное явление коррозии алюминия, проявляющееся в виде мелких отверстий (питтов) на поверхности. Обычно такие ямки не влияют на прочность изделия и являются, скорее, эстетической проблемой, однако могут привести к отказу, если критична внешняя поверхность.
Питтинговая коррозия обычно возникает в районах с наличием солей в атмосфере, поскольку за её возникновение отвечают ионы хлора анионы. Сульфатные соли также могут вызывать этот тип коррозии, но в меньшей степени. Наибольшая интенсивность наблюдается при наличии щелочных и кислотных солей.
Для возникновения питтинговой коррозии потенциал сплава должен быть выше потенциала электролита (солевого раствора). Наличие на поверхности дефектов в местах границ зёрен или вторичных фаз — предпосылка для появления питтинга.
Щелевая коррозия является локализованным процессом коррозии материалов. Перекрывающиеся элементы или ошибки проектирования могут приводить к образованию щелей. В результате, накопление морской воды в этих зонах приводит к развитию коррозии.
Даже небольшой зазор между болтом и конструкцией достаточно, чтобы этот тип коррозии начался. Со временем алюминий растворяется и осаждается в морской воде. Такой ионный алюминий поглощает кислород из воздуха и гидроксид-ионы из электролита, образуя гидроксид алюминия.
Этот процесс восстановления кислорода делает среду в щели кислой при наличии хлоридов, что ускоряет коррозийный процесс.
В алюминии граница зерна электрохимически отличается от структуры сплава, что вызывает разность потенциалов между ними и приводит к обмену электронами.
Существует множество вариантов межкристаллитной коррозии, зависящих от термохимических обработок и металлических структур. Она также может проявляться в разной степени у разных серий алюминиевых сплавов. Например, сплавы серии 6xxx менее подвержены этому типу коррозии.
Анодный путь варьируется в зависимости от системы сплава. В серии 2xxx он появляется как узкая полоса по обе стороны от границы зерна, а в серии 5xxx как сплошной путь вдоль границы.
Как и при питтинговой коррозии, межкристаллитная коррозия начинается с питта, но распространяется значительно быстрее вдоль уязвимых границ зёрен.
Эксфолиационная коррозия — это особый вид межкристаллитной коррозии, встречающийся в алюминиевых сплавах с выраженной направленной структурой. Это особенно характерно для алюминиевых изделий, прошедших процессы горячей или холодной прокатки.
Она развивается вдоль вытянутых границ зёрен в микроструктуре. Термин эксфолиация отражает тот факт, что коррозионный продукт более объёмен и как бы отслаивается от поверхности материала.
Этот тип коррозии расширяется как вверх от поверхности, так и в стороны, создавая внутренние напряжения в изделии. В результате возникает эффект клина сначала на поверхности, а затем в глубине материала. Происходит сильное расслоение и ослабление материала. Возможно появление дефектов поверхности: питтинга, шелушения и вздутий.
Сплавы серий 2xxx, 5xxx и 7xxx особенно подвержены эксфолиационной коррозии из-за их выраженной направленности структуры. Это делает границы зёрен более чувствительными к межкристаллитной коррозии.
Восприимчивость к эксфолиационной коррозии можно снизить с помощью термической обработки, позволяющей перераспределить выделения вторичных фаз.
Когда коррозия развивается практически равномерно по всей поверхности алюминиевого изделия, её называют равномерной или общей коррозией.
Такой тип коррозии встречается у изделий, постоянно находящихся в агрессивно-кислой или щелочной среде. Она также может возникать при высоком электрохимическом потенциале в присутствии электролита. Типичный пример — коррозия алюминиевой пластины в кислотном растворе.
Равномерная коррозия обусловлена постоянным перемещением анодных и катодных участков на поверхности, контактирующей с электролитом, что приводит к однородному разрушению.
В средах с высоким и низким pH оксидный слой также нестабилен и не защищает металл. Толщина материала уменьшается, в конечном итоге он полностью растворяется.
Разрушение не абсолютно равномерно — на поверхности возникают возвышения и углубления. Однако отсутствие глубоких локальных очагов достаточно, чтобы считать это примером общей коррозии.
Коррозия от отложений возникает, когда на поверхность алюминия осаждается разнородный металл, вызывая серьёзную локализованную коррозию.
Например, вода, протекающая по медным трубам, захватывает ионы меди. Попадая на алюминиевую поверхность или сосуд, эти ионы осаждаются на нём.
В результате формируется скрытый гальванический элемент, который вызывает питтинговую коррозию алюминия, если осаждённый металл находится ниже алюминия в электрохимическом ряду. Чем больше разница между алюминием и осаждённым ионом в ряду, тем интенсивнее коррозия.
Известно, что даже раствор с концентрацией меди 1 ppm вызывает серьёзную коррозию алюминия.
Металлы, вызывающие такую коррозию, называют «тяжёлыми металлами» — к ним относятся медь, ртуть, олово, никель и свинец.
Коррозия от отложений ярче выражена в кислых растворах по сравнению со щелочными, поскольку в щелочных растворах растворимость этих ионов невысока.
Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) — разновидность межкристаллитной коррозии, способная привести к полной потере работоспособности алюминиевых деталей.
Для возникновения SCC должны выполняться три условия. Первое — наличие восприимчивого сплава. Не все алюминиевые сплавы одинаково подвержены SCC: сплавы с высокой пределом текучести наиболее чувствительны.
Второе условие — влажная или мокрая эксплуатационная среда. Третье — наличие растягивающего напряжения в материале. Это растяжение открывает трещину и способствует её развитию в металле.
Выделяют два типа SCC. Первый — межкристаллитное растрескивание (IGSCC), при котором трещина идёт вдоль границы зёрен, второй — транскристаллитное (TGSCC), когда трещина проходит через зерна, а не по границам.
Эрозионная коррозия алюминия вызывается воздействием струи воды высокой скорости на поверхность алюминия.
Два фактора усиливают эрозионную коррозию: скорость потока воды и уровень pH. Наличие карбонатов и кремнезёма в воде дополнительно ускоряет процесс.
В чистой воде коррозия алюминия идёт медленно, но при pH выше 9 скорость возрастает. В кислой воде коррозия также протекает быстрее.
Эрозионной коррозии можно избежать, контролируя указанные факторы: снижая скорость воды, поддерживая качество воды или обе меры одновременно. Улучшение качества воды означает поддержание pH ближе к нейтральному (<9) и снижение содержания кремнезёма и карбонатов.
Известно, что усталость может привести к полному разрушению изделия, если её не контролировать. В случае алюминия усталостные трещины могут служить очагами для питтинговой коррозии.
Коррозионная усталость возникает, когда алюминий длительно подвергается повторяющимся нагрузкам низкой интенсивности. Зарождение и развитие трещин происходит гораздо проще в агрессивной среде, например, в морской воде или солевых растворах.
Коррозионная усталость невозможна без наличия влаги в атмосфере. Она также практически не зависит от направления напряжений, так как развитие трещин преимущественно транскристаллитное. Поэтому напряжения не влияют на развитие трещин, как в случае SCC.
Филиформная или «червоточинная» коррозия начинается как питтинговая и возникает в местах, где лакокрасочное покрытие алюминия повреждено или отслаивается. Причиной могут быть царапины или удары, открывающие металл.
Филиформная коррозия развивается и быстро распространяется при наличии хлорид-ионов и высокой влажности. Хотя начинается она как питтинг, способ распространения напоминает щелевую коррозию.
Голова «червоточины» кислая и содержит много хлоридов. Она поглощает кислород и действует как анод. Остальная часть «червя» — катод, и реакция продолжается.
Филиформной коррозии можно избежать, поддерживая поверхность в целости и закрывая все мелкие зазоры краской или воском. По возможности следует снижать влажность в помещении.
Микробиологическая коррозия (MIC) — это коррозия, вызванная микроорганизмами или грибками. Такой тип коррозии встречается в топливных и масляных баках.
При наличии воды в масле активно развиваются микробы и грибки. Некоторые из них способны потреблять масло и выделять кислоты, вызывающие коррозию алюминиевых ёмкостей.
Эта кислота вызывает питтинговую коррозию алюминия, что в итоге приводит к утечкам.
Для предотвращения этого необходимо максимально очищать масло от воды. Также важно регулярно сливать воду из баков после очистки. Если улучшить качество топлива невозможно, можно использовать фунгициды для предотвращения развития микроорганизмов.
