Corrosiegedrag van aluminium en zijn legeringen Deel 2
Deel 2 KLIK HIER VOOR DEEL 1
Aluminium, zoals aangeduid door zijn positie in de elektrochemische reeks, is een thermodynamisch reactief metaal, van de constructiemetalen zijn alleen beryllium en magnesium reactiever. Aluminium dankt zijn uitstekende corrosieweerstand aan de oxidelaag die sterk is gebonden aan het onderliggende metaal en die, wanneer beschadigd , zich onmiddellijk hersteld in veel milieus. Toch kunnen ook aluminium en gelegeerd aluminium corrosieve aantasting vertonen.
Kenmerken van corrosie
Algemene corrosie
Deze vorm van corrosie treedt op in sterk zure of basische oplossingen, maar er zijn uitzonderingen. Zo gedraagt het metaal zich passief in geconcentreerd salpeterzuur en aluminium kan in combinatie met inhibitoren zoals silicaten worden gebruikt in enkele basische oplossingen tot een pH van 11,5. Zelfs als er in beperkte mate corrosie kan worden verwacht wordt het gebruik van aluminium toch geprefereerd boven andere metalen omdat de corrosieproducten van aluminium kleurloos zijn.
Putcorrosie
Dit is de meest voorkomende vorm van corrosie die bij aluminium optreedt. In bepaalde bijna-neutrale waterige oplossingen zal een put als die eenmaal is ontstaan zuur worden en onder invloed van deze verzuring verder uitgroeien. De oxidelaag krijgt onder deze omstandigheden niet de kans om zich te vormen en het metaaloppervlak te beschermen. Als de aluminiumionen zich verwijderen van het gebied met lage pH, dan slaat er alumina neer in de vorm van een membraan en isoleert en intensifeert aldus het lokale zure milieu, met putvorming tot gevolg. Oplossingen die chloriden bevatten zijn buitengewoon schadelijk, vooral als dat gepaard gaat met lokale galvanische cellen, die kunnen worden gevormd door het neerslaan van bijvoorbeeld koper uit een oplossing of door deeltjes zoals ijzer die ongewild in het aluminiumoppervlak zijn ingebed geraakt. In basische milieus kan putcorrosie optreden ter plaatse van mechanische defecten in de oxidelaag. Waar perforatie het criterium is voor falen, kan statistische analyse worden toegepast op de verdeling van de putten en hun diepte. Er mag worden aangenomen dat de maximum putdiepte op betrekkelijk kleine proefplaten, putten met overeenkomstige diepte zijn te verwachten op grote oppervlakken onder bedrijfsomstandigheden en na een zelfde tijdsverloop. Om dit uit te vinden is gebruik van speciaal waarschijnlijkheidspapier nodig. Dit is papier met een indeling waarbij gegevens met betrekking tot willekeurige waarschijnlijkheden kunnen worden uitgezet waarbij een lineaire verband ontstaat. Het gebruik van kleine proefplaten of van een onvoldoende aantal kan de testresultaten ongeldig maken. Media die in staat zijn om putcorrosie te veroorzaken doen dit soms niet als de proefplaten te klein zijn of ze tasten alleen een bepaald percentage van de proefplaten aan.
Interkristallijne corrosie
Interkristallijne corrosie is elektrochemisch van aard. Er wordt een galvanische cel gevormd als gevolg van de heterogeniteit van de legeringsstructuur. die het gevolg kan zijn van de aanwezigheid van legeringselementen of sporenelementen. Bij de Al-Cu legeringen, maakt uitscheiding van CuAl2 deeltjes op de korrelgrenzen de naburige vaste oplossing anodisch en gevoelig voor corrosie. In geval van Al-Mg legeringen is het tegenovergestelde het geval, omdat de uitgescheiden faze Mg2Al3 onedeler is dan de vaste oplossing. Ernstige interkristallijne corrosie doet zich doorgaans bij geen van beide legeringssystemen voor, op voorwaarde dat fabricage en warmtebehandeling onder correcte condities worden uitgevoerd. In het geval van het Al-Mg systeem zijn de meeste commerciële legeringen doorgaans oververzadigd, zodat gebruik bij hogere temperaturen en warmtebehandeling zijn af te raden, aangezien elke uitscheiding op de korrelgrenzen kan liden tot gevoeligheid voor interkristallijne corrosie. De mate van deze gevoeligheid kan bij benadering worden afgeleid uit de continuïteit van Mg2Al3 op de korrelgrenzen, waarbij continue of vrijwel continue uitscheiding buitengewoon schadelijk is en afzonderlijke wijd uit elkaar liggende deeltjes relatief ongevaarlijk zijn.
Sporenelementen die een nadelige invloed hebben op de weerstand tegen interkristallijne corrosie worden gewoonlijk beperkt tot een veilig niveau. Koper is hier bijzonder nadelig omdat betrekkelijk geringe toevoegingen al een opmerkelijke toename van de interkristallijne corrosie te zien geven bij sommige legeringssystemen.
Spanningscorrosie
Deze vorm van corrosie treedt in beperkte mate op bij slechts enkele aluminiumlegeringen, in het bijzonder bij de typen met hoge sterkte zoals de Al-Zn-Mg-Cu typen en enkele van de Al-Mg legeringen, zowel de kneed- als gietlegeringen, met hogere magnesiumgehaltes, vooral na specifieke warmtebehandelingen bij relatief lage temperaturen zoals die zich voordoen bij moffellakken. Bij aluminiumlegeringen verloopt spanningscorrosie interkristallijn.
Filiforme corrosie
Dit doet zich voor als een willekeurige onvertakte witte tunnel van corrosieproducten op hetzij onbedekte metaaloppervlakken, hetzij onder dunne oppervlaktelagen (afbeelding 1). Het is een corrosievorm die niet zo zeer nadelig is voor de sterkte van het metaal, maar meer voor het uiterlijk, hoewel dunne folie kan worden geperforeerd en aantasting van het onderliggende metaal. Zoiets kan bijvoorbeeld plaatsvinden bij vliegtuigconstructies waar de minder corrosiebestendige onderlaag wordt beschermd door een dunne corrosievaste laag. Filiforme corrosie treedt niet vaak op bij aluminium.
Exfoliatie corrosie
Dit kan optreden op metaal met een duidelijke vezelstructuur die is veroorzaakt door walsen of extrusie. De aantasting verloopt snel en zeer selectief, waarbij gedeeltelijk loslatende lagen ontstaan van betrekkelijk ongecorrodeerd metaal (afbeelding 2). Sommigen beschouwen deze corrosie als een vorm van spanningscorrosie, waarbij de spanning of in het metaal aanwezig is of is geproduceerd door de druk van het grotere volume van het corrosieproduct. Het is tamelijk zeldzaam en doet zich hoofdzakelijk voor bij koperhoudende legeringen, maar het kan in een aantal milieus optreden, waaronder sommigen die als zwak corrosief worden aangemerkt. Geschikte afstemming van verouderingsbehandeling en kopergehalte vrijwaren de Al-Cu legeringen met hogere sterkte vrijwel geheel van deze vorm van corrosie.
Invloed van de samenstelling
Er kunnen enkele algemene uitspraken worden gedaan met betrekking tot het effect van corrosieweerstand van legeringselementen of onzuiverheden. Zo wordt koper over het algemeen als schadelijk beschouwd, het verhoogt de gevoeligheid voor interkristallijne corrosie en algemene aantasting, zodat legeringen die koper bevatten moeten worden beschouwd als minder bestand tegen corrosie dan kopervrij materiaal. Er bestaan echter uitzonderingen op deze generalisatie, zoals een verhoogde weerstand tegen spanningscorrosie van Al-Zn legeringen die wordt verkregen door toevoeging van een weinig koper. De aanwezigheid van koper kan worden aangewend om perforatie te vertragen, zij het dat dit ten koste gaat van de algemene corrosie.
Met stijgende zuiverheid van aluminium, neemt de weerstand tegen corrosie toe. Bij hoog-zuiver materiaal zullen putten echter dieper zijn, zij het minder in aantal dan die welke zich vormen in minder zuiver metaal. Bij sommige toepassingen, en dan vooral in aanraking met ammonia of zuiver water bij verhoogde temperatuur en druk, zijn het in technisch zuiver aluminium aanwezige ijzer en silicium gunstig en vertragen corrosie. Tot ongeveer 5% magnesium verbetert de corrosieweerstand tegen zeewater.
Bimetallische (galvanische) corrosie
Aluminium is anodisch ten opzichte van tal van andere metalen en als het wordt verbonden met zulke metalen en wordt ondergedompeld in een geschikte elektrolytoplossing (die zelfs kan bestaan uit vochtig en poreus vast materiaal) dan brengt het potentiaalverschil een stroom op gang met aanzienlijke corrosie als gevolg. Corrosie is het ernstigst als de weerstand van de elektrolyt laag is, zoals dat bijvoorbeeld bij zeewater het geval is. In sommige gevallen kan vocht op het metaaloppervlak en blootstelling aan een agressieve atmosfeer al aanleiding geven tot galvanische corrosie. In de praktijk veroorzaken koper, messing en brons in zeeklimaat de meeste last. Het gevaar van koper en koperlegeringen wordt nog vergroot door de lichte oplosbaarheid van koper in veel oplossingen en het vervolgens weer neerslaan ervan op het aluminium oppervlak, waardoor er tal van lokale actieve cellen ontstaan. Dit kan plaatsvinden als aluminium en koper aanvankelijk geen contact met elkaar maken, maar als gevolg van bijvoorbeeld water dat langs koperoppervlakken stroomt vervolgens in aanraking komt met aluminium. Zo kan ook water dat langs lood is gestroomd putvorming veroorzaken op aluminium oppervlakken. De controlerende factor bij dit alles is het oplosvermogen van het water, zodat zacht water in dit opzicht het schadelijkst zijn.
Gebruik van koper en lood in de nabijheid van aluminium, bijvoorbeeld bij dakbedekking en hemelwaterafvoer, vereist dan ook een zorgvuldig ontwerp om overdracht van schadelijke oplossingen naar het aluminium te voorkomen. Contact met staal, hoewel minder schadelijk, kan aantasting van aluminium versnelle, maar in sommige natuurlijke wateren en andere speciale gevallen kan aluminium worden beschermd ten koste van ferro-metalen. Roestvast staal kan aantasting van aluminium versnellen, met name in zeewater of in zeeklimaten, maar de hoge elektrische weerstand van de oxidelagen op beide metalen beperkt de bimetallische effecten tot een minimum in minder agressieve milieus. Titanium schijnt zich in deze op dezelfde manier te gedragen al staal. Al-Zn legeringen, waaraan gewoonlijk sporen tin, indium of kwik zijn toegevoegd ter verbetering van de neiging om in oplossing te gaan en de werkingspotentialen elektronegatiever te maken, worden gebruikt als opofferingsanodes voor staalconstructies. Aluminium kan aantasting van zinklegeringen versnellen. Dit is vooral merkbaar als er sprake is van een ongunstige oppervlakteverhouding, zoals bij gegalvaniseerde fittingen, aangebracht op aluminium plaat. In basische oplossingen kan juist het aluminium worden aangetast. De koperhoudende aluminiumlegeringen zijn edeler dan de meeste andere aluminiumlegeringen en kunnen aldus aantasting van die andere aluminiumlegeringen veroorzaken, zeker in zeewater. Kwik en alle edele metalen zijn schadelijk voor aluminium.