خوردگی آلیاژهای آلومینیم

خوردگي ( Corrosion: )
خوردگي اصطلاحي است که به فساد فلزات از طريق ترکيب فلز با اکسيژن و ساير مواد شيميايي انجام مي شود.
زنگ زدن( Rusting: )
زنگ زدن فقط در مورد اکسيد شدن آهن وآلياژهاي آهني در هواي خشک يا مرطوب به کار مي رود که محصول خوردگي از جنس هيدرات فريک يا اکسيد فريک است .
اکسيد شدن ساده فلزات سبک :
اين فلزات شامل فلزات قليايي و قليايي خاکي هستند که وقتي اکسيد شوند حجم قشر اکسيد تشکيل شده متخلخل بوده و مانعي جهت نفوذ اکسيژن به داخل قشر اکسيد نيست و اکسيد خاصيت چسبندگي به فلز ندارد. به طور خاص سديم وپتاسيم در حرارت هاي عادي و متعارفي ميل ترکيبي شديدي با اکسيژن دارند ولي در درجات حرارت خيلي کم اکسيد شدن به تاخير مي افتد و اکسيد تشکيل شده در اين حالت خاصيت چسبندگي دارد.
آلومينيم و آلياژهاي آن :
آلومينيوم ، فلزي نرم و سبک ، اما قوي است، با ظاهري نقرهاي - خاکستري٬ مات ولایه نازک اکسيداسيون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکيل ميشود، از زنگ خوردگي بيشتر جلوگيري ميکند. وزن آلومينيوم تقريبأ يک سوم فولاد يا مس است چکش خوار ، انعطاف پذير و به راحتي خم ميشود. همچنين بسيار بادوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگي است. بعلاوه ، اين عنصر غير مغناطيسي ، بدون جرقه ، دومين فلز چکش خوار و ششمين فلز انعطاف پذير است.
بررسی خوردگی آلیاژهای آلومینیم (Corrosion of aluminium Aloys) مستلزم بررسی طبیعت شیمیایی آلومینیم است.  آلومینیم فلز فعالی است که مقاومت آن به خوردگی به پسیو شدن با لایه سطحی محافظ بستگی دارد. در محلول های آبی، شرایط ترمودینامیکی که تحت آن لایه رشد می کند معمولا با دیاگرام پتانسیل – pH پوربه نمایش می دهند. این نمودار نشان می دهد که آلومینیم تنها در محدوده  برابر با 4 pHتا 9 پسیو است. اکثر آلیاژهای آلومینیم مقاومت به خوردگی به اتمسفر طبیعی، آب شیرین، آب شور، بسیاری از روغن ها و مواد شیمایی و هم چنین مواد غذایی دارند. لوله های آلومنیمی در خنک کننده های فریونی مورد استفاده قرار می گرفتند.

خوردگی آلیاژهای آلومینیم در آب
آلیاژهای سری 1xxx، 3xxx، 5xxx و 6xxx مقاومت به خوردگی را در آب های با خلوص بالا، آب های طبیعی و آب دریا نشان می دهند. هنگامی که این آلیاژها برای نخستین بار در معرض آب با خلوص بالا قرار می گیرند، واکنش ملایمی رخ می دهد اما با گذشت زمان و تشکیل لایه محافظ اکسیدی سرعت واکنش کاهش می یابد.
آلیاژهای آلومینیم از سری های 1xxx ،3xxx، 5xxx و 6xxx مقاومت خوبی به اکثر آب ها طبیعی نشان می دهند. اگر خوردگی رخ دهد، به شکل حفره دار شدن خواهد بود. اجزای اصلی آب طبیعی که منجر به خوردگی حفره دار شدن آلومینیم می شوند، یون های مس، بی کربنات، کلراید، سولفات و اکسیژن هستند.این آلیاژها در آب های سخت تمایل بیشتری به حفره دار شدن دارند.
انواع خوردگی آلیاژهای آلومینیم
-خوردگی یکنواخت:
اکثر آلیاژهای آلومینیم مقاومت عالی به خوردگی اتمسفری دارند. اگر لایه اکسید سطحی در محیط محلول مانند اسید فسفریک یاهیدروکسید سدیم، آلومینیم قرار بگیرد، به طور یکنواخت و پیوسته حل می شود.
- خوردگی گالوانیک:
آلومینیم و آلیاژهایش نسبت به سایر فلزات به جز روی و منیزیم آندی هستند. در محیطی که آلومینیم در معرض حفره دار شدن قرار دارد باید از اتصال آلومینیم با فلزات کاتدی تر جلوگیری کرد. معروف ترین مثال خوردگی گالوانی آلیاژهای آلومینیم در حین کار هنگامی است که آن ها در تماس با فولاد یا مس بوده و در معرض محیط مرطوب شور قرار گیرند. هم چنین استفاده از مس در مخازن آلومینیم و مبدل های حرارتی مورد استفاده در سیستم های خنک کننده آب مطلوب نیست زیرا حضور چند بخش در میلیون مس در آب ورودی احتمال حفره دار شدن آلومینیم را افزایش می دهد.
موقعیت آلومینیم در سری گالوانی که آلومینیم و آلیاژهایش را نسبت به اکثر فلزات آندی می کند، سبب می شود تا از این فلز به عنوان آند فدا شوند برای حفاظت کاتدی از آلیاژ پایه استفاده شود.



- حفره دار شدن:
از آلیاژهای تجاری، سری های 1xxx، 3xxx و 5xxx مقاومت به حفره دار شدن عالی دارند. اگرچه، با مقدار مس بیشتر از 0.04 درصد، آلیاژهای سری 3xxx به حفره دار شدن حساس هستند. در 0.15% مس، این آلیاژها به خصوص در آب دریا بیشتر دچار حفره می شوند. آلیاژهای 2xxx، 6xxx و 7xxx معمولا روکش می شوند تا در برابر حفره دار شدن حفاظت شوند.
عوامل موثر بر خوردگی حفره دار شدن:
حفره دار شدن معمولا به دلیل حضور مس، جیوه و یون های هالید است که کلرید مخرب ترین آن هاست و معمولا در محل کار وجود دارد. می توان با حذف عوامل کاهنده مورد نیاز برای واکنش کاتدی از حفره دار شدن جلوگیری کرد. در غیاب اکسیژن محلول یا سایر واکنشگرهای کاتدی، آلومینیم دچار حفره نمی شود زیرا به پتانسیل حفره دار شدن نمی رسد. حفره دار شدن در محلول های خنثی معمولا به وسیله اکسیژن ایجاد می شود.
رفتار خوردگی:
سرعت حفره دار شدن آلومینیم به رفتار پلاریزاسیون بستگی دارد. مانند سایر فلزات پسیو، خوردگی آلومینیم در محدوده پسیو که pH آن 4–9 است ممکن است به صورت حفره دار شدن باشد. حفره دار شدن آلومینیم در ورای این محدوده کم شده و خوردگی به صورت یکنواخت پیش می رود.
خوردگی تنشی:
خوردگی SCC در آلیاژهای خالص تجاری 1xxx، آلیاژهای آلومینیم – منگنز 3xxx و آلیاژهای آلومینیم – منیزیم حاوی 3 درصد منیزیم سری 5xxx و مستحکم شده با کار سرد رخ نمی دهد. در مواقع خاص، خوردگی تنشی در آلیاژهای آلومینیم – منیزیم – سیلیسیم 6xxx رخ می دهد.
آلیاژهای حساس به خوردگی تنشی:
خوردگی تنشی در آلیاژهای آلومینیم ریختگی معمولا به آلیاژهایی که حاوی مقادیر قابل توجهی عنصر آلیاژی مس، منیزیوم، سیلیسیم و روی محدود می شود. آلیاژهایی که می توان با کار سرد استحکام آن ها را افزایش داد نسبتا به خوردگی تنشی مصون هستند. آلیاژهای ریختگی که در معرض خوردگی تنشی قرار دارند شامل موارد زیر می شوند:
- سری 2xxx شامل مس با مقادیر کمتر منیزیم، منگنز و سایر عناصر هستند.
- سری 7xxx حاوی روی با مقدار کمی منیزیم، منگنز، مس و سیلیسیم هستند
- سری 5xxx که بیش از 3 درصد منیزیم دارند با یا بدون عناصر آلیاژی
در آلیاژهای آلومینیم، این ترک خوردگی بین دانه ای است. عواملی که مقاومت به خوردگی تنشی را تحت تاثیر قرار می دهند عبارتند از:
خواص جهت دار آلومینیم: خوردگی تنشی آلیاژ ریختگی آلومینیم در تمپر با اندازه و زمان اعمال تنش کششی و نیز با جهت اعمال تنش مشخص می شود. اثر تنش در جهات مختلف با ساختار جهت دار دانه که در آلیاژهای ریختگی آلومینیم معمول است، ایجاد می شود. مقاومت که با مقدار تنش کششی مورد نیاز برای ایجاد ترک اندازه گیری می شود زمانی بیشترین حد خود را دارد که تنش وارده در جهت طولی است، کمترین حد در جهت عرضی و در سایر جهات متوسط است.
محیط: آب یا بخار آب برای خوردگی تنشی آلومینیم لازم است و در غیاب آن ترک خوردگی ایجاد نمی شود. میان گونه هایی که به ترک خوردن شتاب می دهند، کلرید بیشترین اثر را دارد.
روش تست استاندارد برای تعیین حساسیت به خوردگی تنشی در آلیاژهای آلومینیم با استحکام بالا ASTM G47 است. این استاندارد حساسیت SCC آلیاژ با استحکام بالای 2xxx و 7xxx است هنگامی که جهت تنش وارده عمود بر ساختار دانه ها باشد.
پوسته شدن :
خوردگی سطحی است که از سطح آغاز شده و پخش می شود. این خوردگی در آلیاژهای آلومینیم و مس-نیکل دیده می شود. حمله با حفره دار شدن در این متفاوت است که ظاهر آن به صورت پوسته است و معمولا در طول مرزدانه ها رخ می دهد. حمله های خوردگی منجر به ورقه ورقه شدن و گاهی اوقات سطح تاول دار می شود. به دلیل لایه برداری تمام لایه های ماده خورده می شوند. انتهای نمونه مشابه با دسته ای از کارت می شود که برخی از آنها جدا شده اند.



آلیاژهای حساس به پوسته شدن:
در تمپر های خاص، محصولات ریخته گری شده آلیاژهای آلومینیم در معرض خوردگی لایه ای قرار می گیرند، که منجر به ایجاد محصولات ورقه شده می شود. این خوردگی در محصولاتی پیشروی می کند که ساختار جهت دار دارند و در آن دانه ها کشیده شده اند. آلیاژهای سری 2xxx، سری 5xxx با مقادیر بالاتر منیزیم و سری 7xxx بیشتر در معرض خوردگی لایه ای قرار می گیرند.
این خوردگی در آلیاژهای ریختگی غیر قابل عملیات حرارتی مانند سری 1xxx، 3xxx و تیپ های غیر قابل عملیات حرارتی 6xxx به ندرت دیده می شود. می توان برای غلبه کردن بر این مشکل از عملیات حرارتی و آلیاژ سازی استفاده کرد. روش تست استاندارد برای تعیین حساسیت به خوردگی لایه ای ASTM G34، روش تست غوطه وری برای تعیین ورقه ورقه شدن در آلیاژهای آلومینیم سری 2xxx و 7xxx یا تست EXCO است. این روش تست برای محصولات ریختگی مانند پلیت ها، ورق ها، اکستروژن ها و فورجینگ ها به کار می رود. استاندارد ASTM G66 نیز تست غوطه وری آلیاژهای آلومینیم سری 5xxx برای ورقه ورقه شدن است که به تست ASSET معروف است.
خوردگی بین دانه ای :
آلیاژهای آلومینیم که فاز ثانویه در مرزدانه ها تشکیل نمی دهند یا آلیاژهایی که در آن ها اجزای تشکیل دهنده پتانسیل خوردگی مشابه با زمینه دارند، نسبت به خوردگی بین دانه ای حساس نیستند. آلیاژهای آلومینیم مانند 1100، 3003، 3004 آلیاژهای آلومینیم – منیزیم سری 5xxx که حاوی کمتر از 3 درصد منیزیم هستند دچار خوردگی بین دانه ای نمی شوند. آلیاژهای سری 6xxx معمولا در برابر این نوع خوردگی مقاومت می کنند. عملیات حرارتی در سری 2xxx ،5xxx با بیش از 3 درصد منیزیم و آلیاژهای سری 7xxx که رسوب مرزدانه در آن ها رخ می دهد به خوردگی بین دانه ای حساس هستند. درجه حساسیت به خوردگی با موارد زیر افزایش می یابد:
1- مقدار منیزیم
2- مقدار کار سرد
3- مقدار زمانی که آلیاژ در معرض دما قرار می گیرد.
مقاومت به خوردگی بین دانه ای با استفاده از عملیات حرارتی که منجر به یکنواخت تر شدن رسوب درون ساختار دانه می شود یا با محدود کردن عناصر آلیاژی که خوردگی بین دانه ای را ایجاد می کنند، حاصل می شود.
خوردگی شیاری :
خوردگی شیاری آلومینیم در آب شیرین قابل چشم پوشی است. در آب شور خوردگی به شکل حفره دار شدن رخ داده و سرعت خوردگی پایین است.
خوردگی سایشی، خوردگی حباب زایی و خوردگی برخوردی:
آلومینیم و آلیاژهایش به خوردگش حباب زایی، برخوردی و سایشی حساس هستند.
خوردگی خستگی:
آلیاژهای آلومینیم، مانند بسیای از فولادها، مقاومت کمی در برابر خوردگی خستگی دارند. خوردگی خستگی آلیاژهای آلومینیم مشخصا درون بلوری بوده و با تخریب ناشی از خوردگی تنشی متفاوت است که معمولا بین دانه ای هستند. خوردگی موضعی سطح آلومینیم افزایش تنش را ایجاد کرده و استحکام خستگی و در نتیجه عمر خستگی را به شدت کاهش می دهد.
خوردگی آلومینم در موتور دیزلی با سیستم خنک کننده آب
خوردگی یکنواخت ممکن است در برخی از مخلوط های آب/گلیکول رخ دهد که ممانعت کننده مناسب ندارند. خوردگی موضعی با شکست لایه پسیو توسط یون کلرید آغاز می شود. حفره دار شدن و خوردگی شیاری می تواند با استفاده از ممانعت کننده ها جلوگیری شود. آنیون هایی که برای کاهش اثر خوردگی رایج هستند را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد:
1- اکسید کننده. ممانعت کننده هایی که لایه پسیو روی سطح فلز ایجاد می کنند.
2- غیر اکسید کننده. ممانعت کننده هایی که با تشکیل رسوبات نامحلول با یون های آلومینیم به عنوان عامل مسدود کننده به کار می روند.
بنزوات، فسفات و سیلیکات مثال هایی از ممانعت کننده های غیر اکسید کننده هستند. نیترات ها و کرومات ها از ممانعت کننده های اکسید کننده هستند.
جلوگیری از خوردگی و اقدامات کنترل کننده
روش های مهم جلوگیری از خوردگی آلومینیم شامل موارد زیر می شود:
ملاحظات طراحی: جنبه های طراحی که رفتار خوردگی را تحت تاثیر قرار می دهند شامل انتخاب نادرست آلیاژ یا تمپر، زوج گالوانی، عدم وجود آب بندی در شیارها برای جلوگیری از خوردگی شیاری و انتخاب روش اتصال و فلز پر کننده.
انتخاب آلیاژ و تمپر: در کل، آلیاژهای سری 5xxx آلومینیم – منیزیم بهترین مقاومت به خوردگی را دارند، پس از آن ها آلیاژهای سری 1xxx، 3xxx و 6xxx با خلوص تجاری قرار دارند. آلیاژهای سری 2xxx و 7xxx معمولا لایه محافظ مانند روکش دارند. انتخاب تمپر مقاومت بهتری به خوردگی بین دانه ای و لایه لایه شدن برای آلیاژهای سری 5xxx بدست می دهد در حالی که در آلیاژهای سری 7xxx مقاومت بهتری به خوردگی تنشی ایجاد می شود.
آندي کردن :لایه اکسيد تشکيل شده در سطح آلومينيوم در معرض هوا از خصلت حفاظتي خوبي برخوردار است اما اين لایه اکسيد را مي توان با برقکافت ضخيم تر کرد . اين کار را آندي کردن مي گويند و اکسيدي که به اين ترتيب تشکيل مي شود اندود اکسيد آندي ناميده مي شود . با آندي کردن فلز مقاومت در برابر خوردگي افزايش مي يابد ضمن اينکه سطح با قرار گرفتن در فضاي باز ظاهر جديدي پيدا خواهد کرد . در موقع آندي کردن آلومينيوم شي فلزي اند پيل الکتروليتي را تشکيل مي دهد . اندود اکسيد آندي که طي برقکافت ايجاد مي شود شامل يک لایه فشرده به صورت سد در نزديک سطح فلز و اليه ديگري با منافذ ريز بر روي آن است.
ممانعت کننده ها: فسفات ها، سیلیکات ها، نیترات ها، فلوریدها و غیره برای استفاده با آلومینیوم در برخی کاربردها توصیه شده است. اگر مس در سیستم های بسته مد نظر باشد، از مرکاپتوبنزوتیازول برای جلوگیری از خوردگی مس و خوردگی رسوبی آلومینیم استفاده می شود.
حفاظت کاتدی: مصالح آلومينيوم غوطه ور در آب را مي توان به روش حفاظت کاتدي در مقابل تشکيل حفره حفظ کرد. براي اين کار پتانسيل الکترودي را تا مقدار زير پتانسيل تشکيل حفره جسم در محيط مورد نظر پايين مي آورند٬ با وجود اين گاز هيدروژن مي تواند در کاتد تشکيل شود که نتيجه آن بالا رفتن مقدار PH است. هرگاهPHبسيار بالا رود آلومينيوم احتمالا مورد حمله قرار ميگيرد لذا از حفاظت اضافي آن بايد اجتناب کرد. در برخی کاربردها، قسمت هایی از آلیاژ آلومینیم به وسیله حفاظت کاتدی به وسیله آند فدا شونده یا با جریان اعمالی محافظت می شود. از آنجایی که واکنش کاتدی یون های هیدروکسید تولید می کند، جریان این آلیاژها نباید به اندازه ای بالا باشد تا محلول را به گونه ای قلیایی کند که خوردگی قابل توجهی ایجاد کند.
استفاده از محصولات الکلد Alclad: بطور کلي آلياژهاي آلومينيوم با استحکام زياد از نظر خوردگي کم مقاومترين آنها محسوب ميگردند. اين مطلب بخصوص در مورد آلياژهاي حاوي درصدهاي زياد مس يا روي صادق است. از طرف ديگر مقاومت به خوردگي آلومينيوم خالص بسيار زياد است. پوشش آلومينيومي دادن يکي از روش هاي افزايش مقاومت خوردگي به يک آلياژ با استحکام زياد است. در اين فرآيند يک لایه آلومينيوم خالص به سطح آلياژ مورد نظر متصل شده و در نتيجه در مجموعه خواص مورد نظر حاصل ميشود. اين روش مخصوصاً در محصولات ورقهاي مناسب است. استفاده از محصولات الکلد برای مقاومت در برابر خوردگی به خوبی ثابت شده است. آلیاژهای الکلد محصولی کامپوزیتی است که در آن لایه سطحی نازکی از آلیاژ آلومینیوم (آندیک)، معمولا 5 الی 10 درصد ضخامت کل به شکل متالورژیکی با آلیاژ اصلی (کاتدیک) پیوند برقرار کرده که برای ایجاد استحکام مورد نیاز و روکش برای ایجاد ماکزیمم مقاومت به خوردگی به خصوص در برابر حفره دار شدن انتخاب می شود. اختلاف پتانسیل بین آلیاژ پایه و روکش حفاظت کاتدی را برای هسته ایجاد می کند. روکشی که معمولا استفاده می شود آلیاژ 7072 است که حاوی 1 درصد روی بوده و پتانسیل محلول آن −0.96 V است که حداقل 100 mV آندی تر از آلیاژهای هسته مانند 3003 و 6951 است. از آنجایی که روکش ها نسبت به هسته آندی هستند، خوردگی انتخابی روکش تا فصل مشترک روکش و هسته اتفاق می افتد. پس از رسیدن به فصل مشترک، خوردگی به صورت عرضی گسترش می یابد و از خوردگی موضعی جلوگیری می شود. محصولات الکلد به شکل ورق و تیوب که در یک طرف یا طرف دیگر پوشش داده شده اند، در دسترس هستند. به عنوان مثال، تیوب های الکلد برای رادیاتورهای آلومینیمی لحیم شده برای ممانعت از خوردگی لوله در بخشی که در تماس با آب است، استفاده می شوند. ترکیب معمول محصولات الکلد معمولا در کاربردهای مبدل حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد .
رنگ کاري : مصالح آلومينيومي را براي فضاي باز مثل ساختمان ها نياز به رنگ مقاوم به خوردگي ندارند . خوردگي اتمسفري ان قدر شديد نيست که بر مقاومت ساختمان اثر گذارد . در هر حال رنگ کردن آلومينيوم بيشتر به منظور زيبا سازي انجام مي شود. اگر مقاومت طبيعي آلومينيوم براي بعضي از محيطها کافي نباشد در آن صورت روش هايي وجود دارد که بتوان مقاومت آن را افزايش داد. برخي از اين روشها عبارتند از: پوشش دادن با آلومينيم ٬ آندايزه کردن يا آبکاري ٬ پوشش سخت دادن ومحافظت کاتدي.
ضخیم ساختن لایه اکسیدی و پوشش های آلی در اين روش از مقاومت زياد در مقابل خوردگي اليه پوششي که بالفاصله بر روي سطح آلومينيوم تازه بريده شده تشکيل ميگردد استفاده ميشود. همانگونه که قبالً ذکر گرديد اين اليه عامل مقاومت به خوردگي طبيعي اين فلز است. آندايزه کردن در واقع يک نوع ضخيم کردن اليه اکسيدي به ضخامت تا چندين هزار برابر ضخامت اليه اکسيد طبيعي است. نتيجه عمل، لایه ها است سخت با ضخامت حدود 2/2 .ميکرون بر تمام سطح آلومينيوم که عالوه بر مقاومت به خوردگي در مقابل سايش نيز استحکام کافي دارد. آندايزه کردن يک روش الکتريکي است که انواع مختلف آن اساساً از نظر محلولي که فلز در آن مورد عمل قرار ميگيرد و ضخامت اليه اکسيدي حاصل، فرق مينمايد. از اين طريق پوشش دادن عالوه بر حفاظت سطحي گاهي به منظور تزئيني نيز استفاده ميگردد اگر فلز آندايزه شده را با انواع رنگهاي مختلف پوشش دهند رنگ حاصل تقريباً بصورت قسمتي از اکسيد سطحي بدست ميآيد.
تغییر محیط چنین تغییراتی عبارتند از: کاهش خوردگی محیط، تنظیم pH محلول، هوازدایی آب برای کاهش مقدار اکسیژن و در نتیجه کاهش تمایل به حفره دار شدن آلومینیم و ضخیم کردن لایه اکسید سطحی و پوشش آلی پوشش هایی با روکش نفوذی یا پاشش حرارتی مشابه با لایه روکش عمل کرده و به صورت فدا شونده خورده می شوند تا از آلیاژ هسته محافظت کنند.
فولادهای نفوذ داده شده با آلومینیم مورد استفاده در مبدل های حرارتی پالایشگاه نفت خام نفوذ بخار آلومینیم به سطح آلیاژهای پایه آهن یا پایه نیکل یکی از روش های حفاظت از تیوب های فولادی (نام این فرآیند آلونایزینگ است) و سایر اجزای مبدل های حرارتی از اثر مخرب اکسیداسیون دما بالا، سولفیداسیون و کربوریزاسیون است. در نتیجه، این فرآیند کاربردهای وسیعی در مبدل های حرارتی مورد استفاده در پالایشگاه های شیمیایی و پالایشگاه های نفت خام یافته است.