آلومینیوم و خواص آن

جدول 1- ضخامت پوشش­های اکسیدی بر روی آلومینیوم

عنصر آلیاژ اصلی موجود در داخل فیلم اکسیدی، منیزیم است. در دمای بالای 340، منیزیم از بالک آلیاژ نفوذ می­کند و حتی در سطوح کمتر از ppm 50 منیزیم یک واکنش اکسیداسیون رقابتی بین نفوذ منیزیم به سمت بیرون و نفوذ اکسیژن به سمت داخل وجود دارد. در سطوح بالاتر منیزیم بالک (تا 4 درصد) یک فیلم دوبلکس از اکسید آلومینیوم نزدیک به فلز و لایه بیرونی MgO حاصل می­شود. این فیلم اکسیدی تا زمانی که سطح منیزیم بالک خالی شود، ضخیم خواهد شد. منحنی­های افزایش وزن برای آلیاژهای Al – 4/2% Mg   در مقایسه با آلومینیوم با  خلوص بالا در شکل 4  نشان داده شده است.

شکل 4- مقایسه منحنی­های افزایش وزن برای اکسیداسیون تحت شرایط خشک

تشریح اکسیداسیون آلیاژهای آلومینوم- منیزیم به وسیله Wefer و Field و همکاران خلاصه شده است. جدول 1 ضخامت پوشش­های اکسیدی طبیعی را در مقایسه با پوشش­های اکسیداسیون شیمیایی و آندی نشان می­دهد. شکسته شدن فیلم اکسیدی می­تواند ناشی از گسیختگی مکانیکی یا از حمله شیمیایی به وسیله یون­هایی از قبیل یون­های کلرید باشد. در بیشتر موارد تعمیر فوری صورت می­گیرد و وابسته به میزان رطوبت محیط، می تواند همراه با واکنش احیا اکسیژن  یا واکنش تکاملی هیدروژن فوق صفحه­ای نشان داده شده باشد:

در نخستین واکنش کاتدی ، اکسید آلومینیوم حاصل می شود در حالیکه در واکنش دوم هیدروکسید تشکیل می­شود. شواهد رشد نشان می­دهد که شکاف و نقص در فیلم اکسیدی از پیش موجود است و می­تواند به عنوان محل جوانه­زنی برای شکسته شدن فیلم اکسیدی عمل کند. اطلاعاتی هم از مطالعات الکتروشیمیایی و هم میکروسکوپ الکترونی عبوری بدست آمده است. مطرح شده است که در محلول، نقایص و شکاف بصورت پیوسته ای توسعه یافته و پسیو مجدد(محافظت مجدد) شده اند و به حفرات اجازه جوانه زنی می­دهد. نویز الکتروشیمیایی تولید شده قبل از شروع حفرات، شواهد قوی برای این نوع فرآیند فراهم می­کند. اما حتی با وجود نقایص و شکاف­ها، یون­های خورنده همچنان به پایه شکاف­ها رسوخ خواهند کرد. این می­تواند به وسیله تشکیل یون­های پیچیده با عمر کوتاه یا به وسیله توسعه جزایر نمک از قبیل   توسط محلول غیر سیال باشد. متناوباً، PH موضعی در شکاف­ها ممکن است بطور مناسبی کاهش یابد تا فیلم اکسیدی  پایه شکاف­ها را به طور موثری کنده و آلومینیوم را بدون محافظت قرار دهد. مکانیزم آخر در حال حاضر مطلوب است. نتیجه شکسته شدن فیلم، خوردگی است و در بخش بعدی به آن پرداخته شده است.

3- خوردگی آلومینیوم

با وجود اینکه آلومینیوم و آلیاژهای آن به طور کلی مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند، شکل­های موضعی خوردگی میتواند رخ دهد و درک فاکتورهای سهیم در این شکل­های خوردگی اهمیت دارد.

خوردگی را می توان واکنش بین فلز و محیط پیرامون آن تعریف کرد که می تواند از اساس طبیعی یا شیمیایی باشد. مشخص­ترین شکل خوردگی شاید زنگ زدن و پوسیدن آهن باشد. تمامی فلزات با محیط طبیعی واکنش می­دهند اما توسعه و گسترش این واکنش در هر کدام از آنها متغیر است، برای فلزات نجیب مثل طلا میزان این واکنش ناچیز است در حالیکه برای آهن قابل توجه است. آلومینیوم یک استثنا نیست اما خوشبختانه تمایل به خود پاسیواسیون دارد و برای بسیاری از کاربردها، خوردگی مشکلی ایجاد نمی­کند.

1-3- فاکتورهای سهیم در خوردگی

دو فاکتور اصلی وجود دارد که رفتار کلی خوردگی آلومینیوم ر اتحت تاثیر قرار می­دهد. نخست، نوع خوردگی محیط و دوم، ساختار شیمیایی و متالورژیکی آن است. محیط می تواند از اتمسفرهای بیرون تا اتمسفر چندگانه از قبیل خاک، آب، مواد ساختمانی، مواد غذایی یا شیمیایی متغییر باشد. اتمسفرهای بیرونی بعنوان  هوای آزاد، صنعتی یا دریایی وابسته به محل و موقعیت آنها طبقه بندی می­شوند. در اتمسفر هوای آزاد درجه آلودگی طبیعی معمولا پایین است اما محیط­های صنعتی و دریایی خورنده­تر هستند که به ترتیب به خاطر وجود سولفات­ها و کلریدهای می­باشد. خاک، آب و مواد ساختمانی در خورندگی وابسته به بعضی از خواص از قبیل ترکیب شیمیایی، اکتیویته شیمیایی، درجه هوادهی و رسانایی الکتریکی متغییر هستند. محیط­های شیمیایی معمولا دارای ترکیب منحصر به فردی هستند و اثرات خورندگی آنها را می توان به صورت نسبتا دقیقی تعیین کرد.

آلومینیوم خالص بالاترین میزان مقاومت به خوردگی را نشان می­دهد و با کاهش درجه خلوص و افزودن عناصر آلیاژی، این مقاومت کاهش می­یابد. مس بیشتر از دیگر عناصر مقاومت به خوردگی را کاهش می­دهد در حالیکه منیزیم کمترین اثر را دارد، تاثیر عناصر اصلی و ناخالصی­ها بر مقاومت خوردگی آلومینیوم در جدول 2 خلاصه شده است. 

جدول 2- اثر کلی عناصر آلیاژی اصلی بر مقاومت به خوردگی آلومینیوم

مرحله متالورژیکی یک آلیاژ آلومینیوم برای یک ترکیب داده شده به وسیله تاریخچه تولید آن تعیین می شود. در حالت شکل­ دهی آلیاژهای آلومینیوم هم به روش کار سختی و هم به روش عملیات حرارتی تولید می­شوند. آلیاژهای آلومینیوم همچنین در حالت ریختگی نیز وجود دارند.

به طور خلاصه کار سختی شامل تغییر شکل در دمای اتاق یا دماهای اندکی بالاتر است و برای محصولات نیمه تولیدی  فرآیند مورد استفاده انواع نورد است. ویژگی­های اصلی حاصل از نورد، نابجایی­ها هستند, 

در اصطلاح کلی، عملیات حرارتی شامل دو مرحله اصلی است. مرحله اول شامل نگه داری در دماهای بین 550-450 درجه سانتی­گراد به مدت زمان مشخص که وابسته به ترکیب شیمیایی آلیاژ است و سپس کوئنچ در آب یا در هوا که دوباره به آلیاژ بستگی دارد, می­باشد. مرحله دوم پیرسازی است که در دماهای بین 175-20 درجه سانتی­گراد انجام می­شود. در طول مرحله نخست, بیشتر عناصر آلیاژی به شکل محلول جامد درآمده و سپس در طول مرحله پیرسازی به طور جزئی آزاد می­شوند. به جزئ مرزدانه­ها و دیگر مناطق مطلوب از نظر انرژی، مواد آزاد شده از محلول جامد با زمینه کوهیرنت بوده و باعث افزایش استحکام می­شوند. اگر مدت زمان پیرسازی طولانی باشد یا دمای پیرسازی بالا باشد، کوهیرنسی تمایل به شکسته شدن دارد و استحکام کاهش می­یابد.

شکل 5- مرز ناصاف زیر دانه­ها حاصل شده از مقدار کمی نورد سرد (آلیاژ Al-Mg)

اگرچه تعداد نسبتا زیادی از آلیاژهای ریختگی وجود دارند، بیشتر آنها خواص خود را از افزودن منیزیم، مس و سیلیکون، چه به صورت ترکیبی و چه به صورت جداگانه، بدست می­آورند. مقدار منیزیم می­تواند 11-3 درصد باشد، مقدار سیلیکون می­تواند 13-3 درصد باشد و مقدار مس می­تواند 5-1 درصد باشد. آنها می­توانند در محدوده­ای از حالت ریختگی تا عملیات حرارتی وابسته به ترکیب شیمیایی آلیاژ تولید شوند. ساختار اصلی آنها عمدتا سلول­های دندریتی نفوذ کرده در زمینه آلومینیومی می­باشد. با استفاده از عملیات حرارتی می­توان تعدادی تغییر در ساختار آنها ایجاد کرد.