Различные европейские стандарты включают более 150 деформируемых алюминиевых сплавов. Однако в строительстве зданий согласно Еврокода 9 применяются только 17 из них [1]. Важным условием для выбора этих сплавов является уровень их коррозионной стойкости в различных условиях эксплуатации зданий при минимуме их технического обслуживания. Представленный ниже обзор основных видов коррозии алюминия дает понимание того, почему одни алюминиевые сплавы могут применяться в строительстве, а другие — нет.
Смотрите подробнее Строительные алюминиевые сплавы
Естественное оксидное покрытие
В большинстве внутренних и наружных сред алюминий обладает довольно высокой стойкостью к коррозии и не требует дополнительных защитных покрытий. Такую естественную коррозионную стойкость алюминию обеспечивает тонкий, но очень эффективный оксидный слой, который самопроизвольно образуется на его поверхности. Этот слой является непроницаемым и, в отличие от оксидных пленок на многих других металлах, очень прочно держится на основном металле. Если этот оксидный слой механически повреждается, то он сразу же самопроизвольно восстанавливается.
Это естественное оксидное покрытие является одной из главных причин выдающихся коррозионных свойств алюминия. Это покрытие является стабильным в интервале рН от 4 до 9. В сильнокислотной или в любой щелочной среде алюминий довольно быстро подвергается коррозии.
Свойства
Давайте изучим характеристики алюминия. Описываемый металл плавится при температуре 659 градусов Цельсия. Плотность вещества составляет 2,69*103 кг/см3. Алюминий относят в группу активных металлов. Устойчивость к коррозионным процессам зависит от ряда факторов:
- Чистота сплава. Для производства различного оборудования берут металл, отличающейся своей чистотой. В нем не должно быть различных примесей. Широко распространен алюминий марки АИ1, а также АВ2.
- Среда, в которой находится алюминий.
- Какая концентрация примесей в окружающей алюминий среде.
- Температура.
- Большое влияние оказывает рН среды. Нужно знать, что оксид алюминия может образовываться, когда рН находится в интервале между 3 и 9. В той среде, где на поверхности листа алюминия сразу же появляется оксидная пленка, коррозионные процессы развиваться не будут.
Основные виды коррозии алюминиевых сплавов
Для строительных алюминиевых сплавов характерны следующие, наиболее частые виды коррозии [1-3]:
- общая (однородная) коррозия (general, uniform corrosion);
- точечная коррозия (pitting corrosion);
- гальваническая (контактная) коррозия (galvanic corrosion);
- щелевая коррозия (crevice corrosion).
На алюминиевых изделиях с лакокрасочным покрытием, например, профилей с порошковым покрытием, может проявляться также
- нитевидная коррозия (filiform corrosion) [3, 4].
Такие виды коррозии как:
- коррозия под напряжением (stress corrosion);
- межкристаллитная коррозия (intercrystalline corrosion);
- подповерхностная коррозия (exfoliation corrosion)
являются более редкими. Они характерны для высокопрочных алюминиевых сплавов серий 2000 и 7000, а также сплавов серии 5000 с высоким содержанием магния, которые не рекомендуются к применению в строительстве [2-4].
Гальванические пары
Относительное расположение двух металлов или сплавов в гальваническом ряду указывает только возможность гальванической коррозии, если различие их гальванических потенциалов является достаточно большим. Больше этот ряд ничего не говорит, и особенно ничего – о скорости или интенсивности гальванической коррозии. Она может быть нулевой или несущественной или даже незаметной. Ее интенсивность зависит от типов металлов, которые входят в контакт – гальванической пары.
Пара: алюминий – нелегированная сталь
В строительных конструкциях алюминиевые детали, которые открыты для воздействия климатических и погодных воздействий, могут соединяться винтами из обычной стали. Опыт показывает, что алюминий в контакте со стальными винтами подвергается только очень поверхностной коррозии. Возникающая ржавчина, которая не оказывает никакого влияния на алюминий, полностью пропитывает слой оксида алюминия и образует на поверхности пятна. Фактически, для алюминиевой конструкции в контакте с незащищенной сталью важнее будет ее влияние на внешний вид и декоративные качества, а не способность сопротивляться коррозии.
Основные виды коррозии строительного алюминия
3.1. Общая коррозия
Общая коррозия, которую также называют сплошной коррозией [2], развивается в виде язвочек очень малого диаметра, порядка одного микрометра. В результате этого вида коррозии происходит более или менее одинаковое уменьшение толщины по всей поверхности алюминиевого изделия. Для алюминия этот тип коррозии характерен для сильнокислотных и щелочных условий, в которых естественная алюминиевая оксидная пленка имеет достаточно высокую растворимость.
Различные алюминиевые сплавы имеют различную стойкость к общей коррозии. Например, самые распространенные в строительстве алюминиевые сплавы, такие как 6060 и 6063 (АД31), которые содержат не более 0,10% меди, обладают достаточно высокой стойкостью к общей коррозии и в большинстве условий эксплуатации применяются без какого-либо защитного покрытия. Однако алюминиевые сплавы, содержащие более чем 0,5% меди, обычно имеют значительно более низкой сопротивление коррозии. Поэтому такие сплавы не должны применяться без защитных покрытий в среде с высоким содержанием хлоридов, например, вблизи дорог, для которых для борьбы с обледенением применяется соль или вблизи морского побережья [3].
3.2. Точечная коррозия
Точечную коррозию часто называют также язвенной коррозией. Точечная коррозия — это локальная форма коррозии, для которой характерно образование на поверхности алюминия отдельных ямок (язв) неправильной формы. Диаметр и глубина этих ямок зависит от нескольких факторов, таких как, химический состав алюминиевого сплава, вид коррозионной среды и условия эксплуатации.
3.2.1. Возникновение точечной коррозии
Точечная коррозия возникает только в присутствии электролита (воды или влаги). Алюминий склонен к точечной коррозии в среде с величиной рН около 8. Это включает практически все естественные среды, такие как пресная вода, морская вода и влажный воздух.
В отличие от других металлов, точечная коррозия алюминия всегда хорошо видна, так как при этом коррозионные ямки покрываются белыми объемными желеобразными «прыщиками» [3] из гидроксида алюминия Al(OH)3. Эти «прыщики» имеют значительно больший размер, чем коррозионные ямки, над которыми они находятся. На рисунке 1 схематически показан сложный механизм точечной коррозии алюминия.
Рисунок 1 — Механизм точечной коррозии алюминия [4]
Точечная коррозия происходит, когда металл находится в постоянном или частом контакте с водной средой: водой, морской водой, дождевой водой и влажным воздухом. Опыт показывает, что если точечная коррозия возникает, то это всегда происходит в течение первых недель.
Давно известно, что точечная коррозия алюминия развивается в присутствии хлоридов. Хлоридные ионы проникают в естественную оксидную пленку и разрывают ее в слабых местах с образованием микротрещин [3].
3.2.2. Скорость точечной коррозии
Большинство зародившихся коррозионных ямок прекращают свой рост в течение нескольких дней. Продукты коррозии накапливаются над коррозионной ямкой и постепенно блокируют вход в нее. Это препятствует обмену ионов, особенно хлоридных, что объясняет, почему точечная коррозия обычно замедляется и даже останавливается.
В большинстве случаев глубина коррозионных ямок не превышает 0,4 мм [4]. Глубина коррозионной ямки увеличивается приблизительно пропорционально кубическому корню от времени. Это означает, например, что с увеличением толщины стенки алюминиевой трубы в два раза срок ее службы возрастает в 8 раз [4].
Именно поэтому согласно Еврокоду 9 (EN 1999-1-1) «толстые» алюминиевые профили из сплавов 6060 и 6063 толщиной 3 мм и более не требуют защиты от коррозии вплоть до условий промышленной морской атмосферы.
Смотрите подробнее Защита строительного алюминия от коррозии
3.2.3. Предотвращение и ограничение точечной коррозии
Для предотвращения или ограничения точечной коррозии большое значение имеет правильный выбор алюминиевого сплава и защитного покрытия, как правило, порошкового или анодно-окисного.
Важной мерой для предотвращения точечной коррозии является проектирование алюминиевых профилей и конструкций таким образом, чтобы обеспечивать им быстрый дренаж влаги и эффективное высушивание. В отсутствии влаги коррозия алюминия не происходит.
3.3. Контактная (гальваническая) коррозия
3.3.1. Условия для контактной (гальванической) коррозии
Контактная коррозия [2], которую чаще называют гальванической коррозией, возникает тогда, когда одновременно выполняются два условия:
- есть контакт двух различных металлов;
- есть электролитический «мостик» между этими металлами.
При оценке риска гальванической коррозии все металлы выстраивают по степени их «благородности». Менее благородный металл в контакте становится анодом и корродирует. Более благородный металл становится катодом и является защищенным от коррозии. Менее благородными металлами, чем алюминий являются только цинк и кадмий. Поэтому в большинстве комбинаций с другими металлами алюминий является менее благородным металлом.
Гальваническая коррозия часто является следствием неправильного проектирования конструкции. Она не возникает в сухом воздухе внутренних помещений. Нет большого риска гальванической коррозии в сельской местности. Однако риск гальванической коррозии всегда должен приниматься во внимание в средах с высоким содержанием хлоридов, например, в прибрежных районах морей. Медь, углеродистая сталь и даже нержавеющая сталь в таких условиях могут инициировать гальваническую коррозию.
Проблемы могут возникать также тогда, когда металлической комбинацией являются оцинкованная сталь и алюминий. Цинковое покрытие оцинкованной стали будет сначала предотвращать коррозионное воздействие на алюминий. Однако эта защита прекращается, когда стальная поверхность обнажается после того, как коррозия «съест» весь цинк.
3.3.2. Предотвращение гальванической коррозии
Риск гальванической коррозии не следует преувеличивать — этот тип коррозии никогда не случается в сухих внутренних помещениях, а его риск в сельской местности является минимальным.
Когда различные металлы применяются в контакте друг с другом, гальванической коррозии можно избежать путем электрической изоляции их друг от друга. На рисунке 2 показано такое решение для болтового соединения.
Рисунок 2 — Предотвращение гальванической коррозии в болтовом соединении путем электрической изоляции [5]
В больших конструкциях, где такая электрическая изоляция затруднена, применяют другие решения для предотвращения электрического мостика между двумя разнородными металлами. Примером такого решения является окрашивание поверхностей масляными и эмалевыми красками. Часто более эффективным является окрашивание катодной поверхности, то есть поверхности более благородного металла.
3.4. Щелевая коррозия
Щелевая коррозия — это локальная коррозия в различных узких углублениях между материалами (щелях) (рисунок 3):
- заклепочных соединений;
- болтовых соединений;
- сварочных соединений;
- мест скопления различных отложений (песка, шлака, грязи).
Рисунок 3 — Схема щелевой коррозия [4]
При транспортировке и хранении алюминиевых профилей, упакованных в пачки, вода иногда собирается в щелях между поверхностями смежных профилей и вызывает поверхностную коррозию, так называемые, «водяные пятна».
Источником этой воды является дождь или конденсация влаги, которая за счет капиллярного механизма проникает между металлическими поверхностями. Конденсат может возникать, когда, например, холодные алюминиевые профили попадают в теплое помещение.
Иногда алюминиевые профили хранят на открытом воздухе, например, под брезентом. В этом случае перепад между дневной и ночной температурой также может вызывать конденсат на их поверхности.
3.5. Нитевидная коррозия
Нитевидная коррозия является характерной для окрашенного металла. Она имеет вид узких нитевидных ходов шириной около 0,1-0,5 мм и длиной несколько миллиметров между слоем краски и основой металла. Нитевидная коррозия всегда начинается на дефектах окраски, таких как царапины, а также на отрезанных кромках или высверленных отверстиях. Вред от нитевидной коррозии носит чисто декоративный характер.
Элементы окон и дверей из сплавов 6060 и 6063 с порошковым покрытием могут подвергаться нитевидной коррозии. Для предотвращения этого вида коррозии содержание меди в алюминиевом сплаве не должно превышать 0,1 % [4]. Известно, что химическое стравливание поверхностного слоя алюминия в количестве не менее 2 г/м2 перед хроматной подготовкой поверхности обеспечивает окрашенному алюминию высокую стойкость к нитевидной коррозии.
Ротационная сварка трением
Ротационная сварка трением — это процесс соединения в твердом состоянии, который работает путем вращения одной детали относительно другой, находясь под действием осевой силы сжатия. Трение между поверхностями производит тепло, в результате чего материал интерфейса пластифицируется. Сжимающее усилие вытесняет пластифицированный материал с поверхности раздела, способствуя металлургическим механизмам соединения. Не входя в жидкое состояние, сварные швы трения остаются намного более холодными во время обработки.
Кроме того, сварка алюминия, быстрым трением, предотвращая длительное время воздействия сварного шва на высокие температуры. Следовательно, сварка трением коммерчески используется для соединения ряда разнородных материалов, поскольку образование интерметаллических соединений значительно снижается.
Несмотря на преимущества сварки трением для уменьшения интерметаллического образования между алюминиевыми сплавами и сталями, все же следует позаботиться о выборе параметров.
Другие типы коррозии
4.1. Коррозия под напряжением
Коррозия под напряжением, которая ведет к образованию трещин, является более редким типом коррозии. Этот тип коррозии случается в основном в высокопрочных сплавах, таких как сплавы серий 2000 (AlCu) и 7000 (AlZn), а также серии 5000 (AlMg) при содержании магния более 4 %. Это происходит, когда металл подвергается длительным растягивающим напряжениям в присутствии коррозионной среды. Этот тип коррозии обычно не возникает в алюминиевых сплавах AlMgSi серии 6000, в том числе, в популярных сплавах 6060 и 6063 [1].
4.2. Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитной коррозии подвергаются границы зерен металла, а не сами зерна. Сплавы серии 6000, например, 6060 и 6063, обычно являются стойкими к межкристаллитной коррозии. Образование в профилях рекристаллизованной структуры (с большим размером зерен), а также высокое содержание кремния и меди может способствовать коррозии такого вида. Для предотвращения или минимизации рекристаллизации в алюминиевые сплавы добавляют марганец и хром.
Межкристаллитная коррозия особенно характерна для сплавов серии 7000. Здесь она связана с выделениями MgZn, которые являются очень анодными по сравнению с алюминием и поэтому подвергаются коррозии [4].
4.3. Подповерхностная коррозия
Подповерхностная коррозия является видом выборочной коррозии, которая распространяется под поверхностью металла по одной или нескольким плоскостям. Этот вид коррозии возникает в основном в прокатных изделиях из высокопрочных сплавов серий 2000, 5000 и 7000.
Принцип батареи
Гальваническая коррозия работает как батарея, которая состоит из двух электродов:
- катода, где происходит реакция восстановления
- анода, где происходит реакция окисления.
Эти два электрода погружены в проводящую жидкость, которая называется электролитом. Электролит – это обычно разбавленный кислотный раствор, например, серной кислоты, или соляной раствор, например, сульфат меди. Эти два электрода соединены снаружи электрической цепью, которая обеспечивает циркуляцию электронов. Внутри жидкости передача электрического тока происходит путем перемещения ионов. Жидкость, таким образом, обеспечивает ионное электрическое соединение (рисунок 9).
Коррозия алюминия в различных средах
5.1. Алюминий на открытом воздухе
Коррозия металлов на открытом воздухе зависит от времени, в течение которого поверхность металла находится во влажном состоянии и химического состава электролита на его поверхности. Длительностью влажности поверхности считают период времени, в течение которого поверхность является достаточно влажной для возникновения коррозии. Обычно это происходит при относительной влажности выше 80 % и в то же время при температуре выше нуля.
В нормальной сельской атмосфере и в атмосфере со средним содержанием сульфатов алюминий в своем естественном состоянии обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью.
В атмосфере с высоким содержанием сульфатов могут возникать незначительная точечная коррозия. Однако в этих условиях стойкость алюминия к коррозии значительно выше, чем у углеродистой стали или у оцинкованной стали.
Присутствие в окружающем воздухе солей (особенно хлоридов) снижает стойкость алюминия к коррозии, но в меньше степени, чем у других конструкционных материалов [3].
5.2. Алюминий в почве
Почва не является однородным материалом. Химический состав минеральных веществ, содержание влаги, величина рН, присутствие органических материалов и электрическая проводимость могут изменяться в широких пределах от места к месту. Эти различия делают трудными предсказания от коррозионной стойкости металлов в почве. Кроме того, на коррозионную стойкость металлов в почве могут влиять и другие факторы, например, блуждающие токи.
При применении алюминия в почве применяют специальные защитные покрытия, например, битумные.
5.3. Алюминий в воде
Коррозия металлов в воде зависит от химического состава воды. На коррозионную стойкость алюминия в воде наибольшее влияние оказывают присутствие в воде хлоридов и тяжелых металлов.
В натуральной пресной воде и питьевой воде алюминий может подвергаться точечной коррозии. Однако при регулярной сушке и чистке риск коррозионного повреждения в этих условиях является минимальным. Домашние алюминиевые кастрюли, сковородки и другая кухонная утварь в еще недавние времена применялась десятилетиями без каких-либо признаков коррозии.
В морской воде особенно высокую коррозионную стойкость проявляют сплавы серии 5000 (AlMg) с содержанием магния свыше 2,5%, а также, в меньшей степени, сплавы серии 6000 (AlMgSi).
Алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди, например, известные «дюрали», обычно не применяют для условий работы в воде. Когда работа этих сплавов в таких условиях неизбежна, их необходимо обеспечить надежной коррозионной защитой, например, сплошным окрашиванием.
5.4. Алюминий и щелочные строительные материалы
Брызги мокрых щелочных строительных материалов, например, раствора или бетона, оставляют поверхностные, но довольно видимые пятна на поверхности алюминия. Поскольку эти пятна почти невозможно удалить, видимые алюминиевые поверхности необходимо защищать во время работ на строительной площадке.
Алюминий, который залит в бетон, будет реагировать аналогичным образом. Это повышает адгезию между материалами. Когда бетон «схватится», то коррозионное воздействие бетона на алюминий обычно прекращается. Однако, если между алюминием и бетоном проникает влага, то коррозия будет продолжаться. Увеличение объема продуктов коррозии может вызывать образование трещин в бетоне.
Этот тип коррозии можно эффективно предотвратить путем нанесения на алюминий битумного покрытия или краски, которая выдерживает щелочные среды. Так как оксидный слой является нестабильным в сильнощелочных условиях, то анодирование алюминия здесь не поможет.
Во внутренних сухих условиях после того, как бетон полностью схватился, алюминий уже не требует никакой коррозионной защиты.
5.5. Алюминий и химические реактивы
Благодаря защитным свойствам естественного оксидного слоя алюминий показывает хорошую стойкость к воздействию многих химических веществ. Однако низкие или высокие величины рН (меньше 4 и больше 9) приводят к растворению оксидной пленки и, следовательно, быстрой коррозии алюминия. Поэтому неорганические кислоты и концентрированные щелочные растворы являются для алюминия очень коррозионными.
Исключениями являются концентрированная азотная кислота и растворы аммиака. Они практически не реагируют с алюминием.
В умеренных щелочных водных растворах коррозии можно избежать путем применения силикатов в качестве ингибиторов. Такого типа ингибиторы обычно входят в состав средств для мытья посуды.
Большинство неорганических солей не являются для алюминия особенно коррозийными. Здесь исключениями являются соли тяжелых металлов.
Алюминий имеет очень хорошую стойкость к большинству органических соединений. Алюминиевое оборудование применяется при производстве и хранении многих органических веществ.
Способы очистки от нагара
Наслоившийся нагар с внешней стороны сковороды или остатки пищи на дне, которая сгорела и намертво пристала к металлической поверхности, невозможно убрать вышеописанными способами. Рассмотрим сильнодействующие способы очистки.
Вариант 1. Сода + клей. Кастрюли или сковороду из алюминия, на стенках которой образовался нагар, замачивают на 3-4 часа в растворе, приготовленном из пищевой соды, канцелярского клея и воды.
В подходящую по размеру емкость наливают десять литров горячей воды, затем растворяют в ней по сто граммов соды и силикатного клея. Утварь, замоченную в остывшем растворе, очищают губкой до блеска и тщательно споласкивают в чистой воде.
Вариант 2. Уксус столовый. Если у вас в распоряжении нет спецсредств, которыми можно эффективно очистить сгоревшую кастрюлю из алюминия, воспользуйтесь обычным столовым или яблочным уксусом (6 или 9%), также допускается развести эссенцию в пропорции 1 часть на 10 частей воды.
Уксус следует влить в сковороду или кастрюлю, на дне которой пригорела пища. Посуду ставят на плиту и включают сильный нагрев. Доводят жидкость до кипения, снимают сковородку или кастрюлю с огня и дают ей полностью остыть.
Когда температура жидкости достигнет комнатной, при помощи губки отмывают остатки подгоревшей пищи. Затем посуду хорошо промывают под струей воды.
Уксус также можно использовать для очистки алюминиевой утвари от темных пятен, окиси. Достаточно смочить составом ветошь и тщательно обработать алюминиевые поверхности.
При использовании уксуса не забывайте защитить кожу рук резиновыми перчатками. Если выбран вариант с кипячением, откройте окно для проветривания, включите вытяжку, чтобы едкий запах не распространился по квартире.
