Гальванокоррозия

Ускоренная коррозия металла из-за электрического контакта с более благородным металлом или неметаллическим материалом (например, графитом) в токопроводящей среде (электролите) называется гальванокоррозией. Наиболее часто гальванокоррозия алюминиевых сплавов в эксплуатации происходит при контакте алюминия со сталью или медью в условиях влажной солевой атмосферы. В этом случае процесс коррозии алюминия идет быстрее, чем в отсутствие контакта с разнородным металлом.

Для каждой среды можно построить гальванический ряд, в котором металлы расположены по величине их электродного потенциала, при этом в верхней части ряда находятся самые активные металлы, в нижней - наименее активные. Эти ряды обычно примерно сходны с хорошо известными рядами электродвижущих потенциалов. Гальванический ряд, в котором даны точно определенные и наиболее часто используемые значения электродных потенциалов (В) в солевом растворе, приведен ниже:

Электродные потенциалы наиболее широко используемых литейных алюминиевых сплавов см. табл. 7.1.

Скорость коррозии зависит от:

1) разности электродных потенциалов двух металлов;

2) электрического сопротивления между двумя металлами;

3) электрической проводимости электролита;

4) отношения площадей катода и анода;

5) поляризационных характеристик двух металлов.

Хотя данные гальванического ряда могут быть использованы для прогнозирования того, какой из двух металлов будет подвержен гальванокоррозии при их взаимном контакте, однако степень коррозионного повреждения предсказать нельзя из-за наличия поляризации. Например. разница потенциалов для алюминия и коррозионной стали больше, чем для алюминия и меди, однако гальваническое влияние коррозионно-стойкой стали на алюминий гораздо меньше из-за поляризации; в то же время у пары алюминий — медь поляризация слабее. Обычно два металла находятся в непосредственном физическом контакте, например в заклепочном соединении. Гальванокоррозия может происходить также в случае, когда металлы не находятся в непосредственном контакте, но оба присутствуют в общем электролите и соединены внешней электрической связью.

Гальванокоррозия алюминия обычно умеренна, за исключением сред с высокой проводимостью, где процесс коррозии идет значительно активнее, например морской воды, морского тумана или брызг при таянии снега на дорогах, посыпаемых солью. В природных грунтовых водах и несоленых атмосферах гальванокоррозия алюминия редко бывает значительной, хотя дождевой поток, омывавший медь и медные сплавы, при попадании на алюминий может вызвать заметную питтинговую коррозию.

В естественной атмосфере, включая и морскую, цинк является анодом по отношению к алюминию и, растворяясь сам, создает защиту для алюминия. Магний также оказывает защитное действие, хотя в тяжелых морских условиях он вызывает катодную коррозию алюминия из-за образования щелочной среды у его поверхности. Кадмий нейтрален по отношению к алюминию, поэтому контакт алюминия с ним неопасен. Другие конструкционные металлы катодны по отношению к алюминию и способствуют возникновению гальванокоррозии алюминия. Из всех металлов наиболее агрессивны медь и ее сплавы (латунь, бронза и монель-металл), к меди близка сталь (только в условиях морской атмосферы). В обычной атмосфере и природных грунтовых водах контакт коррозионностойкой стали с алюминием безопасен. Никель менее агрессивен, чем медь, и приближается к коррозионностойкой стали по своему воздействию на алюминий. В насыщенной морской атмосфере контакт с коррозионностойкой сталью вызывает коррозию алюминия. В морской воде влияние этого контакта зависит от отношения площадей катода и анода. Действие, аналогичное действию коррозионностойкой стали, оказывает хромовое покрытие. Алюминий может контактировать со свинцом во всех средах, кроме насыщенной морской атмосферы. Например, свинцовые прокладки можно использовать при упаковке алюминиевых листов во всех агрессивных средах, кроме самых агрессивных атмосфер.

В отдельных исключительных случаях алюминий может быть анодом по отношению к цинку, а в других - катодом по отношению к стали. Поведение алюминия в гальванической паре описано несколькими авторами. Гальваническая коррозия различных алюминиевых сплавов очень сходна с аналогичной коррозией алюминия.

В конструкциях, особенно если возможно попадание соли, щели между двумя металлами должны быть заполнены высококачественным, эластичным, неохрупчивающимся материалом (герметиком). Более подробные сведения по предотвращению гальванокоррозии алюминия изложены в разделе данной главы, посвященном защите от коррозии этого вида.

Коррозия при осаждении. Эта разновидность гальванокоррозии имеет характер питтинговых поражений. Она возникает в том случае, когда частицы более катодного металла, находящиеся в коррозионном растворе, осаждаются на поверхности алюминия, образуя локальные гальванические ячейки. Ионы тяжелых металлов (медь, свинец, ртуть, никель и олово) агрессивны по отношению к алюминию. Коррозионная активность тяжелых металлов выше в кислотных растворах. В щелочных растворах их растворимость гораздо ниже, и поэтому влияние проявляется в гораздо меньшей степени.

Наиболее распространенной причиной возникновения коррозии этого типа в алюминии являются ионы меди. Типичный пример в этом случае -коррозия алюминиевых сточных желобов под действием дождевой воды, стекающей по медным крышным водосливам. В зависимости от условий вредными могут оказаться даже очень малые содержания меди (0,05 млн.-1). Например, присутствие меди представляет собой гораздо большую проблему в вентилируемых растворах галоидных соединений, чем в растворах, не содержащих этих веществ.

Наиболее агрессивны по отношению к алюминию ионы ртути, даже если она присутствует в виде следов. Однако если естественная оксидная пленка на поверхности алюминия нарушена (галогенные соединения в значительной степени способствуют этому), то алюминий растворяется в ртути, образуя амальгаму, и опасность коррозии становится катастрофической. Растворенный алюминий немедленно окисляется в присутствии влаги; дальнейшее растворение алюминия завершает этот агрессивный цикл. Процесс коррозии происходит с очень высокой скоростью - до 1270 мм/год. Безопасный уровень содержания ртути в растворе или окружающей среде установить сложно из-за неопределенности, связанной с процессом образования амальгамы. Однако концентрация ртути более 0,01 млн.-1 в коррозионных растворах должна вызывать беспокойство, а в среде, где коррозия развивается более медленно, любая концентрация ртути, превышающая разрешенную предписаниями Управления по охране окружающей среды (ЕРА), подозрительна.

Коррозия под действием блуждающих токов. В любом случае, когда электрический ток (постоянный или переменный) переходит с поверхности алюминия в другую среду (в воду, землю или бетон), алюминий корродирует на участках прохождения тока, при этом степень коррозии пропорциональна количеству прошедшего тока. Это явление известно под названием коррозии под действием блуждающих токов или электролитической коррозии (хотя такое определение не очень удачно и неточно, оно прочно закрепилось в практике строительства трубопроводов и судостроении).

При низкой плотности тока коррозия проявляется в виде питтингов, при более высокой плотности может происходить значительное разрушение металла. Скорость коррозии не уменьшается во времени. Одной из двух главных причин этой непредсказуемой и очень быстрой коррозии алюминия является то, что в процессе ее не происходит равномерного растворения металла, как это бывает в среде активных химических веществ. Другая причина — присутствие ионов ртути в окружающей среде.

Поскольку алюминиевая поверхность, с которой уходит ток, выполняет функцию анода, происходит ее окисление (коррозия), и она становится кислотной. Кислотность поверхности часто служит ключом к разгадке непредвиденной активности блуждающих токов. Локальная кислотность может возникнуть даже в щелочной среде, например в бетоне.

Блуждающие токи, встречающиеся на практике, обычно бывают постоянными (как в том случае, когда их источником служит сварочный генератор), но могут быть и переменными. Для большинства металлов коррозия под действием переменных блуждающих токов незначительна, но существенна для алюминия. При плотности токов ниже критической алюминий не корродирует. В разных источниках указываются различные значения величины критической плотности тока: она составляет 0,5; 1,0 и 5,7 А/см2. Другие значения приведены в работах Уильямса и Френча.

Имеются примеры коррозии алюминия под действием блуждающих токов в бетоне (электрические кабели), в морской воде (корпуса судов) и под землей (трубопроводы и дренажные системы). Как правило, коррозии этого типа можно избежать, принимая соответствующие меры при проектировании и методы защиты. Так, коррозию алюминиевого кабеля в бетоне можно предотвратить, не допуская, чтобы он служил нулевой фазой при любых обстоятельствах, особенно при сварке. Важными факторами с точки зрения коррозии являются содержание хлорида в бетоне и отсутствие контакта со стальной арматурой. Сварочный генератор должен быть заземлен.

Особый случай коррозии под влиянием блуждающих токов может встретиться тогда, когда судно с алюминиевым корпусом швартуется в стальном доке и электрическая судовая система в целях сохранности судовых батарей включается в электросеть дока с переменным током под напряжением 110 В. Алюминиевый корпус образует электрическую пару со стальным доком через прибрежную подземную электрическую систему. Так, на алюминиевом корпусе судна длиной 13 м сила блуждающих токов составила 160 мА. Гальванический ток концентрируется в участках с нарушенным покрытием, что может вызвать быстрый пробой корпуса. Алюминиевые детали двигателя на судне, корпус которого не из алюминия, могут образовать электрическую пару со стальным доком, при этом сила блуждающих токов была равной 18 мА. Чтобы предотвратить образование гальванической пары, но обеспечить подачу переменного тока с берега, в цепь бортового кабеля включают конденсатор.

В подземных сооружениях коррозия под действием блуждающих токов может быть связана с близостью алюминия к подземным конструкциям из других металлов, имеющим систему катодной защиты в виде протекторов. Блуждающие токи могут перетекать на подземную конструкцию из алюминия в какой-либо точке, затем переходить в другой участок (где имеет место коррозия), выбирая путь наименьшего электрического сопротивления между наведенным подземным анодом и соседней защищенной конструкцией. Обычным способом предотвращения коррозии в указанных обстоятельствах является очень плотное соединение всех подземных систем.