بررسی خواص و خوردگی و اکسیداسیون فلزات(چدن‌ها ، فولاد‌ها و آلومینیوم هاو مقایسه بین آنها) (8)

 آلومینیوم و آلیاژهای آن:

آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای- خاکستری، مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. وزن آلومینیوم تقریباً یک سوم فولاد یا مس است. چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار با دوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه، این عنصر

 غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است. 

آلومینیوم از جمله جدیدترین مصالح ساختمانی است که در آغاز قرن 20 یک فلز نسبتاً کمیاب بوده و این روزها متداولترین فلزات است که به صورت آلیاژی و غیر آلیاژی بکار می‌رود.

 

خواص اتمی
وزن اتمی	Amu 9815/ 26
شعاع اتمی	Pm (118) 125
شعاع کووالانسی	Pm 118
شعاع واندروالس	اطلاعات موجود نیست
ساختار الکترونی	] p1 3 S2 3] Ne
E به ازای هر سطح انرژی	3/  8/ 2
درجه اکسیداسیون اکسید	3( آمفوتریک)
ساختار کریستالی	مکعبی

خواص فیزیکی
حالت ماده	جامد
نقطه ذوب	K ًْ47/933
نقطه جوش	K 2792ْ
گرمای تبخیر	Kg/mol 4/293
گرمای هم جوشی	Kg/mol 79/10
فشار بخار	06- E 42/2
سرعت صوت	m/s 5100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ویژگی‌های عمومی خوردگی:

آلومینیوم یک فلز فعال ( پست) است که با محیط اطراف میل ترکیبی شدیدی دارد. یعنی سطح آلومینیوم در معرض هوا به سرعت از یک لایه نازک اکسید آلومینیوم حدود 01/0 میکرومتر پوشیده می‌شود که فلز را از جمله بعدی خوردگی محافظت می‌کند.

معادله زیر به معادله لگاریتمی معکوس معروف است که در مورد خوردگی و اکسید شدن فلزاتی نظیر آلومینیوم به کار می‌رود:    

                                 

 = ضخامت اکسید در بدو آزمایش

 = زمان آزمایش در بدو آزمایش

Kg = ثابت

این معادله در مورد اکسید شدن آلومینیوم در درجه حرارت معمولی و اکسیژن خشک صادق است. هم چنین در این فلز و در فلز زیرکونیوم رشد فیلم به روش اکسید شدن آنودیک از این معادله پیروی می‌کند. وقتی آلومینیوم در مجاورت اکسیژن خالص و خشک قرار می‌گیرد بین اکسیژن و آلومینیوم یک نوع پیل الکتریکی موضعی تشکیل می‌شود که سبب رشد فیلم می‌شود.

 

انواع خوردگی‌های آلومینیوم:

خوردگی یکنواخت : 

خوردگی یکنواخت فلز آلومینیوم در فضای باز معمولاً قابل اغماض است. محلول‌های دارای PH خارج از دامنه اثر ناپذیری در نمودار پتانسیل PH سبب خوردگی مواد ساخته شده از آلومینیوم می‌شوند. ملاط تازه تهیه شده هم قلیایی است و لذا خورنده آلومینیوم است از این رو برای اجتناب از گسترش مناطق حک شده در سطح فلز باید مراقبت شود که از پخش شدن ملاط جلوگیری شود. سطوح آلومینیومی که در تماس با بتون تازه هستند حتماً در آغاز زدوده می‌شوند ولی به زودی با تشکیل اندود آلومینات کلسیم بر روی آنها از خوردگی بعدی جلوگیری می‌شود. 

 

تشکیل حفره:

در اتمسفرهای باز آلوده، حفره های کوچکی تشکیل می‌شوند که با چشم قابل رویت نیستند. روی این حفره‌ها جرم‌های کوچک محصولات خوردگی معمولاً اکسید آلومینیوم و هیدروکسید آلومینیوم هستند، تشکیل می‌شوند. حفره های کم عمق معمولاً اثر چندانی بر استحکام مکانیکی ساختمانها ندارند، با این وجود جلای درخشنده فلز به تدریج از بین می‌رود و به جای آن اندود خاکستری- زنگاری محصولات جذب و رنگ محصولات ظاهر می‌شود. اگر اتمسفر حاوی دوده فراوان باشد دوده توسط محصولات خوردگی جذب و رنگ زنگاری تیره ایجاد می‌شود. اگر آلومینیوم به طور دائم در معرض آب قرار می‌گیرد حفره دار شدن آن خیلی جدی خواهد بود. به خصوص اگر آب راکد باشد حضور اکسیژن و کلرید و یا یون های دیگر هالیدها تعیین کننده وجود حمله و شدت حمله خواهد بود. اگر یون‌های HCO₃ و CU²⁺ وجود داشته باشند خطر حفره دار بودن بیشتر خواهد بود البته مشروط بر اینکه پتانسیل تشکیل حفره بالا رود. بیرون حفره واکنش کاتدی انجام می‌گیرد که کنترل کننده سرعت تشکیل حفره است.

 

خوردگی دو فلزی:

چون آلومینیوم یک فلز پست است خطر خوردگی دو فلزی در تماس مستقیم آن با یک فلز نجیب‌تر مثل فولاد وجود دارد. ولی شرط وقوع حمله، حضور یک الکترولیت در نقطه تماس است. لذا خوردگی دو فلزی در فضای بسته خشک به وجود نمی‌آید و خطر حمله خوردگی دو فلزی در اتمسفر باز وجود دارد. البته این نوع روی سطح که با دوده آلوده شده باشد هم پیش می‌آید.

 

خوردگی شکافی:

نوعی خوردگی شکافی در آلومینیوم در حضور آب پیش می‌آید نتیجه این خوردگی شکافی می‌تواند تشکیل اکسید آلومینیوم باشد که به صورت لکه های آب سبب بی رنگ شدن سطح می‌شود. زدودن لکه های آب دشوار و احتمالاً غیر ممکن است.

 

خوردگی لایه ای:

خوردگی لایه ای که به خوردگی پوسته شدن هم معروف است بیشتر به مواردی که غلتک می‌خورند یا روزن ران می‌شوند از نوع Alcumg و Alznmg محدود می‌شود. مکان حمله در لایه های موازی نازک در جهت حرکت به جلو بوده‌است و سبب می‌شود که رویه‌های فلزی که مورد حمله قرار گرفته‌اند از هم جدا شده و یا تاول‌هایی بر سطح فلز ایجاد شود. خوردگی لایه ای با قرار گرفتن فلز در آب راکد و یا اتمسفر دریایی هم بوجود می‌آید و مقاومت در برابر خوردگی لایه ای هم از روی عملیات پیر سازی تعیین می‌شود. یکی دیگر از خواص مشخصه آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی است. آلومینیوم خالص وقتی که در هوا قرار گیرد بلافاصله با یک لایه چسبنده اکسید آلومینیومی پوشیده می‌شود. این لایه پوششی، مانع خوردگی می‌گردد. اگر در اثر ساییدگی این لایه کنده شود بلافاصله دوباره تشکیل می‌گردد. ضخامت این لایه نازک طبیعی در حدود 25/0% میکرون است با این حدود به قدری محکم است که مانع مؤثری در مقابل اغلب مواد خورنده محسوب می‌گردد. البته برخی از آلیاژهای خاص آلومینیوم نسبت به دیگران مقاومتر است. برای مثال گروه آلیاژهای AL-Mg مخصوصاً در مقابل هوا و آب دریا مقاوم است. از طرف دیگر آلیاژهای آلومینیوم حاوی مس یا روی از نظر مقاومت خوردگی ضعیف‌تر و از نظر استحکام مکانیکی قویتر می‌باشند. روشهای زیر در جلوگیری از خوردگی آلومینیوم بکار می‌رود.

 

 

حفاظت کاتدی:

مصالح آلومینیوم غوطه ور در آب را می‌توان به روش حفاظت کاتدی در مقابل تشکیل حفره حفظ کرد. برای این کار پتانسیل الکترودی را تا مقدار زیر پتانسیل تشکیل حفره جسم در محیط مورد نظر پایین می‌آورند، با وجود این گاز هیدروژن می‌تواند در کاتد تشکیل شود که در نتیجه آن بالا رفتن مقدار PH است. هرگاه PH بسیار بالا رود آلومینیوم احتمالاً مورد حمله قرار می‌گیرد لذا از حفاظت اضافی آن باید اجتناب کرد.

باید یادآور شد که برخی از موارد مصرف دریایی آلومینیوم نیاز به یکنوع حفاظت ویژه دارند. در اینگونه موارد فلز در آب دریا غوطه ور می‌شود، مانند بدنه کشتی‌ها، که به مقاومت خوردگی بیشتری نیازمند هستند. این روش حفاظت در مقابل خوردگی در لوله‌های آلومینیومی زیر زمینی مخصوصاً وقتی فلزات نیز در خاک وجود داشته باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حفاظت کاتدی یک نوع کنترل خوردگی است که در آن یک میله یا صفحه آلومینیومی (آند) برای حفظ و جلوگیری از بین رفتن ساختمان آلومینیومی مورد نظر (کاتد) وجود از بین می‌رود یا صفحه از بین رونده از طریق یک مقاومت الکتریکی به ساختمان مورد حفاظت متصل می‌گردد. از طریق عمل الکترو شیمیایی یک ولتاژ مستقیم جریان تولید می‌گردد که به جای خوردگی ساختمان مورد نظر باعث خورده شدن آند می‌شود. پس از تمام شدن قطعات آند، قطعات جدیدی جایگزین می‌گردد و این عمل معمولاً هر دو تا ده سال بر حسب شدت خوردگی انجام می‌گیرد.

 

 آندی کردن:

لایه اکسید تشکیل شده در سطح  آلومینیوم  در معرض هوا از خصلت حفاظتی خوبی برخوردار است اما این لایه اکسید را می‌توان با برقکافت ضخیم تر کرد. این کار را آندی میگویند و اکسیدی که به این ترتیب تشکیل می‌شود اندود اکسید آندی نامیده می‌شود. با آندی کردن فلز، مقاومت در برابر خوردگی افزایش می‌یابد ضمن اینکه سطح با قرار گرفتن در فضای باز ظاهر جدیدی پیدا خواهد نمود. در موقع آندی کردن آلومینیوم شیء فلزی آند پیل الکتریکی را تشکیل می‌دهد. اندود اکسید آندی که طی برقکافت ایجاد می‌شود شامل یک لایه فشرده به صورت سد در نزدیک سطح فلز و لایه دیگری با منافذ ریز بر روی آن است.  

 

آندایزه کردن (آبکاری) Anodizing :

در این روش مقاومت زیاد در مقابل خوردگی لایه پوششی که بلافاصله بر روی سطح آلومینیوم تازه بریده شده تشکیل می‌گردد استفاده می‌شود. همان گونه که قبلاً ذکر گردید این لایه عامل مقاومت به خوردگی طبیعی این فلز است. آندایزه کردن در واقع یک نوع ضخیم کردن لایه اکسیدی به ضخامت تا چندین هزار برابر ضخامت لایه اکسید طبیعی است. نتیجه عمل، لایه‌ای است با ضخامت حدود 5/25 میکرون بر تمام سطح آلومینیوم که علاوه بر مقاومت به خوردگی در مقابل سایش نیز استحکام کافی دارد. آندایزه کردن یک روش الکتریکی است که انواع مختلف آن اساساً از نظر محلولی که فلز در آن مورد عمل قرار می‌گیرد و ضخامت لایه اکسیدی حاصل، فرق می‌نماید. از این طریق پوشش دادن علاوه بر حفاظت سطحی گاهی به منظور تزیینی نیز استفاده می‌گردد. اگر فلز آندایزه شده را با انواع رنگهای مختلف پوشش دهند رنگ حاصل تقریباً بصورت قسمتی از اکسید سطحی بدست می‌آید.

 

 رنگ کاری:

مصالح آلومینیومی را برای فضای باز مثل ساختمان‌ها نیاز به رنگ مقاوم به خورندگی ندارند. خوردگی اتمسفری آنقدر شدید نیست که بر مقاومت ساختمان اثر گذارد. در هر حال رنگ کردن آلومینیوم بیشتر به منظور زیباسازی انجام می‌شود. اگر مقاومت طبیعی آلومینیوم برای بعضی از محیط‌ها کافی نباشد در آن صورت روشهایی وجود دارد که بتوان مقاومت آن را افزایش داد. برخی از این روشها عبارتند از :

- پوشش دادن با آلومینیوم

- آندایزه کردن یا آبکاری 

- پوشش سخت دادن و محافظت کاتدی

بطور کلی آلیاژهای آلومینیوم با استحکام زیاد از نظر خوردگی کم مقاومترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب به خصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاوم به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یکی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یک آلیاژ با استحکام زیاد است. در این فرآیند یک لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه در مجموعه خواص مورد نظر حامل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.

 

 پوشش سخت دادن:

یکی از فرآیندهای آندایزه کردن است که به تدریج اهمیت پیدا می‌کند و آن را آندایزه کردن سخت یا پوشش سخت دادن می‌نامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه کردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریک و درجه حرارت عمل پایین تر است. فرآیند بقدری ادامه می‌یابد که لایه اکسیدی به ضخامتی تا حدود 5 برابر ضخامت آندایزه کردن معمولی برسد. لایه حاصل ممکن است به ضخامتی تا حدود 127 میکرون برسد که پوسته‌ای بسیار سخت است. موارد استفاده یک چنین پوشش سخت و مقاوم ساییدگی بسیار وسیع است. عمر مفید قطعاتی چون چرخ‌دنده‌ها و پیستون هواپیما، لوله تفنگ، چرخ‌دنده‌های کامپیوتری، لبه‌های پره‌های هلیکوپتر و افشانک‌های پیستوله‌ای پاشش فلزات را به این طریق می‌توان افزایش داد. 

 

تاول زدن سطح قطعات آلومینیومی در هنگام عملیات حرارتی :

عواقب نفوذ هیدروژن به داخل مذاب از طریق واکنش سطح مذاب با بخار آب در ریخته‌گری کاملاً مشخص است. یک چنین واکنشی ممکن است در خلال عملیات انحلال نیز با آلومینیوم جامد انجام می‌گیرد که منجر به جذب اتمهای هیدروژن شود. این اتمها می‌توانند در حفره‌های داخلی با هم ترکیب شده و تشکیل مجموعه‌های گاز مولکولی دهند. در اثر حرارت دادن ماده فشار گازی موضعی ایجاد می‌شود و با توجه به اینکه در این دماهای بالا دارای پلاسیتسیته نسبتاً زیادی است این امر منجر به تشکیل تاولهای غیر قابل جبران سطحی می‌گردد. تاولهای ایجاد شده بر سطح قطعات آلیاژ آلومینیومی عملیات حرارتی شده در محیط مرطوب حفره های داخلی که این تاول‌ها در آنجا ایجاد می‌شوند از تخلخل‌های اولیه از بین نرفته‌اند ترکیبات بین فلزی که در خلال تغییر شکل ترک خورده‌اند و احتمالاً خوشه های مکانهای خالی اتمی در شبکه که ممکن است در اثر حل شدن رسوبات یا ترکیبات حاصل شده ‌باشند ناشی می‌شوند. در این گونه موارد وجود تاولی که باعث خرابی ظاهری سطحی قطعه می‌گردد ممکن است تأثیر بر روی خواص مکانیکی قطعات بگذارد. در هر حال بیش از حد گرم کردن قطعه منجر به تاول زدن می‌گردد زیرا هیدروژن به آسانی می‌تواند توسط مناطق ذوب شده جذب گردد که در این صورت مساله جدی‌تر می‌شود و باعث مردود شدن قطعه کار می‌شود. از آنجایی که حذف کامل حفره‌های داخلی در محصولات کار شده مشکل است، لازم است مقدار بخار آب موجود در محیط کوره را به حداقل رسانید. اگر این امر امکان پذیر نباشد در این صورت ورود یک نمک فلورایدی به داخل کوره در خلال عملیات حرارتی قطعات حساس می‌تواند از طریق کاهش واکنش سطحی قطعه با بخار آب مفید واقع شود.

 

وزن مخصوص کم:

یک متر مکعب آلومینیوم خالص 8/2827 کیلوگرم وزن دارد و یک متر مکعب از سنگین ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود 2953 کیلوگرم است. حتی این سنگین‌ترین آلیاژهای آلومینیوم نیز حداقل 1978 کیلوگرم در هر متر مکعب سبک تر از وزن هر حجم سایر فلزات ساختمانی ( بجز منیزیم) است.

 

مزیت این کم بودن وزن چیست؟ می‌توان این مزیت را بصورت زیر خلاصه نمود:

- مزایای وزن مخصوص عبارتند از:

1- حمل و نقل ارزانتر : چه در مورد حمل و نقل کالاهای آلومینیومی و چه در مورد وسیله نقلیه ساخته شده از آلومینیوم.

2- ظرفیت بیشتر: امکان صرفه جویی در وزن ساختمان‌های آلومینیومی به خوبی در پایه ها و تاسیسات حفاری چاه‌های نفت دیده‌ می‌شود. لوله‌های حفاری که مته حفاری نیز محسوب می‌شوند امروزه از آلومینیوم ساخته می‌شوند. وزن کم این لوله خود می‌تواند ظرفیت دکل حفاری که باید تمام وزن سیم مته را تحمل کند دو برابر می‌کند.

3- صرفه جویی در کار: به علت سبکی که به معنی نصب سریعتر و اقتصادی‌تر ساختمان‌ها، تعداد کمتر کارگر مورد نیاز و خستگی کمتر استفاده از وسایل آلومینیومی خانگی است.

4- ممان اینرسی کمتر: در نتیجه دانسیته آلومینیوم ممان اینرسی قطعات آلومینیومی کمتر می‌گردد. این کلمه نام علمی برای تمایل یک قطعه برای متوقف و حالت یکنواخت ماندن مگر اینکه یک نیروی خارجی اعمال گردد می‌باشد. هر چه قطعه سنگین‌تر باشد ممان اینرسی آن بیشتر و کار بیشتری برای حرکت دادن و متوقف کردن آن نیاز است. ماشین‌کاری‌های سریع مدرن امروزی نیاز به موادی با ممان اینرسی کم دارد طوری که بتوان بسرعت و با بازدهی خوب آنها را بکار انداخت و یا از کار باز داشت. این مطلب خصوصاً برای دستگاه‌های بسته بندی و ماشین‌های چاپ با قطعات دارای حرکت متناوب صادق است.

5- تعداد قطعات بیشتر به ازای هر کیلو وزن: وزن کمتر به معنی تعداد قطعات بیشتر به ازای هر کیلو وزن است. میخ، پیچ، مهره و واشر آلومینیومی را میتوان با واحد وزن تا سه برابر تعداد قطعات مشابه فولادی ساخت.

 

مقاومت زیاد در مقابل خوردگی:

یکی دیگر از خواص مشخصه آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در مقابل خوردگی است. آلومینیوم خالص وقتی که در هوا قرار گیرد بلافاصله با یک لایه چسبنده اکسید آلومینیومی پوشیده می‌شود، این لایه پوششی، مانع خوردگی می‌گردد. اگر در اثر ساییدگی این لایه کنده شود بلافاصله دوباره تشکیل می‌گردد. ضخامت نازک طبیعی در حدود 025/0میکرون ( یک میکرون = یک هزارم میلیمتر) است. با این وجود به قدری محکم است که مانع مؤثری در مقابل اغلب مواد خورنده محسوب می‌گردد.  

البته برخی از آلیاژهای خاص آلومینیوم نسبت به دیگران مقاومتر است. برای مثال آلیاژهای  AL-Mg مخصوصاً در مقابل هوا و آب دریا مقاوم است. از طرفی آلیاژهای آلومینیوم حاوی مس یا روی از نظر مقاومت خوردگی ضعیفتر و از نظر استحکام مکانیکی قویتر می‌باشد. اگر مقاومت طبیعی آلومینیوم برای بعضی از محیط‌ها کافی نباشد در آن صورت روشهایی وجود دارد که بتوان مقاومت آن را افزایش داد. برخی از این روشها عبارتند از :

پوشش دادن با آلومینیوم-  آبکاری-  محافظت کاتدی و پوشش سخت دادن که در مورد آنها توضیح داده شد.