08.02.2017

Применение алюминия и его сплавов как конструкционных материалов во многом обусловлено их стойкостью против коррозии.
Алюминий и его сплавы относятся к материалам с большой химической активностью, которые легко вступают в соединение с кислородом, в результате чего на их поверхности мгновенно образуются тонкие окисные пленки. Толщина окисной пленки в естественных условиях достигает 0,01—0,02 мкм и может быть увеличена искусственно до 5 или 50 MKM соответственно путем химического или анодного оксидирования. При механических повреждениях и царапинах окисная пленка в кислородсодержащей среде быстро восстанавливается.
Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов в различных агрессивных средах во многом зависит от стойкости в этих средах окисной пленки, но в основном — от химического состава сплава, вида термической обработки или способа обработки поверхности детали.
Устойчивый против коррозии алюминиевый сплав должен удовлетворять следующим основным требованиям: это должен быть или совсем чистый металл, который чаще всего для конструкций оказывается непригодным вследствие низких механических свойств, или сплав, структура которого представляет собой твердый раствор, или, наконец, сплав, на котором имеется защитная пленка, придающая сплаву (может быть по природе своей малоустойчивому) хорошее сопротивление коррозии.
Таким образом, первым условием хорошего сопротивления коррозии следует считать однородность структуры металла и отсутствие разности потенциалов между отдельными составляющими сплава. При изготовлении литых сплавов (пока не учитывая состав) необходимо обращать серьезное внимание на следующие общие условия; а) плотность отливки; б) отсутствие плен и заливов; в) отсутствие шлаков и посторонних включений. Несоблюдение этих условий приводит к неоднородности отливки, а поэтому влечет за собой разность потенциалов между отдельными ее частями, вызывая местную коррозию. Учитывая все перечисленные условия, к литейному алюминиевому сплаву предъявляют следующие требования:
1. Сплав должен быть устойчивым против действия той среды, для работы в которой он предназначен.
2. Сплав должен быть химически устойчив при контакте с другими металлами.
Это требование обусловлено тем, что в конструкциях очень часто встречается совместное применение разных материалов. Известно, что при контакте двух разных металлов в присутствии электролита неизбежна коррозия, приводящая к разрушению металла с более электроотрицательным потенциалом. В этом случае состав сплава играет главенствующую роль, хотя интенсивность разрушения зависит не только от абсолютной или относительной разности потенциалов, но и от ряда других факторов, среди которых большую роль играют способность металла к образованию защитной пленки и относительная величина катодных и анодных поверхностей.
3. Сплав должен иметь определенные механические свойства, а в некоторых случаях и удовлетворять специальным требованиям (малый коэффициент термического расширения, теплопроводность, устойчивость при высоких температурах и т.д.).
4. Сплав должен обладать удовлетворительными литейными свойствами; а) быть достаточно жидкотекучим для того, чтобы хорошо заполнять тонкие сечения формы; б) давать плотные отливки; в) давать малую усадку при затвердевании, в противном случае образуются трещины, которые тоже способствуют коррозии; г) характеризоваться минимальным образованием окислов и шлаков.
5. Сплав должен быть выгоден экономически, т. е. не должен содержать дорогостоящих присадок.
На рис. 1 представлена сравнительная коррозионная стойкость различных литейных сплавов в атмосферных условиях. Преимущества магналия перед другими литейными сплавами вполне очевидны. Наихудшей коррозионной стойкостью обладают сплавы, содержащие медь. Силумины как эвтектического состава, так и с пониженным содержанием кремния в атмосферных условиях характеризуются вполне удовлетворительной коррозионной стойкостью.
Общие вопросы о коррозии

Литейные сплавы именно этих двух типов — силумин и магналий и находят наиболее широкое применение для жестких коррозионных условий эксплуатации.
На рис. 2 показана потеря массы алюминиевыми сплавами в морской воде. Наименьшую потерю массы в этих условиях обнаруживает сплав с 10,6% Mg. Силумин в морской воде сопротивляется коррозии значительно слабее, при этом малокремнистый силумин имеет явное преимущество перед силумином эвтектического состава. При применении литых деталей из этих сплавов в жестких условиях эксплуатации их необходимо защищать анодным оксидированием. Литые алюминиевомагниевые сплавы хорошо оксидируются. Силумин же оксидируется плохо, причем лучше малокремнистый, чем высококремнистый. Из специальных силуминов, в которых упрочнение достигается введением в них меди или магния, более стойки против коррозии сплавы, упрочняемые магнием. Коррозионная стойкость сплавов, содержащих медь, значительно меньше.
Коррозионная стойкость литейных алюминиевых сплавов зависит не только от химического состава, но и от плотности отливки. Пористое литье значительно хуже сопротивляется коррозии как в неанодированном, так и в анодированном состоянии. Поэтому мероприятия, направленные на увеличение плотности литья, одновременно содействуют и улучшению его коррозионной стойкости.
В большинстве сред коррозия алюминия связана с прохождением электрического тока между анодным и катодным участками. Интенсивность коррозии зависит от разности потенциалов этих областей. Потенциалы ряда американских алюминиевых сплавов и металлов, измеренные относительно 0,1-н. каломельного электрода в водном растворе NaCl (53 г/л) + Н2О2 (3 г/л) при 25° С, приведены в табл. 1 (в скобках даны отечественные аналоги).
Общие вопросы о коррозии

Поскольку разность потенциалов зависит от состава электролита, эту величину необходимо измерить также и в рабочем растворе.
На скорость коррозии влияет состав избыточных фаз, их число, распределение в сплаве и потенциал по отношению к твердому раствору.
Железо и кремний, имеющиеся в алюминии промышленной чистоты, образуют соединения, которые по отношению к алюминию являются катодом. На этих соединениях формируется слабая окисная пленка. Поэтому окружающие участки алюминия могут корродировать. Небольшое количество и малый размер этих фаз — причина высокой коррозионной стойкости чистого алюминия.
Данные, приведенные в табл. 2, показывают, что электродный потенциал алюминиевомедных сплавов определяется концентрацией меди в твердом растворе. Так, сплав с 4% Cu является катодом по отношению к сплаву, в твердом растворе которого находится 2% Cu. Потенциал сплава с 4% Cu, содержащего в твердом растворе лишь 2% Cu, равен потенциалу сплава с 2% Cu, в котором вся медь входит в твердый раствор.
Общие вопросы о коррозии

Соединение алюминия с марганцем имеет почти одинаковый потенциал с алюминием. Поэтому алюминиевомарганцовистые сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью. Наличие хрома в твердом растворе мало влияет на электродный потенциал алюминия. Несмотря на это, небольшие его добавки значительно увеличивают сопротивление коррозии под напряжением нескольких типов сплавов. Сплавы алюминия с кремнием коррозионностойкие. Присутствие кремния в твердом растворе приводит к небольшим изменениям электродного потенциала алюминия.
В алюминиевомагнпевых сплавах нерастворенные частицы магниевой фазы являются анодом по отношению к твердому раствору и в определенных условиях могут выделяться в виде более или менее непрерывных прослоек по границам зерен или по плоскостям скольжения, что приводит к локализованной коррозии. Однородное распределение выделений по зерну уменьшает скорость электрохимической коррозии по границам зерен и по плоскостям скольжения. В таком состоянии эти сплавы имеют коррозионную стойкость, равную алюминию, а в соленой воде и некоторых щелочных растворах — даже превышающую алюминий.
Потенциал сплава, легированного магнием и кремнием в соотношении, соответствующем образованию соединения Mg2Si, такой же, как потенциал алюминия, в то время как добавки магния и кремния порознь приводят к тому, что потенциал твердого раствора становится соответственно более электроположительным или более электроотрицательным.
Цинк в твердом растворе вызывает существенное увеличение потенциала алюминия. Никель образует с алюминием соединение, являющееся эффективным катодом, что приводит к ухудшению коррозионной стойкости. Никель присаживают главным образом в сплавы, для значительного увеличения их прочности и твердости при повышенных температурах. В таких условиях эксплуатации коррозионная стойкость не является определяющей (например, для поршня).
Титан также образует катодное соединение Al3Ti. В небольших количествах его присутствие не вызывает ухудшения коррозионной стойкости алюминия. Олово, висмут и свинец, не образуя химический соединений, являются катодными фазами в сплавах.
Коррозия алюминиевых сплавов, как и других металлов, может иметь различный характер. В сочетании с такими процессами, как эрозия, а также при постоянных или переменных растягивающих напряжениях она приводит к серьезным повреждениям. Определение типа коррозионного поражения помогает выявить его причину и найти способы защиты. Измерение интенсивности коррозии и сравнение различных металлов и сплавов должно основываться на выделении преобладающего вида коррозионного разрушения.
Общие вопросы о коррозии

В табл. 3, составленной на основе опыта эксплуатации и лабораторных испытаний, приведена оценка коррозионной стойкости и склонности к коррозии под напряжением алюминиевых сплавов. Эта таблица может служить лишь общим руководством; в большинстве практических случаев среда является более важной причиной возникновения разности потенциалов, чем неоднородность сплавов. В лабораторных испытаниях возможно продублировать различные условия эксплуатации; их результаты позволяют выбрать сплав.
При исследовании поведения оборудования в процессе эксплуатации следует использовать образцы-свидетели. Необходимо периодически определять потери их массы, глубину коррозии, проводить анализы образующихся на их поверхности продуктов коррозии.