Степень окисления алюминия физические свойства и сферы использования

Коррозия алюминия и способы борьбы с ней ( 22 фото)

Алюминий – широко распространенный в промышленности и быту металл. Окисление алюминия на воздухе не происходит. Его инертность обусловлена тонкой оксидной пленкой, защищающей его. Однако под влиянием определенных факторов из окружающей среды этот метал все же подвергается разрушительным процессам, и коррозия алюминия — не такое уж и редкое явление.

Виды коррозии

Окисляется алюминий в атмосфере быстро, но на небольшую глубину. Этому препятствует защитная окисная пленка. Окисление ускоряется выше температуры плавления алюминия. Если нарушается целостность оксидной пленки, алюминий начинает корродировать. Причинами истончения его защитного слоя могут стать различные факторы, начиная с воздействия кислот, щелочей и заканчивая механическим повреждением.

Коррозия алюминия – саморазрушение металла под воздействием окружающей среды. По механизму протекания выделяют:

  • Химическую коррозию – происходит в газовой среде без участия воды.

  • Электрохимическую коррозию – протекает во влажных средах.

  • Газовое разрушение – но сопровождает нагрев и горячую обработку алюминия. В результате взаимодействия кислорода с металлами возникает плотная окисная пленка. Вот почему алюминий не ржавеет, как и все цветные металлы.

На видео: электрохимическая коррозия металлов и способы защиты.

Причины коррозии алюминия

Коррозионная стойкость алюминия зависит от нескольких факторов:

  • чистоты – наличия примесей в металле;
  • воздействующей среды – алюминий может одинаково подвергаться разрушению и на чистом сельском воздухе и в промышленно загрязненных районах;
  • температуры.

Во многих случаях малоконцентрированные кислоты могут растворить алюминий. От возникновения коррозии не защищает естественная окисная пленка.

Мощные разрушители – фтор, калий, натрий. Алюминий и его сплавы корродируют при воздействии химических соединений брома и хлора, растворов извести и цемента.

Коррозия алюминия и его сплавов происходит в воде, воздухе, оксидах углерода и серы, растворах солей. Морская вода приводит к ускоренному разрушению. Алюминий считается активным металлом, но при этом отличается хорошими коррозионными свойствами.

Выделяют два основных фактора, которые влияют на интенсивность коррозийного процесса:

  • степень агрессивности воздействующей окружающей среды – влажность, загрязненность, задымленность;
  • химическая структура.

Алюминий не подвергается коррозии в чистой воде. Не влияют на защитную оксидную пленку нагревание и пар.

Проявление коррозии алюминия

Выделяют следующие виды коррозии алюминия и его сплавов:

  • Поверхностная – наиболее распространенная, приносит наименьший вред, легко заметна и быстро поддается устранению.
  • Локальная – разрушения наблюдаются в виде углублений и пятен. Опасный вид коррозии в силу своей незаметности. Встречается в труднодоступных частях и узлах металлических конструкций.
  • Нитеподобная, филигрань – наблюдается под покрытиями из органики, на ослабленных местах поверхности.

Любой из видов коррозии конструкций из алюминия является причиной разрушения.

Это сокращает срок эксплуатации изделий. В гальванической паре алюминий может корродировать, при этом он защищает другой металл.

Естественных антикоррозийных свойств алюминия и его сплавов недостаточно. Поэтому механизмы, агрегаты, конструкции и изделия из металла нуждаются в дополнительной защите.

Способы борьбы с коррозией

Защита от коррозии производится несколькими способами:

  • Механическое лакокрасочное защитное покрытие.
  • Электрохимическая защита – покрытие более активными металлами;
  • Покрытие алюминия порошковыми составами, так называемый процесс аллюминирования;
  • Высоковольтное анодирование;
  • Химическое оксидирование;
  • Применение ингибиторов коррозии.

Механическое покрытие

Как защитить алюминий от коррозии? Чаще всего применяют механический способ – нанесение слоя краски.

Покройте краской изделие и вы убедитесь в действенности этого способа. Окрашивание бывает мокрым и сухим, или порошковым. Эти технологии усовершенствуются. При мокром окрашивании лакокрасочные слои наносят после защиты алюминия составом, содержащим соединения цинка и стронция. Металлическую основу тщательно подготавливают: защищают, шлифуют, сушат. Грунт наносят поэтапно.

Когда растворитель из грунтовочной смеси полностью исчезнет, поверхность можно покрывать изолирующим составом: масляным или глифталиевым лаком.

Специальные составы помогают остановить коррозию и защищают алюминиевые конструкции от химикатов, бензина, различного вида масел. Выбор покрытия зависит от условий последующей эксплуатации металлического изделия:

  • молотковые – применяют для получения конструкций различных цветовых оттенков, используемых в декоре;
  • бакелитовые – наносят под высоким давлением, заполняя микротрещины и поры.
Читайте также:  Замена тормозных колодок задних ниссан альмера классик

Порошковое окрашивание требует тщательной очистки поверхности от жира и различных отложений. Это достигается погружением в щелочные или кислотные растворы с добавлением смачивателей. Далее на алюминиевые конструкции наносится слой хроматных, фосфатных, циркониевых или титановых соединений. После этого он не будет окисляться.

После просушки материала на окислившийся участок наносят защитный полимер. Чаще всего используются полиэфиры, стойкие к механическому, химическому и термическому воздействию. Применяют полимеризованный уретан, эпоксидные и акриловые порошки.

Оксидирование алюминия

Оксидирование алюминия протекает при постоянном токе под напряжением 250 В. Наращивание защитной пленки происходит при комнатной температуре с водяным охлаждением. Не требуется импульсного источника. Пленки получаются плотными и прочными в течение 45-60 минут.

На плотность и цвет оксидного покрытия влияет температура электролита:

  • пониженная температура образует плотную пленку яркого цвета;
  • повышенная – формирует рыхлую пленку, требующую дальнейшей окраски.

Образовать защиту алюминия от коррозии можно электрохимической реакцией. Процесс разделен на несколько этапов:

1. На стадии подготовки алюминиевое изделие обезжиривают, погружая его в раствор щавелевой кислоты.

2. После промывания водой опускают в щелочной раствор, чтобы удалить неравномерно образовавшийся оксидный слой.

3. Для дополнительной окраски алюминиевые изделия погружают в соответствующие растворы солей. Чтобы заполнить образовавшиеся поры, металлический материал обрабатывают паром.

4. Затем изделие подвергают сушке. Анодное оксидирование может проводиться с применением переменного тока.

Для защиты от коррозии применяют химическое оксидирование – менее затратное, не требующее специального электрического оборудования и квалификации исполнителей. Используется несложный химический состав.

В процессе алюминирования полученная оксидная пленка толщиной в 3 мкм имеет салатный цвет, обладает высокими электроизоляционными свойствами, не пориста, не окрашивается.

Коррозия алюминия возникает вследствие находящихся рядом металлов, которые окислились. Предотвращению этот процесса способствует изоляция. Это могут быть прокладки из резины, битума, паронита. При покрытии ржавчиной применяются лак и другие изолирующие материалы. Других способов избавиться от этой проблемы пока нет.

Три способа удалить окисную плёнку с поверхности алюминия (1 видео)

Окисление алюминия при переплаве алюминиевого лома

Алюминий и его оксид

Алюминий имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (–1,66 В), а магний, его важный легирующий элемент, имеет даже более низкий потенциал (–2,38 В). Поэтому, как и большинство других металлов, алюминий встречается в природе только как очень стабильный оксид. Химически это означает наиболее стабильное состояние на самом низком энергетическом уровне. При электролизе металл вынуждают отделиться от кислорода путем подъема его энергетического потенциала. При контакте с кислородом алюминий стремится вернуться к более низкому энергетическому уровню в виде оксида алюминия. Из-за его высокого сродства к кислороду эта реакция происходит мгновенно.

Реакция окисления алюминия

Положительное изменение энтальпии ΔH этой реакции указывает на то, что окисление алюминия является экзотермическим процессом, то есть идет с выделением энергии. Это логично, так как алюминий при этом переходит в состояние с более низким энергетическим уровнем.

Толщина оксидной пленки на твердом алюминии

Толщина естественной оксидной пленки довольно тонкая – от 1 до 3 нм в зависимости от сплава и температуре образования оксида (до 300 °С). На рисунке 1 показано постепенное увеличение толщины оксидной пленки на чистом алюминии при ее образовании при температуре от комнатной до 400-500 °С. Затем происходит разрыв в скорости окисления и резкое увеличение толщины оксидной пленки до 20 нм. Причиной этого считается переход от аморфной структуры оксида алюминия к его кристаллической структуре. Именно поэтому при сушке измельченного алюминиевого лома и обжиге с него органических покрытий его не нагревают выше 400 °, чтобы избежать чрезмерного окисления.

Рисунок 1

В твердом состоянии алюминия оксид алюминия играет положительную роль, так как оксидная пленка имеет форму γ-Al2O3 и толщину несколько нанометров. Она надежно изолирует поверхность алюминия и останавливает дальнейшее окисление. При постоянной температуре толщина оксидной пленки растет сначала очень быстро, но затем скорость роста замедляется и сводится практически к нулю.

Читайте также:  Замена рулевой тяги - наконечника Выезд - диагностика

Окисление алюминиевой стружки

С особенностью роста оксидной пленки, которая показана на рисунке 1, связан интересный феномен. Он происходит при хранении алюминиевых отходов в виде стружки. Этот вид алюминиевого лома возникает при механической обработке алюминия и поступает на переплав в основном в виде токарной и сверлильной стружки. Эта стружка имеет после механической обработке свежую, чистую поверхность, которая сразу же начинает окисляться. Так как стружка перед переплавом хранится в прессованных пакетах, то, казалось бы, окисляться должен только наружный их слой, а внутренние слои пакета сохраняться без окисления. Однако по изменению веса пакета было установлено, что окисление его в целом продолжается в течение длительного времени. Причина этого в том, что в пакете есть щели и полости, через которые воздух медленно, но уверено проникает во внутренние его слои. Большинство отдельных стружек очень тонкие, и оксидный слой, хотя и еще более тонкий, дает значительную долю в общем весе пакета. Поэтому при длительном хранении стружки потери металла возникают просто ниоткуда. Вывод из этого может быть только один – стружку необходимо переплавлять немедленно после ее поступления.

Удельная поверхность алюминиевого лома

Потеря алюминия из-за его окисления при переплаве в печи какой-нибудь загрузки лома пропорциональна удельной площади этого лома. Удельная площадь выражается соотношением

где m – общая масса партии лома, A – общая площадь поверхности всех кусочков лома, составляющих эту загрузку.

Удельная площадь поверхности алюминиевых отходов является критическим параметром. Ее величина увеличивается с уменьшением размеров частиц лома. Так, у куба со стороной 10 см площадь поверхности равна 600 кв. см , а у эквивалентных по массе 1000 кубиков со стороной 1 см – в 10 раз больше. Поэтому скорость окисления этих кубиков будет в 10 раз больше, чем большого куба.

Оксидная пленка на жидком алюминии

За исключением операций сушки и обжига органических покрытий все окисление алюминиевого лома происходит в жидком состоянии. В ходе плавления защитная оксидная пленка разрушается, и окисление алюминия начинается снова, но уже при более высокой температуре. На невозмущенной поверхности расплава алюминия устанавливается стабильная оксидная пленка, толщина которой медленно увеличивается во времени.

Зависимость интенсивности окисления жидкого алюминия от температуры

С ростом температуры расплава скорость окисления алюминия возрастает. Она довольно медленно возрастает вплоть до интервала температуры от 760 до 780 °С, а затем следует резкое увеличение скорости окисления, как это показано на рисунке 2. Нагрев алюминиевого расплава выше этих температур приводит к повышенным потерям алюминия от его окисления. Эти потери часто называют « угар алюминия ».

Рисунок 2

Оптимальная температура для расплава алюминия

С учетом резкого роста окисления алюминия при температуре расплава выше 760-780 °С, если нет особых причин для высокой температуры расплава (например, большая длина передающих металлопроводов), жидкий алюминий разогревают как раз до температуры, которая оптимальна для его разливки. В большинстве случаев эта температура составляет от 730 до 750 °С.

Источник: Ch. Schmitz, Handbook of Aluminium Recycling, 2006.

2.2.3. Характерные химические свойства алюминия.

Алюминий — амфотерный металл. Электронная конфигурация атома алюминия 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Таким образом, на внешнем электронном слое у него находятся три валентных электрона: 2 — на 3s- и 1 — на 3p-подуровне. В связи с таким строением для него характерны реакции, в результате которых атом алюминия теряет три электрона с внешнего уровня и приобретает степень окисления +3. Алюминий является высокоактивным металлом и проявляет очень сильные восстановительные свойства.

Взаимодействие алюминия с простыми веществами

с кислородом

При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al2O3, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Невозможно и окисление крупных образцов алюминия даже при очень высоких температурах. Тем не менее, мелкодисперсный порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:

Читайте также:  Самодельная батарейка ( Медно-цинковая ) Всего наилучшего; 73!

с галогенами

Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:

С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:

Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:

с серой

При нагревании до 150-200 о С или после поджигания смеси порошкообразных алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:

сульфид алюминия

с азотом

При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800 o C образуется нитрид алюминия:

с углеродом

При температуре около 2000 o C алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид (метанид) алюминия, содержащий углерод в степени окисления -4, как в метане.

Взаимодействие алюминия со сложными веществами

с водой

Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al2O3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:

с оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000 о С. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

с кислотами-неокислителями

Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:

2Аl 0 + 6Н + = 2Аl 3+ + 3H2 0 ;

с кислотами-окислителями

-концентрированной серной кислотой

Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:

Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H2SO4) до степени окисления -2 (в H2S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:

— разбавленной азотной кислотой

Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N2O и NH4NO3:

со щелочами

Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:

так и с чистыми щелочами при сплавлении:

В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:

В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:

Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector