Взаимодействие алюминия с морской водой

Алюминий и его реакция с водой

Почему алюминий устойчив к коррозии

Впервые алюминий был получен лишь в начале XIX века. Cделал это физик Ганс Эрстед. Свой эксперимент он проводил с амальгамой калия, хлоридом алюминия и ртутью.

Кстати, название этого серебристого материала произошло от латинского слова «квасцы», потому что именно из них добывается этот элемент.

Квасцы – это природные минералы на основе металлов, которые объединяют в своем составе соли серной кислоты.

Раньше алюминий считался драгоценным металлом и стоил на порядок дороже, чем золото. Объяснялось это тем, что металл было довольно сложно отделить от примесей. Так что позволить себе украшения из алюминия могли только богатые и влиятельные люди.

Но в 1886 году Чарльз Холл придумал метод по добыче алюминия в промышленном масштабе, что резко удешевило этот металл и позволило применять его в металлургическом производстве. Промышленный метод заключался в электролизе расплава криолита, в котором растворен оксид алюминия.

Алюминий — очень востребованный металл, ведь именно из него изготавливаются многие вещи, которыми человек пользуется в быту.

Применение алюминия

Благодаря ковкости и легкости, а также защищенности от коррозии, алюминий является ценным металлом в современной промышленности. Из алюминия изготавливают не только кухонную посуду — он широко используется в авто- и авиастроительстве.

Также алюминий является одним из самых недорогих и экономичных материалов, так как его можно использовать бесконечно, переплавляя ненужные алюминиевые предметы, например, банки.

Металлический алюминий безопасен, но его соединения могут оказывать токсическое действие на человека и животных (особенно хлорид, ацетат и сульфат алюминия).

Физические свойства алюминия

Алюминий — достаточно легкий металл серебристого цвета, который может образовывать сплавы с большинством металлов, особенно с медью, магнием и кремнием. Также он весьма пластичен, его без труда можно превратить в тонкую пластинку или же фольгу. Температура плавления алюминия = 660 °C, а температура кипения — 2470 °C.

Химические свойства алюминия

При комнатной температуре металл покрывается прочной пленкой оксида алюминия Al₂O₃, которая защищает его от коррозии.

С окислителями алюминий практически не реагирует из-за защищающей его оксидной пленки. Однако ее можно легко разрушить, чтобы металл проявил активные восстановительные свойства. Разрушить оксидную пленку алюминия можно раствором или расплавом щелочей, кислотами или же с помощью хлорида ртути.

Благодаря восстановительным свойствам алюминий нашел применение в промышленности — для получения других металлов. Этот процесс называется алюмотермией. Такая особенность алюминия заключается во взаимодействии с оксидами других металлов.

Например, рассмотрим реакцию с оксидом хрома:

Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr.

Алюминий хорошо вступает в реакцию с простыми веществами. Например, с галогенами (за исключением фтора) алюминий может образовать иодид, хлорид, или бромид алюминия:

2Al + 3Cl₂ → 2Al­Cl₃

С другими неметаллами, такими как фтор, сера, азот, углерод и т.д. алюминий может реагировать только при нагревании.

Также серебристый металл вступает в реакцию и со сложными химическими веществами. Например, с щелочами он образует алюминаты, то есть комплексные соединения, которые активно используются в бумажной и текстильной промышленности. Причем в реакцию вступает как гидроксид алюминия

Al(ОН)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]),

так и металлический алюминий или же оксид алюминия:

2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄] + ЗН₂.

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

С агрессивными кислотами (например, с серной и соляной) алюминий реагирует довольно спокойно, без воспламенения.

Если опустить кусочек металла в соляную кислоту, то пойдет медленная реакция — сначала будет растворяться оксидная пленка — но затем она ускорится. Алюминий растворяется в соляной кислоте с выделением водорода. В результате реакции получается хлорид алюминия:

Al₂O₃ + 6HCl = 2Al­Cl₃ + 3H₂O

2Al + 6HCl → 2Al­Cl₃ + 3H₂.

Здесь вы найдете интересные опыты на изучение химических свойств металлов.

Реакция алюминия с водой

Если опустить алюминиевую стружку в обычную воду, ничего не произойдет, потому что алюминий защищен оксидной пленкой, которая не дает этому металлу вступить в реакцию.

Только сняв защитную пленку хлоридом ртути, можно получить результат. Для этого металл нужно вымачивать в растворе хлорида ртути на протяжении двух минут, а затем хорошо его промыть. В результате получится амальгама, сплав ртути и алюминия:

3Hg­CI₂ + 2Al = 2Al­CI₃ + 3Hg

Причем она не удерживается на поверхности металла. Теперь, опустив очищенный металл в воду, можно наблюдать медленную реакцию, которая сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида алюминия:

Источник

Как бороться с коррозией алюминия?

Климатические факторы и степень загрязненности атмосферы действуют совместно.

Например, повешенная загрязненность воздуха может снижать критическую величину относительной влажности воздуха, при которой начинает развиваться коррозия.

Атмосферная коррозия алюминия

Параметры атмосферной коррозии

Сопротивление алюминия и его сплавов атмосферной коррозии зависит:

от климатических условий, в которых они находятся:

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

от степени загрязнения воздуха, то есть концентрации:

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

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.

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.

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.

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:

Влияние концентрации хлоридов

Обще признано, что среди всех анионов хлоридные ионы имеют самую высокую способность проникать в естественную оксидную пленку на поверхности алюминия. 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, 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.

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.

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.

Коррозия алюминия и методы его защиты

Алюминий и его сплавы отличаются отличной устойчивостью к разрушениям различного характера. Однако, несмотря на это — коррозия алюминия представляет собой не такое уж и редкое явление.

Различные формы коррозии представляют собой основную причину порчи этих материалов.

Для борьбы с разрушительными процессами необходимо обязательно понимать факторы, которые являются причиной их появления.

Коррозия алюминия представляет собой реакцию, которая имеет место между металлом и окружающей средой. Этот процесс может иметь как естественное, так и химическое происхождение. Самой распространенной формой разрушения металла можно назвать появление на его поверхности процессов ржавления.

Особенностью всех видов металлов можно назвать их свойство вступать в реакцию с водой и окружающей средой. Отличием для каждого вида металла считается только интенсивность данного процесса.

К примеру, у благородных металлов типа золота скорость такой реакции не будет слишком быстрой, а вот железо, в том числе и алюминий, будут реагировать на воздействия такого характера достаточно быстро.

Можно выделить два фактора, которые оказывают непосредственное влияние на интенсивность протекания процесса коррозии. Одним из них можно назвать степень агрессивности окружающей среды, а вторым металлургическую или химическую структуру. Атмосфере, которая нас окружает, всегда характерен определенный уровень влажности. Кроме того, ей характерен определенный уровень загрязнений и отходов.

Если учесть, что свойства атмосферы часто определяются регионом и степенью индустриализации, на сегодняшний день можно выделить:

• сельская местность (малая степень загрязнений и средний уровень влажности);
• приморские области (средняя степень загрязнений и высокий уровень влажности);
• городская местность (средний уровень влажности и средний уровень продуктов распадов жидкого топлива, серы и окислов углерода);
• промышленные и индустриальные зоны (большое количество серы, окислов углеродов и кислот, а также средний уровень влажности)

Для большинства случаев, кислоты неорганического типа, даже при низкой концентрации смогут растворить алюминий. И даже натуральная пленка оксида алюминия не сможет стать достаточной защитой от возникновения коррозийных процессов.

Самыми мощными растворителями можно назвать фтор, калий и натрий. Кроме того, алюминию характерна довольно низкая сопротивляемость к соединениям хлора и брома. Весьма агрессивны к различным сплавам алюминиевых металлов, являются известковые и цементные растворы.

Можно выделить несколько разновидностей проявления коррозии алюминия и его сплавов:

1. Поверхностная. Данный тип разрушения встречается чаще всего и является наименее вредоносным. Его легче всего заметить на поверхности. Это дает возможность своевременно использовать предохранительные средства. Поверхностные разрушения очень часто встречаются на анодированных профилях для строительства.
2. Локальная. Такие разрушения проявляются в виде форм, углублений и пятен. Такой тип коррозии бывает поверхностного и междукристаллического типа. Разрушения такого характера являются особенно опасными, по причине того, что их достаточно сложно обнаружить. Такая коррозия очень часто разрушает именно труднодоступные части конструкций и узлов.
3. Нитеподобная или филигранная. Этот вид разрушения алюминия часто появляется под покрытиями органического типа, а также на граничных поверхностях обработки. Нитеподобная коррозия появляется в ослабленных местах повреждения органического покрытия или краях отверстий;

Довольно часто, естественных антикоррозийных способностей алюминия и его сплавов для защиты от разрушений бывает недостаточно. А длительный период эксплуатации изделий из этих металлов, в обязательном порядке потребует использования дополнительных методов защиты. К самым частым методам протекции металлов от коррозии можно отнести:

• анодирование окисление (исследования немецких специалистов показывают, что данный вид защиты используется на 15% от общего количества производства строительных профилей в мире);
• покрытие поверхности металлов порошковыми составами;
• защита от контакта с другими металлами

Коррозия алюминия

Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.

Для реакции Al3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет -1,66 В.

Температура плавления алюминия — 660 °C.

Плотность алюминия — 2,6989 г/см3 (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:

1. 2Al + N2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;
2. 4Al + 3С → Al4С3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;
3. 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:

2Al + 6H2SO4(конц) → Al2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O.

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.

Основные методы коррозионной защиты алюминия

Введение

Как правило, алюминиевые сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами в следующих средах: атмосфера, пресная вода, морская вода, большинство типов почвы, продуктов питания и множество химикатов.

Термин «хорошая коррозионная стойкость» означает, что в большинстве случаев можно использовать алюминий без защитных покрытий и при этом срок службы будет долгим.

В зависимости от агрессивности среды, а также назначения продукта, расчетного срока эксплуатации и требований к техническому обслуживанию, могут быть предприняты меры по противодействию или снижению степени коррозионного воздействия.

Могут применяться несколько способов защиты. В этой лекции рассматриваются только те меры, которые относятся к незащищенным алюминиевым изделиям и компонентам. Защитные обработки поверхности, такие как предварительная обработка, покраска и анодирование.

Выбор коррозиестойких сплавов

Добавка легирующих элементов в алюминий влияет на характер коррозии, и важно выбрать наиболее пригодный сплав для каждой среды. Наиболее часто в качестве легирующих добавок в алюминиевых сплавах используют: медь, магний, марганец, кремний и цинк, а в качестве примесей в технически чистый алюминий – железо и кремний.

Кованые алюминиевые сплавы

Чистый алюминий (>99,9 % Al) Сверхчистый алюминий (>99,9% Al) проявляет наилучшие для алюминия антикоррозионные свойства. Эти показатели резко снижаются с введением примесей, особенно меди и железа^

• Al-Mn
• Al-Mg
• Al-Cu
• Al-Zn-Mg-Cu
• Al-Zn-Mg

Сплавы Al-Mn имеют хорошие антикоррозионные свойства и применяются вне помещений без защиты. Обычно, сплавы Al-Mg имеют наилучшие антикоррозионные свойства из всех сплавов алюминия.

При содержании магний свыше 4%, технология изготовления оказывает заметное влияние на долговременные характеристики в коррозионных средах, даже при нормальных температурах.

При длительном воздействии температуры свыше 60о С сплавы с большим содержанием магния становятся уязвимы к растрескиванию под напряжением и отслаиванию. Сплавы, содержащие существенное количество меди (> 0,25%) обладают меньшими антикоррозионными свойствами и потому не должны использоваться в агрессивных морских или промышленных средах без защитных покрытий.

В прошлом, наиболее распространенной ошибкой было использование сплавов Al-Cu в коррозионных средах без соответствующих защитных мер. Сплавы, содержащие Zn, Mg и Cu обладают сходными коррозионными качествами, что и семейство сплавов Al-Cu и поэтому требуют защитных мер в коррозионных средах.

Для этого семейства сплавов технология изготовления, особенно термическая обработка и состав сплава имеют решающее значение для коррозионного поведения. Сплавы из Al-Zn-Mg могут быть чувствительны к растрескиванию от коррозии под напряжением и отслаиванию.

Литейные алюминиевые сплавы

Коррозия в литых заготовках из алюминия обычно меньше чем в листовых изделиях, поскольку обычно, профиль толще и способен выдержать более суровую поверхностную коррозию.

Литейные сплавы из Al-Mg имеют хорошие антикоррозионные свойства и могут применяться в морских средах. Считается, что Al-Si обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и воде.

Сплавы из Al-Cu и Al-Si-Cu требуют защиты поверхности в коррозионных средах. Поведение любого сплава зависит от среды, которую он должен выдержать; В качестве примера приведенная ниже таблица показывает поведение различных сплавов в кислотах и щелочах. Чем ниже показатель, тем лучше сопротивляемость к коррозии.

Усовершенствование конструкции оборудования

Поскольку поведение коррозии в металлах зависит от физических и химических условий среды (например, температуры, примесей, изменение концентрации и т.д.) а также от химического состава, конструкция может значительно влиять на характер и скорость коррозии.

Наиболее распространенные конструкционные отказы при обслуживании алюминиевых изделий включают в себя электрохимическую, щелевую и коррозию под напряжением. В следующих параграфах даются рекомендации по предотвращению или, по крайней мере, снижению воздействия от этих видов коррозии:

Предотвращение электрохимической коррозии

Предлагаются следующие «правила» для уменьшения электрохимической коррозии: Выбор комбинаций металлов как можно ближе стоящих друг к другу в ряде электродных потенциалов для рассматриваемой среды.

Использовать катодные крепления. Избегать комбинаций с неблагоприятным (малым) отношением площади анода к катоду. Обеспечить полную электрическую изоляцию двух соединенных металлов.

Это можно сделать, если использовать изолирующую прокладку, втулки (трубки) и др. Если применяется краска, всегда красьте катод. Если покрасить только анод, любая царапина привела бы к неблагоприятному отношению площади анода к катоду, и к коррозии в месте царапины.

Увеличение толщины анодного материала. В качестве альтернативы можно установить небольшие съемные толстые профили из анодного металла в месте соединения. По возможности, размещать разнородный металлический контакт вдали от коррозионной среды.

По возможности, избегать резьбовых соединений разнородных пар, т.к. резьба может разрушиться. Желательно соединять припоем или сваркой. Если возможно, использовать ингибиторы коррозии (например, в системах циркуляции).

В тех случаях, когда металлы должны оставаться в электрическом контакте через внешнюю цепь, проектировать оборудование таким образом, чтобы металлы располагались как можно дальше друг от друга, тем самым, увеличивая электрическое сопротивление через жидкость (электролит).

По необходимости и возможности использовать катодную защиту с использованием цинкового или магниевого протекторного анода. Для большинства агрессивных сред, только цинк, кадмий и магний могут контактировать с алюминием не вызывая электрохимической коррозии.

Предупреждение коррозии вследствие отложений

Следующие меры помогут снизить данный вид коррозии на алюминии^

1. Перепроектировать для того, чтобы избежать отложения более благородного металла, например, используя дренажную систему
2. Применение Алькледа
3. Использование ингибиторов
4. Покраска металлической основы
5. Многократная очистка для удаления осажденного благородного металла

Предупреждение щелевой коррозии

Для проекта из алюминиевых конструкций подверженных воздействию морской атмосферы в течение продолжительного времени должны предприниматься меры по предупреждению щелевой коррозии. Следующие меры помогут снизить щелевую коррозию в алюминиевых конструкциях:

1. Покрывать прилегающие поверхности перед сборкой ингибирующей лакокрасочной композицией
2. Заполнять щель замазкой (мастикой) или эластичным прокладочным материалом для предотвращения доступа влаги.

Предупреждение коррозии под напряжением

Для проекта из алюминиевых конструкций находящихся под постоянным напряжением (нагрузкой), следует предпринять ряд мер, чтобы минимизировать коррозию под напряжением.

Следующие меры помогут снизить эффект воздействия от такого вида коррозии в алюминиевых конструкциях:

1. Убедитесь, что выбран адекватный профиль, который не будет перегружен. Особое внимание следует уделять остаточным или монтажным напряжениям, действующим в коротком поперечном направлении.
2. Хорошая лакокрасочная композиция, включающая противокоррозионную грунтовку придаст дополнительную защиту от коррозии под напряжением. Однако, необходимо осознавать, что лакокрасочные покрытия не являются полностью непроницаемыми для влаги и потому не следует ожидать от них хорошей защиты особо чувствительных к коррозии сплавов.
3. Металлизация распылением с некоторыми алюминиевыми сплавами вносит заметный вклад в коррозионную защиту, которую следует в дальнейшем усилить при помощи краски.
4. Методы обработки поверхности, такие как дробеструйная обработка или шлифовка для получения остаточного напряжения сжатия, при правильном применении позволяют эффективно снизить масштабы коррозионного растрескивания под напряжением.
5. Приложенное напряжение. Постоянные приложенные напряжения растяжения на поверхности не должны превышать следующих пределов:

• в продольном направлении 50% предела текучести;
• по длинному поперечному направлению между 35 и 50% предела текучести;
• по кратчайшему поперченному направлению: как можно меньше и желательно не больше 15% предела текучести.

Сплавы с хорошей сопротивляемостью к коррозии под напряжением

Ряд систем из высокопрочных алюминиевых сплавов восприимчивы к термическим обработкам (старение), при которых достигаются металлургические состояния с гораздо большей сопротивляемостью к коррозии под напряжением без потерь механический свойств (сплавы Т76, Т73).

Все эти рекомендации имеют общий характер и в каждом конкретном случае необходимо подробное изучение.

Изменение среды

Иногда можно снизить или даже свести на нет агрессивность среды, тем или иным способом изменяя последнюю. В некоторых химических веществах, например феноле, при добавлении небольшого количества воды (например, 0,3%) предотвратит сильную коррозию, которая бы возникла бы при отсутствии воды.

В других веществах, таких как жидкий диоксид серы, вода способствует коррозии алюминия. Обычно, движение или турбулентность, не чрезмерная, иногда предотвращает точечную коррозию, которая возникла бы в противном случае.

Приведение показателя рН до безопасного диапазона (от 4.5 до 8.5) предотвращает или снижает коррозию. Деаэрация воды значительно снижает тенденцию образования коррозионных язв в алюминии.

Повышение температуры, обычно, может усилить скорость общей (равномерной) коррозии, но при этом благоприятно влияет на снижение скорости точечной коррозии. Очевидно, что эти воздействия являются специфичными для особых (отдельных) условий, и по этому вопросу можно сказать немногим больше, чем сказано выше.

Ингибиторы коррозии

Ингибитор это вещество, при добавлении которого (обычно в небольших количествах) в агрессивную жидкость или химикат снижается или предотвращается коррозия металла, возникающая в обратном случае.

Ингибиторы могут воздействовать на анодную коррозию, в этом случае их принято называть «анодными ингибиторами», либо могут воздействовать на катодную коррозию, тогда их называю «катодными ингибиторами».

Анодные ингибиторы могут представлять опасность, если их не добавить в достаточном количестве, т.к. в то время как они уменьшают эффективную площадь анода, воздействие на оставшиеся участки будет более суровым, чем в отсутствие ингибитора.

Катодные ингибиторы более безопасные, поскольку частичное уменьшение эффективной площади катода снижает коррозию на аноде. Однако, обычно они менее эффективны по сравнению с анодными ингибиторами.

Хромат (в виде хромата калия или калия или дихромата) наиболее часто используется в качестве ингибитора с алюминием и принадлежит к анодным ингибиторам.

Для предотвращения точечной коррозии алюминия в агрессивной воде, полезно добавить 500 ppm. (промиль) хромата натрия или дихромата с рН 8.5 Фосфат, силикат, нитрат, нитрит, бензоат, растворимое масло и другие вещества также рекомендуются в отдельности или в сочетании для снижения воздействия коррозии алюминия со стороны агрессивных жидкостей.

Ингибирование воды обычно целесообразно только в рециркуляционных, замкнутых системах. В смешанных системах включающих, например, алюминий и медь важно спроектировать хорошую ингибиторную систему и поддерживать показатель рН выше 8.0-8.5, чтобы не допустить растворение меди и ее последующее отложение на поверхности алюминия.

Сложность ингибирования заключается в том, что обычному инженеру трудно добиться достаточной водоподготовки без помощи специалиста. Часто, необходимы лабораторные тесты на месте, чтобы достигнуть наилучших параметров.

Катодная защита

Теория катодной защиты металла проложенного в грунте простая. Постоянный электрический ток (вызываемый протекторными анодами или подаваемый ток) подается на защищаемый металл.

Этот ток поляризует локальные катодные участки до потенциала локального анода и создает поверхность с равномерным потенциалом. Таким образом, потенциал гальванической ячейки становится равным нулю и точечной коррозии не возникает.

Ток может производиться ректификатором с металлическим или графитовым электродом или протекторными гальваническими анодами из магния или цинка. Для того чтобы уменьшить требуемый ток, защищаемый металл иногда покрывают краской, защитной пленкой или другим оберточным материалом.

В индустрии стальных трубопроводов метод протекторной защиты хорошо налажен и продемонстрировал достаточную эффективность. Опыт проложенного в земле алюминия ограничивается единичными экспериментами и ограниченным числом рабочих линий.

Протекторные аноды

Алюминий может быть катодно защищен путем соединения его с цинком или магнием, используемым как протекторный анод. В случаем с алюминием, возможно механизм защиты состоит из поляризации катодных примесей в металле до коррозионного потенциала пассивного алюминия, препятствующего неблагоприятному воздействию таких примесей.

Цинк может применяться как протекторный анод по отношению к алюминию в нейтральной или чуть кислотной среде, несмотря на тот факт, что алюминий более активный, чем цинк в ряде электродных потенциалов.

В щелочной среде алюминий теряет свою пассивность и становится анодом по отношению к цинку. Магний обычно используют для защиты алюминия в ряде случаев. Установка анодов из магния позволят остановить коррозию даже в трубопроводах, проложенных в земле с накопленными продуктами коррозии.

В некоторых случаях излишняя защита может привести к образованию катодной коррозии алюминия. Потенциал создаваемый между анодами магния и алюминия обычно не превышает 1.20 вольт (Cu/SO4) и, обычно, благодаря щелочной структуре, катодной коррозии не происходит.

Подаваемый ток

Катодная защита с помощью катодного тока требует наличия источника постоянного тока и вспомогательного электрода, как показано на рисунке 5104.04.01. Источник постоянного тока соединен положительной клеммой к вспомогательному электроду, а отрицательной к защищаемой конструкции.

Ток течет от электрода через электролит к конструкции. Общепринято, что защита алюминия обеспечивается в том случае, если потенциал поверхности алюминия проложенного в земле поддерживается в диапазоне от -0.85 до -1.10 вольт (Cu/SO4) и существенной катодной коррозии не возникает пока не превышено значение -1.20 вольт.

Химический состав почвы может влиять на безопасный верхний потенциал, который в ряде случаев может значительно превышать -1.20 вольт. Требуемая плотность тока зависит от среды, но, обычно, плотность подаваемого тока должна всегда превышать эквивалент плотности тока, расчетной или измеряемой скорости коррозии (в водопроводной воде модно взять за расчет приблизительно 20 мА/м2, в почве в среднем 5 мА/м2 ).

Если используются защитные покрытия алюминия, плотность тока может быть меньше и для защиты 20 км трубы понадобиться лишь 90-240 мА.

Сплавы Альклед

Альклед это двухслойное изделие, состоящее из тонкого слоя одного сплава, полностью соединенного с другим, более толстым основным сплавом. Оболочный сплав исполняет роль протекторного анода для защиты основного сплава.

Группа сплавов Al-Zn обычно применяется в качестве оболочных материалов для защитных целей, однако в ряде случаев используется чистый алюминий. Защитный механизм оболочки основан на протекторной защите.

Когда язва достигает основного материала, оболочка коррозирует в первую очередь, в то время как основной слой остается нетронутым. Оболочка (плакирование) дает реальную возможность продлить срок службы алюминиевых трубопроводов, по которым доставляется продукт, вызывающий точечную коррозию металла. Принято, что оболочка на каждой стороне листа составляет 5% общей толщины листа.

Источник