Когда и как защищать алюминий от коррозии

 

См. также Виды коррозии алюминия

Атмосферная коррозия алюминия

Параметры атмосферной коррозии

Сопротивление алюминия и его сплавов атмосферной коррозии зависит:

1) от климатических условий, в которых они находятся:

  • влажности;
  • продолжительности и интенсивности дождей;
  • температуры;
  • количества солнечных дней в году;

2) от степени загрязнения воздуха, то есть концентрации:

  • диоксида серы (SO2);
  • оксидов азота (NOx);
  • количества и химического состава пыли.

Климатические факторы и степень загрязненности атмосферы действуют совместно. Например, повешенная загрязненность воздуха может снижать критическую величину относительной влажности воздуха, при которой начинает развиваться коррозия. Эти факторы могут также давать противоположные результаты: дождь повышает влажность воздуха, но также смывает пыль и продукты коррозии, что может снижать скорость коррозии

Относительная влажность

Скорость атмосферной коррозии зависит от относительной влажности воздуха, а не просто от количества или интенсивности дождей в данной местности. Дождь является одним, но не единственным фактором, от которого зависит относительная влажность воздуха.

Уровень относительной влажности – это отношение между фактическим давлением водяного пара и максимальным давлением водяного пара при данной температуре. Это отношение выражается в процентах.

При нормальной комнатной температуре воздух считается:

  • сухим, если относительная влажность составляет не более 30 %;
  • нормальным, если относительная влажность находится в пределах от 50 до 60 %;
  • влажным, если относительная влажность выше 80 %;
  • насыщенным влагой, если относительная влажность около 100 %.

В пустынях и засушливых зонах уровень относительной влажности редко превышает 10-20 %, тогда как в умеренном климате он находится в основном между 40 и 60 %. Во время ливня она может достигать 90-95 %, а во время тропических дождей приближаться к 100 % [2].

Точка росы

Точкой росы называется температура, при которой будет начинаться конденсация влаги. Для данного уровня относительной влажности это та температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы он стал насыщенным влагой, и началось ее выпадение на ближайших поверхностях.

Длительность увлажнения и сульфатный электролит

Коррозия металлов на открытом воздухе зависит от так называемой длительности увлажнения и химического состава поверхностных электролитов. Длительностью увлажнения называется период, в течение которого на поверхности металла достаточно влаги для возникновения коррозии. Длительность увлажнения обычно определяют, как время, в течение которого относительная влажность воздуха превышает 80 % и, в тоже время, температура на поверхности металла составляет выше 0 ºС. При этих условиях на поверхности металла может возникать конденсация влаги.

Критическая относительная влажность

Атмосферная коррозия металлов, в том числе, алюминия, происходит в тонких пленках влаги, которые расположены на поверхности металла.  Существует критический порог относительной влажности, ниже которого алюминий и его сплавы не подвергаются коррозии. Это происходит потому, что при недостаточной влажности не хватает влаги, чтобы создать непрерывную электролитическую пленку на поверхности металла. Для свежее обработанной поверхности алюминия в не загрязненной атмосфере этот порог составляет около 66 % (рисунок 1) [2].

Рисунок 1 – Влияние влаги на атмосферную коррозию алюминия [2]:
кривая 1 – с концентрацией SO2 около 1 %; кривая 2 — без SO2

Нет сульфатов — нет коррозии

В нормальных сельских районах и в атмосферах с умеренной степенью загрязненности сульфатами, стойкость алюминия к воздействию окружающей среды очень высокая. В атмосфере с высоким содержанием сульфатов и высокой влажностью на алюминиевых изделиях может возникать точечная (язвенная) коррозия. В таких условиях алюминий может потребовать коррозионной защиты.

Хлориды

Присутствие в воздухе солей (особенно хлоридов) снижает долговечность алюминия, но в меньшей степени, чем для большинства других строительных материалов. Максимальная глубина ямок коррозии составляет обычно только незначительную часть толщины алюминиевой детали. В отличие от углеродистой стали прочностные свойства алюминиевых деталей, подвергшихся коррозии, остаются практически неизменными.

Коррозия алюминия в почве

Коррозионное поведение алюминия в почве – это очень важный практический вопрос. Электрические и телекоммуникационные кабели, водопроводные  и газовые распределительные сети, а также основания дорожных знаков, уличных фонарей и различных дорожных конструкций – все это очень часто изготавливают из алюминия и алюминиевых сплавов.

Кислотность-щелочность почвы

Оценка сопротивления коррозии металлов, и в том числе алюминия, в контакте с почвами, является очень сложной. Почва характеризуется величиной рН, которая тесно связана с видом и содержанием растворенных в ней солей, количеством диоксида углерода (CO2), а также возможным загрязнением промышленными и бытовыми сточными водами. Обычно почвы имеют кислотный рН в интервале от 3,5 до 4,5. С глубиной от поверхности земли величина рН возрастает (рисунок 2).

  Рисунок 2 – Зависимость величины рН в почве от ее глубины [2]

 

Электрическое сопротивление почвы

Коррозионная агрессивность почвы связана с ее удельным электрическим сопротивлением, которое зависит не только от состава почвы, но содержания воды и концентрации неорганических солей . На рисунке 3 схематически показана зависимость скорости коррозии алюминия от удельного электрического сопротивления различных видов почв [2].


Рисунок 3 — Зависимость между удельным электрическим сопротивлением
почвы и ее коррозионной агрессивностью [2]

Формы коррозии алюминия в почвах

Незащищенный алюминий в почве может проявлять следующие формы коррозии [2]:

  • точечная коррозия;
  • гальваническая коррозия (в контакте с другими металлами);
  • коррозия от блуждающих токов.

Защита алюминия в почве

Для алюминия, который работает в почве, чаще всего применяют коррозионную защиту в виде битумного покрытия, а также катодную защиту.

Алюминий в пресной воде

Физическая химия воды

Вода является сильным растворителем, который способен растворять:

  • многие неорганические и органические соединения,
  • жидкости, если они являются полярными и содержат гидроксильную группу;
  • газы.

Поэтому любая вода имеет переменное содержание:

  • неорганических солей;
  • растворенных газов;
  • твердых веществ в виде суспензии и
  • органических веществ.

Однако не все эти растворенные элементы влияют на коррозию алюминия. Основное влияние на коррозию алюминия оказывают растворенные в воде [2]:

  • хлориды;
  • ионы тяжелых металлов.

Влияние концентрации хлоридов

Обще признано, что среди всех анионов хлоридные ионы имеют самую высокую способность проникать в естественную оксидную пленку на поверхности алюминия [2].  Это происходит потому, что эти ионы очень маленькие и очень мобильные.  Известно, что хлориды, а также фториды, бромиды и иодиды относятся к анионам, которые активируют коррозию алюминия в воде (рисунок 4), тогда как сульфаты,  нитраты и фосфаты меньше активируют такую коррозию (рисунок 5) или вообще ее не активируют. Особенность хлоридов заключается в том, что они могут заменять атомы кислорода в оксидной пленке алюминия. Это приводит к ослаблению стойкости оксидной пленки к коррозии [2].

Рисунок 4 — Влияние концентрации хлоридов на стойкость к коррозии
сплава 3003 в пресной воде [2]

Рисунок 5 — Влияние концентрации сульфатов на стойкость к коррозии
сплава 3003 в пресной воде [2]

Точечная коррозия

В естественной пресной воде и водопроводной воде алюминий может подвергаться язвенной (точечной) коррозии. Однако, при регулярной чистке и сушке риск серьезной коррозии очень мал. Алюминиевые кастрюли, котелки и сковородки, а также солдатские алюминиевые миски, ложки и кружки служили верой-правдой десятилетиями без каких-либо признаков коррозии.

Вероятность коррозии повышается, если вода стоячая, а алюминий находится влажным в течение длительных периодов.

Влияние меди

Присутствие в алюминиевых сплавах меди значительно снижает их коррозионную стойкость. Такие сплавы применяют только при условии их надежной коррозионной защиты.

Алюминий в морской воде

Хлориды в морской воде

Обычно морская вода содержит около 35 г/л растворенных неорганических солей, из которых хлориды составляют около 19 %. С этим связана повышенная коррозионная активность морской воды.

Величина pH морской воды

Величина pH морской воды вблизи поверхности морей и океанов является очень стабильной и составляет около 8,2.  Эта величина pH находится внутри интервала стабильности естественной оксидной пленки. Это объясняет хорошую стойкость к коррозии алюминия в морской воде.

Алюминиевые сплавы для морской воды

В морской воде особенно высокую долговечность проявляют алюминиево-магниевые сплавы (AlMg) с содержанием магния не более 2,5 %. Из этих  сплавов изготавливают корпуса судов и другие несущие конструкции. Для палубных надстроек вполне хватает коррозионной стойкости алюминиевых сплавов серии 6ххх (сплавы AlMgSi).

Алюминий в контакте с бетоном

Применение алюминия в строительной отрасли заставляет его вступать в контакт с большинством материалов, которые применяются в строительстве: бетоном, гипсом, полимерами и т. п.

Воздействие бетона

Алюминий хорошо противостоит воздействию бетона и цементного раствора, не смотря на их высокие щелочные свойства с величиной pH около 12. Когда бетон начинает схватываться, всегда происходит незначительное протравливание алюминия глубиной не более 30 мкм. Это воздействие, однако, замедляется через несколько дней контакта (рисунок 6). Это приводит к очень локализованному снижению величины pH до 8 единиц и образованию на поверхности алюминия защитной пленки из алюмината кальция.

Аналогично бетон воздействует на алюминиевые литые детали. Это повышает адгезию между этими материалами. После того, как бетон затвердеет (высохнет), коррозии обычно уже не происходит. Однако там, где влага накапливается и сохраняется, может развиваться коррозия. Увеличенный объем продуктов коррозии может вызвать в бетоне образование трещин.

Защита алюминия от воздействия бетона

Поэтому брызги влажных щелочных строительных материалов, например, раствора и бетона, оставляют поверхностные, но хорошо видимые пятна на алюминиевых поверхностях. Поскольку эти пятна трудно удалить, то видимые алюминиевые поверхности должны быть защищены, например, на строительных площадках.

Этот тип коррозии можно эффективно предотвратить путем окраски алюминия битумом или красками, стойкими в щелочной среде. Поскольку оксидное покрытие разрушается в сильно щелочной среде, то анодирование алюминия в этом случае не годится в качестве защиты от коррозии.

Считается, что в сухой атмосфере внутри здания в контакте с полностью затвердевшим бетоном алюминий не требует никакой коррозионной защиты.

Влияние хлоридов

В бетон обычно добавляют до 3 % хлорида кальция, чтобы ускорить схватывание бетона, а также предотвратить его замерзание в зимнее время.  Это приводит к существенному снижению удельного электрического сопротивления бетона, а также его способности удерживать влагу. Все это способствует повышению коррозионной активности бетона.

Алюминий и химикаты

Благодаря защитным свойствам естественного оксидного слоя, алюминий проявляет хорошую стойкость ко многим химикатам. Однако, в среде с низким или высоким рН (менее 4 и более 9) происходит растворение оксидного слоя и, следовательно, ускоренная коррозия алюминия. Поэтому неорганические кислоты и концентрированные щелочные растворы являются для алюминия очень коррозивными.

Исключениями из выше упомянутого являются концентрированная азотная кислота и растворы аммиака. Они не вызывают коррозии алюминия.

В умеренных щелочных водных растворах коррозию можно замедлить путем применения силикатов в качестве ингибиторов. Такие ингибиторы включают в моющие растворы.

Большинство неорганических солей не являются особенно коррозивными для алюминия. Соли тяжелых металлов составляют здесь исключение. В результате реакции восстановления тяжелых металлов на поверхности алюминия она может подвергаться серьезной гальванической коррозии. Примером такого тяжелого металла служит медь.

Алюминий имеет хорошую стойкость к многим органическим соединениям. Алюминиевое оборудование применяют в производстве и хранении многих органических химикатов.

Алюминий и грязь

Грязь, которая скапливается поверхности алюминия, может в определенной степени снижать его долговечность. В первую очередь это относится к поверхности алюминия, которая подвергается увлажнению в течение длительных периодов. Скопления грязи препятствуют высушиванию поверхности и создают условия для коррозии. Поэтому в зависимости от степени загрязнения алюминиевые конструкции моют раз или два раза в год.

Источники:

  1. Материалы корпорации SAPA.
  2. CORROSION OF ALUMINIUM /Christian Vargel, 2004