خوردگی آلومینیوم پدیده شایعی است که با وجود مقاومت ذاتی آن بالاخره رخ خواهد داد اما نسبت به فلزات آسیب پذیر دیگر، بیشتر طول خواهد کشید. در هر صورت آشنایی با انواع خوردگی و روشهای جلوگیری از آن، جلوی آسیب دیدن قطعات آلومینیومی و هزینههای جانبی را خواهد گرفت.
آلومینیوم دومین فلز فراوان کره زمین است که به دلیل خصوصیات عالی و منحصر بفرد، یکی از پرکاربردترین فلزات صنایع امروزی است. بنابراین باید نسبت به شرایطی که طول عمر این فلز را کاهش داده و به آن آسیب میزند، آگاهی کامل داشته باشید.
خوردگی در هر نوع فلزی باعث تأثیرات قابل توجهی در استحکام عملکردی آن شده و آسیبهای ساختاری جدی به آنها وارد میکند که از جمله آنها میتوان به ترک برداشتن، شکستگی جزئی و در موارد حاد، باعث شکست و از دست رفتن استحکام کلی ساختار فلز اشاره کرد.
در این مطلب قصد داریم نگاهی دقیق به خوردگی آلومینیوم داشته باشیم تا با انواع خوردگی که روی این فلزات تأثیر میگذارند آشنا شوید.
منظور از خوردگی آلومینیوم چیست؟
خوردگی آلومینیوم به تجزیه و خرابی تدریجی مولکولها به فرم اکسیدی آن میگویند که باعث از بین رفتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن میشود.
آلومینیوم ذاتاً فلزی واکنش پذیر است اما از طرفی هم به عنوان فلزی منفعل از آن یاد میکنند. به بیان دیگر آلومینیوم با اکسیژن و آب در محیط بیرون واکنش میدهد که نتیجه آن تشکیل لایهای بر روی سطح آن است که از خوردگی قسمتهای زیرین آن جلوگیری میکند. این لایه اکسید واکنش ناپذیر محکم به سطح آلومینیوم چسبیده و خیلی سخت ورقه ورقه میشود. این شرایط مشابه با فولاد ضد زنگ است.
با وجود اینکه فرایندهایی مثل اچینگ لیزری و آندایزینگ آلومینیوم، برای محافظت از آلومینیوم در برابر اکسید شد انجام میشود، خوردگی فرایندی آهسته است که در نهایت بعد از گذشت چندین ماه یا چندین سال رخ خواهد داد.
یکی از چیزهایی که باعث شده فلز آلومینیوم یونیک به نظر برسد، انواع مختلف خوردگی است. با اطلاع پیدا کردن نسبت به انواع پدیدههای خوردگی آلومینیوم میتوان اقدامات کنترلی مناسب برای کاهش یا پیشگیری کامل این اتفاق را انجام داد.
انواع خوردگی آلومینیوم
خوردگی اتمسفری (جوی یا محیطی):
شایع ترین نوع خوردگی آلومینیوم، نوع جوی است. خوردگی جوی آلومینیوم ناشی از تماس عناصر طبیعی با آلومینیوم است. به دلیل اینکه احتمال وقوع این نوع خوردگی در هر جایی وجود دارد، خوردگی محیطی یا اتمسفری، از مجموع سایر انواع خوردگی آلومینیوم، سهم بیشتری را به خود اختصاص میدهد.
خوردگی محیطی به سه دسته مختلف تقسیم میشود. این سه دسته برحسب میزان رطوبت محیط، به انواع خشکتر و مرطوب تقسیم بندی میشوند.
با توجه به اینکه برحسب منطقه جغرافیایی، میزان رطوبت محیط فرق میکند، برخی نواحی شاهد وقوع خوردگی بیشتری در آلومینیوم هستند. فاکتورهای محیطی دیگری که روی شدت خوردگی اتمسفری آلومینیوم تأثیر میگذارند، تغییر در جهت باد، دما و بارندگی است. غلظت و انواع آلاینده های موجود در هوا، نزدیکی به پهنههای آبی هم نقش بسیار مهمی ایفا میکنند.
در صورتی که در طراحی پروفیلها و محصولات آلومینیوم نواقصی وجود داشته باشد که اجازه خروج آب را ندهند، خوردگی جوی تشدید خواهد شد. در این حالت، تجمعاتی از آب حاصل از بارشها رخ داده و متراکم میشوند که نتیجه آن خوردگی بیشتر آلومینیوم است.
خوردگی گالوانیک آلومینیم
این نوع خوردگی که به خوردگی فلز متفاوت هم معروف است زمانی رخ میدهد که فلز آلومینیوم به طور فیزیکی یا از طریق یک الکترولیت در تماس با یک فلز نجیب مانند مس و جیوه قرار بگیرد. فلز نجیب به هر فلزی میگویند که واکنش پذیری آن در مقایسه با آلومینیوم کمتر باشد.
واکنش پذیری فلزات برحسب موقعیت آن در سری الکتروشیمیایی مشخص میشود. اگر فلزی که در کنار آلومینیوم قرار گرفته، از لحاظ موقعیتی، نسبت به آلومینیوم، در سری الکتروشیمیایی دورتر باشد، شدت خوردگی بیشتر خواهد شد.
شدت خوردگی در محل تماس یعنی جایی که فلز نجیب با آلومینیوم در تماس است، از همه جا بیشتر است و این میزان با افزایش فاصله کمتر میشود. به عنوان مثال اگر فلز آلومینیوم و برنج در تماس با یکدیگر یا در نزدیکی یکدیگر باشند و در آب دریا قرار بگیرند، سلول گالوانی یا ولتایی (پیل گالوانی) تشکیل میشود. در نتیجه چنین اتصالی، فلز آلومینیوم به عنوان فلز آندی (انتهای مثبت) دچار خوردگی خواهد شد.
این مورد در کشتیهای کوچک و قایقهایی که اتصالات برنزی و اتصالات آلومینیومی کنار هم هستند مشکل ساز خواهد بود، مخصوصاً که هر دو در تماس مستقیم با آب هستند. در این شرایط الکترونهای آلومینیوم از طریق جریان آب به فلز برنز منتقل می شوند.
این نوع سلول گالوانی ممکن است به طور ناخواسته در محیطهای دیگر هم تشکیل شده و باعث خوردگی گالوانی شود. سرعت رخداد خوردگی گالوانی میتواند بسیار بیشتر از خوردگی اتمسفری یا جوی باشد.
خوردگی حفرهای آلومینیوم
خوردگی حفرهای به خوردگی سطحی فلز آلومینیوم میگویند که با ایجاد سوراخهای کوچک بر روی سطح آن مشخص میشود. معمولاً حفرات ایجاد شده روی استحکام آلومینیوم تأثیر منفی ندارند. با اینکه روی زیبایی فلز تأثیر منفی میگذارد اما در شرایطی که زیبایی ظاهری فلز بسیار مهم است، ضرر زیادی خواهد زد.
خوردگی حفرهای معمولاً در نواحی رخ میدهد که در هوا نمک وجود داشته باشد چون در واقع آنیونهای کلر باعث ایجاد این نوع خوردگی میشوند. نمکهای سولفات تا حدی میتوانند باعث خوردگی حفرهای شوند. در مواقعی که نمکهای اسیدی و بازی در محیط وجود داشته باشند، بدترین فرم خوردگی حفرهای اتفاق خواهد افتاد.
برای اینکه خوردگی حفرهای رخ دهد، پتانسیل استاندارد آلیاژ باید بالاتر از پتانسیل الکترولیت (محلول نمکی) باشد. در صورتی که سطح آلومینیوم دچار نواقص و مشکلات در مرز دانهای و ذرات فاز دوم باشد، خوردگی حفرهای رخ خواهد داد.
خوردگی شیاری آلومینیوم
خوردگی شیاری یک نوع فرایند ایجاد خوردگی موضعی در فلزات است. همپوشانی و تداخل متریالهای مختلف یا اشتباهات ناخواسته در طراحی میتواند منجر به ایجاد شیار و شکاف شود. در نتیجه، تجمع آب در این نواحی منجر به خوردگی شیاری میشود.
حتی یک فاصله کوچکی هم بین پیچ و سطح آلومینیوم وجود داشته باشد، زمینه ساز این نوع خوردگی خواهد شد. با گذر زمان، آلومینیوم از سطح فلز حل شده و در آب رسوب میکند. آلومینیوم آیونی تشکیل شده، مولکولهای اکسیژن هوا و یونهای هیدروکسید را از الکترولیت به سمت خود جذب کرده و تشکیل آلومینیوم هیدروکسید میدهد.
در نتیجۀ کاهش اکسیژن، در حضور کلریدها شیار ایجاد شده خاصیت اسیدی پیدا میکند که به نوبه خود، سرعت خوردگی را بیشتر خواهد کرد.
خوردگی مرز دانهای آلومینیوم
در رابطه با فلز آلومینیوم، مرز دانهای از لحاظ الکتروشیمیایی متفاوت با ریز ساختار آلیاژ است. همین عامل باعث ایجاد پتانسیل الکتروشیمیایی بین این دو میشود و تبادل الکترونی رخ میدهد.
بسته به نوع فرایندهای ترموشیمیایی و ساختارهای فلزی، انواع مختلفی از خوردگی مرز دانهای وجود دارند. حتی مشخص شده که در آلیاژهای مختلف آلومینیوم هم شاهد انواع و درجات مختلفی از خوردگی مرز دانهای هستیم. به عنوان مثال سریهای 6 آلیاژهای آلومینیومی کمتر مستعد ایجاد این نوع خوردگی هستند.
مسیر آندی هم بسته به نوع سیستمهای آلیاژی متفاوت است. به عنوان مثال در سریهای 2، مسیر آندی باریک و محدودی در دو طرف مرز دانهای وجود دارد در حالی که در سری های 5، مسیر پیوستهای در سرتاسر مرز دانهای به چشم میخورد.
مشابه با خوردگی حفرهای، خوردگی مرز دانهای هم در اثر یک حفره یا سوراخ کوچک ایجاد میشود با این تفاوت که سرعت پیشروی خوردگی در اطراف مرز دانهای بسیار بیشتر است.
خوردگی تورقی آلومینیوم
خوردگی تورقی نوع خاصی از خوردگی مرز دانهای است که در آلیاژهای آلومینیومی با ساختارهای جهت دار ایجاد میشود. این نوع خوردگی مخصوصاً در محصولات آلومینیومی که تحت فرایندهای نورد گرم یا سرد بودهاند به وفور دیده میشود.
این نوع خوردگی در راستای مرز دانهای در ریز ساختار تشکیل میشود. اصطلاح تورقی از این واقعیت ناشی میشود که محصولی که دچار خوردگی شده، حجم بیشتری پیدا میکند به نحوی که انگار در سطح فلز برآمدگی رخ داده است.
این نوع خوردگی آلومینیومی در بالای سطح فلز گسترش پیدا میکند و به طور همزمان، نواحی جانبی فشار بر روی محصول وارد میکند. این اتفاق به نوبه خود باعث میشود تا ابتدا بخشی از سطح به شکل ساختارهای ورقه ورقه از آن جدا شود و سپس خوردگی به کل فلز پیشروی کند.
در نهایت ورقه ورقه شدگی شدیدی رخ داده و متریال را تضعیف میکند. وقتی سطح آلومینیوم در اثر این خوردگی تجزیه میشود، فلز آلومینیوم را مستعد حفرهدار شدن، پوسته پوسته شدن و تاول زدگی می کند.
سریهای 2، 5 و 7 بیشتر از سایر سری آلیاژهای آلومینیومی در معرض خوردگی تورقی هستند که بخاطر ساختارهای دانهای به شدت جهتدار آنهاست. همین عامل باعث میشود تا این سریها در برابر خوردگی مرز دانهها بسیار آسیب پذیر شوند.
معمولاً شدت آسیب پذیری فلزات آلومینیوم در برابر خوردگی تورقی را از طریق فرایندهای گرمایی یا گرمادهی تغییر میدهند تا رسوبات تشکیل شده از یکدیگر جدا شوند.
خوردگی عمومی آلومینیوم
در صورتی که خوردگی یکنواخت بر روی سطح آلومینیوم تشکیل شود، به آن خوردگی عمومی یا یکدست میگویند. این نوع خوردگی زمانی اتفاق میافتد که محصولات آلومینیومی دائما در تماس با محیط به شدت اسیدی یا قلیایی باشند.
حتی در حضور فلزی با پتانسیل الکتروشیمیایی بسیار بالا که فلز آلومینیومی درون الکترولیت باشد نیز چنین خوردگی رخ خواهد داد. نمونه عادی و معمول چنین نوع خوردگی، زنگ زدگی صفحه یا پلیت آلومینیومی در محلول اسیدی است.
خوردگی یکنواخت یا عمومی زمانی رخ میدهد که دائما نواحی کاتدی و آندی که در تماس با الکترولیت هستند جایشان عوض شود. در نتیجه خوردگی سطح آلومینیوم در همه جای آن رخ خواهد داد.
در محلولهایی که به شدت اسیدی یا بازی هستند، لایه اکسیدی محافظ تشکیل شده بر روی سطح آلومینیوم چندان دوام نمیآورد و نمیتواند از سطح زیرین خود محافظت کند. در نتیجه ضخامت این متریال کاهش یافته و در نهایت، کاملاً حل خواهد شد.
البته این نوع خوردگی، کاملا یکسان و یکنواخت نیست و در برخی مناطق خوردگی بیشتر و در برخی کمتر است. اگر نواحی خورده شده عمیق کوچک بر روی سطح آلومینیوم تشکیل نشود میتوان به آن خوردگی عمومی و یکدست گفت.
خوردگی رسوبی
خوردگی رسوبی زمانی رخ میدهد که فلزی متفاوت بر روی سطح آلومینیوم رسوب کند که در نتیجه آن خوردگی موضعی شدید رخ خواهد داد.
تصور کنید جریان آب از داخل یک لوله مسی عبور میکند. هنگام عبور آب از داخل لوله، یونهای مس را هم با خود حمل میکند. یونهای مس که در این محلول هستند وقتی در تماس با یک سطح یا ظرف آلومینیومی قرار میگیرند، به مرور روی آن رسوب میکنند.
در صورتی که همین یونها از لحاظ سری الکتروشیمیایی یا گالوانی نسبت به آلومینیوم پایینتر باشند، به تدریج، سلول گالوانی ظریف و نازکی تشکیل میدهند که با حفرهدار کردن سطح آلومینیوم باعث خوردگی آن خواهند شد. هر چقدر اختلاف سری گالوانی بین آلومینیوم و یونهای رسوب کرده بیشتر باشد، شدت خوردگی بیشتر خواهد بود.
اگر غلظت و مقدار یون مس در محلول به اندازه 1 پی پی ام (ppm) هم باشد، باعث خوردگی شدیدی در سطح آلومینیوم خواهد شد. به فلزاتی که باعث خوردگی رسوبی آلومینیوم میشوند، اصطلاحاً، فلزات سنگین میگویند. برخی از فلزات سنگین عبارتند از مس، جیوه، قلع، نیکل و سرب.
این نوع خوردگی در محلولهای اسیدی در مقایسه با محلولهای بازی بیشتر شایع است چون این یونها در محلولهای بازی، حلالیت کمتری دارند.
ترک خوردگی ناشی از خوردگی و تنش (SCC)
ترک خوردگی ناشی از خوردگی و تنش که اصطلاحاً به خوردگی SCC معروف است به نوعی خوردگی مرز دانهای میگویند که منجر به خرابی کامل قطعات آلومینیومی میشود.
سه حالت باید رخ دهند تا این نوع خوردگی اتفاق بیفتد یا به عبارتی وقوع این نوع خوردگی به سه عامل همزمان بستگی دارد. اولین شرط این است که آلیاژ باید مستعد این خوردگی باشد. همه انواع آلیاژهای آلومینیومی به طور یکسان در برابر این خوردگی، آسیب پذیر نیستند. آلیاژهای با استحکام تسلیم بالا، بیشتر در معرض خوردگی SCC هستند.
شرط دوم این است که محیطی که آلومینیوم در آن قرار دارد باید مرطوب یا خیس باشد. سومین شرط این است که تنش کششی در متریال وجود داشته باشد. تنش کششی باعث باز شدن شکاف و گسترش آن در کل فلز آلومینیوم میشود.
دو نوع فرایند SCC وجود دارند. اولین مورد ترک ناشی از خوردگی و تنش مرز دانهای (IGSCC) است که در آن ترک ایجاد شده در راستای مرز دانهای گسترش پیدا میکند. دومین فرایند، ترک ناشی از خوردگی و تنش درون دانه ای (TGSCC) است که در آن ترک ایجاد شده از درون بخشهای دانهای و نه در راستا و به موازات آن گسترش پیدا میکند.
خوردگی سایشی
خوردگی سایشی آلومینیوم ناشی از برخورد واترجت با سرعت بسیار بالا به بدنه آلومینیوم میباشد. دو عاملی که روی شدت خوردگی سایشی تأثیر میگذارند، سرعت و میزان pH آب است. وجود کربنات و سیلیکا در آب، شدت این خوردگی را بیشتر میکند.
در آب خالص، خوردگی آلومینیوم با سرعت آهستهای اتفاق میافتد اما زمانی که pH آب بیشتر از 9 میشود، سرعت خوردگی آلومینیوم بیشتر میشود. در آب اسیدی، سرعت و میزان پیشرفت خوردگی بسیار سریعتر است.
با کنترل کردن عوامل و فاکتورهای گفته شده میتوان جلوی خوردگی سایشی را گرفت. به عبارت دیگر با کاهش سرعت آب یا حفظ کیفیت آن و حتی کنترل کردن هر دو عامل، میتوان میزان خوردگی سایشی را تا حد زیادی کاهش داد. حفظ کیفیت آب به معنای حفظ pH آن در نزدیکی pH خنثی (کمتر از 9) و کاهش میزان سیلیکا و کربنات میباشد.
خوردگی خستگی
این حقیقت بارها ثابت شده که خستگی و فرسودگی یک فلز در صورت عدم بررسی و پیشگیری، باعث از بین رفتن کامل آن خواهد شد. در مورد فلز آلومینیوم، ترکهای ناشی از خستگی و فرسودگی این فلز به عنوان مکان شروع خوردگی حفرهای عمل میکنند.
خوردگی خستگی در آلومینیوم زمانی رخ میدهد که این فلز به طور مکرر در طی زمان طولانی در معرض تنش کم قرار بگیرد. ایجاد و گسترش ترک خوردگی با وجود محیطهای خورندهای مثل آب دریا و محلولهای نمکی، رخ میدهند.
خوردگی خستگی زمانی رخ میدهد که در هوا، آب یا رطوبت وجود داشته باشد و بدون آن امکان پذیر نیست. از طرفی، جهت تنش وارد شده هم عمدتاً روی آن تأثیر ندارد چون گسترش ترک ایجاد شده از درون مرز دانهای رخ میدهد. به همین دلیل برخلاف خوردگی SCC، تنشهای وارد شده تأثیری در گسترش ترکهای ایجاد شده ندارند.
خوردگی رشتهای یا فیلامنتی
خوردگی رشتهای یا حرکت کرمی (wormtrack) در محل خوردگی حفرهدار شروع میشود. در محلی که رنگ سطح آلومینیوم کنده شده باشد، این نوع خوردگی ایجاد خواهد شد. دلیل کنده شدن لایه رنگی سطحی عواملی مثل خراشیدگی یا ساییدگی هستند که باعث میشود لایه زیرین فلز در معرض خوردگی قرار بگیرد.
خوردگی رشتهای در حضور آنیونهای کلر و رطوبت بالا رخ میدهد و به سرعت پخش میشود. با اینکه نحوه شروع این نوع خوردگی شبیه به خوردگی حفرهدار ناشی از آب نمک است اما شیوه گسترش پیدا کردن آن شبیه به خوردگی شیاری است.
نحوه گسترش این نوع خوردگی شبیه به حرکت کرم است که نوک آن محتوای کلر زیادی دارد و به شدت اسیدی است که اکسیژن را به خود جذب کرده و به عنوان آند عمل میکند. بخش انتهایی به عنوان کاتد عمل میکند و واکنشهای شیمیایی در آن رخ میدهند.
با حفاظت سطح آلومینیوم در برابر آسیب و ضربات و بستن تمامی حفرات با رنگ یا موم، میتوان جلوی وقوع این نوع خوردگی را گرفت. ضمناً در صورت امکان باید مقدار رطوبت محیط هم کاهش پیدا کند.
خوردگی ناشی از حملات میکروبیولوژیکی
این نوع خوردگی که به MIC هم معروف است در اثر حمله میکروارگانیسمها یا قارچها اتفاق میافتد. خوردگی MIC در مخازن نگهداری سوخت و روغنهای روان کننده بیشتر شایع است.
مواقعی که در روغن، آب وجود داشته باشد، میکروبها و قارچها میتوانند رشد کنند. برخی از این موجودات قادر هستند از روغن استفاده کرده و اسیدهایی ترشح کنند که موجب خوردگی مخازن نگهداری آلومینیومی میشود.
اسید ترشح شده باعث خوردگی مخازن آلومینیومی شده و در نهایت به بیرون نشت پیدا میکند. برای جلوگیری از وقوع چنین خوردگی، باید روغن تا حد امکان خالص سازی شود تا آب آن را خارج کنند. حتی بعد از فرایند خالص سازی یا تخلیص، باید به طور منظم، محتوای آب روغن را خارج کرد. در صورتی که افزایش کیفیت سوخت امکان پذیر نباشد، استفاده از قارچ کشها برای جلوگیری از رشد آنها ضروری خواهد بود.
