Reacția aluminiului și a oțelului inoxidabil: Cum să preveniți coroziunea galvanică

Într-o fermă solară, înregistrările de întreținere au spus o poveste familiară. În jurul șuruburilor din oțel inoxidabil de pe șinele de montare din aluminiu se răspândeau depuneri albe, de cretă, iar sub fiecare cap de șurub începuseră găuri. Aceasta este reacția aluminiului și oțelului inoxidabil în practică și este una dintre cele mai frecvente cauze de defecțiune prematură a ansamblurilor de metal mixt. Reacția nu înseamnă că cele două metale nu pot fi niciodată folosite împreună. Înseamnă că îmbinarea trebuie proiectată cu o înțelegere clară a coroziunii galvanice, care este exact ceea ce oferă acest articol.

Ce este de fapt reacția dintre aluminiu și oțel inoxidabil

Reacția aluminiului și oțelului inoxidabil este o formă de coroziune galvanică, numită și coroziune bimetală. Atunci când cele două metale sunt în contact electric și ambele sunt expuse la un electrolit, fie pulverizare de mare, apă de ploaie, condens sau pur și simplu umiditate persistentă, ele formează un cuplu galvanic. Aluminiul, metalul mai puțin nobil, devine anodul și începe să elibereze ioni metalici. Oțelul inoxidabil, metalul mai nobil, devine catod. Electronii călătoresc de la anod la catod prin conexiunea metalică, iar electrolitul completează circuitul electric. Rezultatul este că aluminiul se corodează mult mai repede decât ar fi de unul singur.

Acesta nu este un atac chimic al oțelului inoxidabil asupra aluminiului. Oțelul inoxidabil acționează pur și simplu ca un catod mare și eficient care accelerează coroziunea naturală a aluminiului. Semnele vizibile sunt distinctive: produse de coroziune albe sau gri pe suprafața aluminiului, pipături în jurul capului de fixare sau al șaibei și, în cazuri severe, o pierdere treptată a forței de strângere pe măsură ce aluminiul își pierde grosimea.

Cele trei condiții care trebuie să fie prezente

Coroziunea galvanică nu este automată. Necesită trei condiții simultane, iar eliminarea oricăreia dintre ele oprește reacția.

• Contact electric. Cele două metale trebuie conectate printr-o cale conductivă. Un șurub din oțel inoxidabil introdus într-o șină de aluminiu sau un suport de aluminiu prins de o piuliță din oțel inoxidabil asigură exact această cale.
• Un electrolit. Un fluid conductor trebuie să facă punte între cele două suprafețe. Apa sărată este cel mai agresiv electrolit, dar apa de ploaie, condensul și chiar umiditatea absorbită sub un strat pot conduce reacția într-un ritm semnificativ.
• O diferență de potențial electrochimic. Metalele trebuie să difere prin tendința lor de a se coroda. Aluminiul și oțelul inoxidabil diferă cu aproximativ jumătate de volt în apa de mare, ceea ce este mai mult decât suficient pentru a susține o coroziune semnificativă.

Consecința practică este simplă: mențineți metalele uscate, mențineți-le separate electric sau acceptați că aluminiul se va coroda. Fiecare metodă eficientă de prevenire atacă una dintre aceste trei condiții.

De ce aluminiul este întotdeauna metalul de sacrificiu

Fiecare metal are o poziție în seria galvanică, care clasifică materialele după potențialul lor de coroziune într-un mediu dat. În apa de mare, oțelul inoxidabil se află cu mult deasupra aluminiului. Aceasta înseamnă că oțelul inoxidabil este catodul și aluminiul este anodul ori de câte ori cele două sunt conectate într-un ansamblu umed.

O nuanță merită cunoscută. Oțelul inoxidabil este doar nobil, în timp ce stratul său de oxid pasiv este intact. În interiorul unei crăpături sărace în oxigen, cum ar fi golul de sub capul șurubului sau între suprafețele strânse, oțelul inoxidabil își poate pierde stratul pasiv și deveni activ. De aceea, coroziunea crevată apare pe elementele de fixare din inox chiar și fără aluminiu prezent. Cu toate acestea, într-un cuplu aluminiu-oțel expus la intemperii, rezultatul practic este consistent: aluminiul este metalul care pierde material.

Când aluminiul și oțelul inoxidabil pot fi folosite împreună în siguranță

Reacția dintre aluminiu și oțel inoxidabil nu este inevitabilă. Nenumărate ansambluri cu metal mixt au oferit o durată de viață lungă, deoarece condițiile pentru coroziunea galvanică nu au fost niciodată îndeplinite.

• Medii interioare, uscate. Un interior încălzit și ventilat oferă rareori suficient electrolit pentru a susține coroziunea galvanică, așa că cuplul poate rămâne inactiv timp de zeci de ani.
• Imbinari sigilate. Dacă interfața este acoperită cu un etanșant compatibil sau separată de o barieră care exclude umezeala, electrolitul nu poate ajunge la joncțiune și circuitul rămâne deschis.
• Un raport favorabil de suprafață. Când partea din aluminiu este mare și partea din oțel inoxidabil este mică, curentul galvanic se răspândește pe o suprafață largă de aluminiu, astfel încât rata de coroziune locală poate fi acceptabilă pentru durata de viață prevăzută. Cazul periculos este opusul: o componentă mică de aluminiu atașată la o structură mare din oțel inoxidabil concentrează toată coroziunea pe un anod mic și eșuează rapid.

Pentru servicii în aer liber sau maritime, presupunerea conservatoare este că în cele din urmă va fi prezentă umiditatea. În rafturile solare, placarea arhitecturală, hardware-ul pentru bărci și echipamentele industriale expuse la intemperii, prevenirea este o cerință de proiectare mai degrabă decât o opțiune.

Cum să preveniți coroziunea galvanică în ansamblurile cu metal mixt

Cea mai fiabilă modalitate de a opri coroziunea galvanică este întreruperea circuitului electric dintre cele două metale sau menținerea electrolitului departe de joncțiune. Mai multe măsuri funcționează bine în combinație.

1. Izolați cu bariere neconductoare. O șaibă din nailon sau fibră sub capul de fixare din oțel inoxidabil, combinată cu un manșon izolator peste tija șurubului, previne contactul direct metal-metal. Aceasta este cea mai eficientă metodă.
2. Sigilați îmbinarea. Un material de etanșare cu polisulfură, poliuretan sau butilic aplicat în jurul capului de fixare și de-a lungul marginii îmbinării exclude umezeala și separă fizic suprafețele.
3. Folosiți acoperirile cu precauție. Acoperirea cu pulbere sau vopsirea aluminiului înainte de asamblare adaugă o barieră, dar orice zgârietură sau cip poate crea un anod local. Acoperirile nu ar trebui să fie niciodată singura linie de apărare.
4. Proiectare pentru drenaj. Poziționați îmbinarea astfel încât apa să se scurgă departe de dispozitiv de fixare, în loc să se acumuleze în jurul acesteia.

O saiba plata din otel inoxidabil are un dublu rol in acest sistem. Distribuie sarcina de prindere pe o suprafață mai largă, ceea ce contează pentru aluminiul moale, și oferă o suprafață netedă de sprijin pentru piulița sau capul șurubului. Nu oprește, de la sine, coroziunea galvanică decât dacă este separat de aluminiu printr-un strat izolator. Atunci când este asociată cu o șaibă din nailon sau cu un material de etanșare, o șaibă plată din oțel inoxidabil 304 oferă o durată lungă de viață și o performanță de prindere constantă.

Șaibă plată SS304 pentru șuruburi M10, DIN125/GB97 Această șaibă plată din oțel inoxidabil 304 împrăștie sarcinile de prindere pe aluminiu moale și oferă o suprafață netedă, deși izolarea galvanică necesită încă un strat de separare. Vizualizare produs →

Alegerea clasei potrivite de fixare din oțel inoxidabil

Dacă designul necesită elemente de fixare din oțel inoxidabil în contact cu aluminiul, cele două opțiuni standard sunt oțel inoxidabil 304 (A2) și 316 (A4). Ambele sunt clase austenitice cu o rezistență la coroziune mult mai bună decât oțelul carbon și ambele se află în poziții similare pe seria galvanică. Selecția nu modifică comportamentul galvanic al cuplului. Nici unul dintre clase nu este semnificativ mai bun decât celălalt în ceea ce privește protejarea aluminiului, așa că decizia este cu adevărat despre cât de bine supraviețuiește elementul de fixare în mediul de service.

Oțelul inoxidabil 304 este implicit pentru majoritatea lucrărilor industriale și arhitecturale. Rezistă la coroziunea atmosferică, la apă dulce și la o gamă largă de substanțe chimice. Pentru o matrice solară interioară sau o fațadă de clădire, un dispozitiv de fixare din oțel inoxidabil de gradul 304 este o alegere dovedită și rentabilă. Atât 304, cât și 316 sunt produse conform standardelor DIN 933, GB5783 și ISO 4017, iar ghidul nostru pentru Șuruburi hexagonale din oțel inoxidabil 304 față de 316 compară cele două clase mai detaliat.

Surub cu cap hexagonal SS304 M10, standard DIN933 Un șurub din oțel inoxidabil 304 dovedit, rentabil pentru medii interioare sau generale, care oferă rezistență la coroziune atmosferică și performanță de suportare fiabilă pentru conexiunile structurale. Vizualizare produs →

Oțelul inoxidabil 316 adaugă molibden, care îmbunătățește rezistența la cloruri. Instalațiile de coastă, feroneria pentru bărci și orice mediu expus la sare de drum ar trebui să utilizeze 316 pentru elemente de fixare, deoarece elementul de fixare trebuie să reziste ansamblului în cele mai solicitante condiții. Ca regulă generală, cel gama de elemente de fixare din oțel inoxidabil pentru proiectele cu metal mixt ar trebui să fie selectate pe baza expunerii la clorură, nu pe ipoteza că un alt grad va proteja cumva aluminiul.

Pentru o instalație de coastă, asocierea unei piulițe hexagonale 316 cu un șurub 316 este cea mai fiabilă opțiune, în special pentru conexiunile filetate care vor fi inspectate în timp. Diferența de rezistență la coroziune între 304 și 316 într-o atmosferă marină este suficient de semnificativă pentru a justifica costul mai mare al 316.

Piuliță hexagonală SS316 M10, standard DIN934 O piuliță hexagonală din oțel inoxidabil 316 cu gradul A4-80, concepută pentru medii marine și bogate în cloruri, oferind prindere sigură și rezistență la coroziune pe termen lung atunci când este asociată cu șuruburi 316. Vizualizare produs →

Ghid practice de asamblare

Ansamblurile cu metal mixt eșuează atunci când elementele de bază sunt ignorate. Următoarea secvență s-a dovedit eficientă pentru montarea solară, feroneria de punte marine, cadrele industriale și structurile arhitecturale din aluminiu.

1. Curățați ambele suprafețe de contact înainte de asamblare. Grăsimea, nisipul sau contaminarea conductivă pot crea o celulă de coroziune chiar și atunci când designul este corect.
2. Instalați mai întâi stratul de izolare. Așezați o șaibă de nailon sau un cordon de etanșare sub capul de fixare din oțel inoxidabil și pe suprafața de sprijin a piuliței.
3. Strângeți la cuplul nominal. Supra-strângerea zdrobește stratul izolator, deformează aluminiul și lasă îmbinarea vulnerabilă atât la coroziunea galvanică, cât și la relaxarea tensiunilor.
4. Inspectați după primul sezon de expunere. Coroziunea timpurie apare sub formă de pulbere albă sau sâmburi slabe. Dacă este prins atunci, soluția este o șaibă de înlocuire și o bucată de etanșant, nu o reparație structurală.

Nimic din toate acestea nu ar trebui să descurajeze inginerii și producătorii să folosească împreună aluminiul și oțelul inoxidabil. Cele două materiale funcționează bine ca sistem atunci când sunt respectate regulile de mai sus. Aluminiul se corodează numai dacă circuitul galvanic rămâne complet, iar acel circuit este ușor de întrerupt.