واکنش آلومینیوم و فولاد ضد زنگ: چگونه از خوردگی گالوانیکی جلوگیری کنیم

در یک مزرعه خورشیدی، سوابق تعمیر و نگهداری داستانی آشنا را روایت می کند. رسوبات سفید و گچی در اطراف پیچ‌های فولادی ضد زنگ روی ریل‌های نصب آلومینیومی پخش می‌شد و حفره‌های زیر هر سر پیچ آغاز شده بود. این واکنش آلومینیوم و فولاد ضد زنگ در عمل است و یکی از شایع ترین علل خرابی زودرس در مجموعه های فلزی مخلوط است. این واکنش به این معنا نیست که این دو فلز هرگز نمی توانند با هم استفاده شوند. این بدان معنی است که اتصال باید با درک روشنی از خوردگی گالوانیکی طراحی شود، که دقیقاً همان چیزی است که این مقاله ارائه می دهد.

واکنش آلومینیوم و فولاد ضد زنگ در واقع چیست؟

واکنش آلومینیوم و فولاد ضد زنگ نوعی خوردگی گالوانیکی است که به آن خوردگی دو فلزی نیز می گویند. هنگامی که این دو فلز در تماس الکتریکی هستند و هر دو در معرض یک الکترولیت، اعم از اسپری دریا، آب باران، تراکم یا رطوبت پایدار قرار می‌گیرند، یک جفت گالوانیکی را تشکیل می‌دهند. آلومینیوم، فلز کمتر نجیب، تبدیل به آند می شود و شروع به آزادسازی یون های فلزی می کند. فولاد ضد زنگ، فلز نجیب تر، به کاتد تبدیل می شود. الکترون ها از طریق اتصال فلزی از آند به کاتد می روند و الکترولیت مدار الکتریکی را کامل می کند. نتیجه این است که آلومینیوم بسیار سریعتر از آن چیزی که به خودی خود خورده می شود.

این یک حمله شیمیایی توسط فولاد ضد زنگ به آلومینیوم نیست. فولاد ضد زنگ به سادگی به عنوان یک کاتد بزرگ و کارآمد عمل می کند که خوردگی طبیعی آلومینیوم را تسریع می کند. علائم قابل مشاهده متمایز هستند: محصولات خوردگی سفید یا خاکستری روی سطح آلومینیوم، سوراخ شدن در اطراف سر بست یا واشر، و در موارد شدید، کاهش تدریجی نیروی گیره با از دست دادن ضخامت آلومینیوم.

سه شرطی که باید وجود داشته باشد

خوردگی گالوانیکی خودکار نیست. این به سه شرط همزمان نیاز دارد و حذف هر یک از آنها واکنش را متوقف می کند.

• تماس الکتریکی. این دو فلز باید از طریق یک مسیر رسانا به هم متصل شوند. یک پیچ فولادی ضد زنگ که در یک ریل آلومینیومی رانده می شود، یا یک براکت آلومینیومی که توسط یک مهره فولادی ضد زنگ بسته شده است، دقیقاً این مسیر را فراهم می کند.
• یک الکترولیت یک سیال رسانا باید دو سطح را پل کند. آب شور تهاجمی ترین الکترولیت است، اما آب باران، تراکم و حتی رطوبت جذب شده در زیر پوشش می تواند واکنش را با سرعت معنی داری هدایت کند.
• تفاوت در پتانسیل الکتروشیمیایی فلزات باید از نظر تمایل به خوردگی متفاوت باشند. تفاوت آلومینیوم و فولاد ضد زنگ در آب دریا تقریباً نیم ولت است که برای حفظ خوردگی قابل توجه کافی است.

نتیجه عملی ساده است: فلزات را خشک نگه دارید، آنها را از نظر الکتریکی جدا نگه دارید، یا بپذیرید که آلومینیوم خورده می شود. هر روش پیشگیری موثر به یکی از این سه حالت حمله می کند.

چرا آلومینیوم همیشه فلز قربانی است؟

هر فلزی دارای موقعیتی در سری گالوانیکی است که مواد را بر اساس پتانسیل خوردگی آنها در یک محیط معین رتبه بندی می کند. در آب دریا، فولاد ضد زنگ به خوبی بالاتر از آلومینیوم قرار می گیرد. این بدان معناست که فولاد ضد زنگ هر زمان که این دو در یک مجموعه مرطوب به هم متصل شوند کاتد و آلومینیوم آند است.

یک نکته ارزش دانستن دارد. فولاد ضد زنگ فقط نجیب است در حالی که لایه اکسید غیرفعال آن دست نخورده است. در داخل یک شکاف فاقد اکسیژن، مانند شکاف زیر سر پیچ یا بین سطوح محکم بسته شده، فولاد ضد زنگ می تواند لایه غیرفعال خود را از دست داده و فعال شود. به همین دلیل است که خوردگی شکاف بر روی اتصال دهنده های ضد زنگ حتی بدون وجود آلومینیوم ظاهر می شود. با این حال، در یک زوج فولاد آلومینیومی که در معرض هوا قرار دارند، نتیجه عملی ثابت است: آلومینیوم فلزی است که مواد را از دست می دهد.

زمانی که می توان آلومینیوم و فولاد ضد زنگ را با هم به طور ایمن استفاده کرد

واکنش آلومینیوم و فولاد ضد زنگ اجتناب ناپذیر نیست. تعداد بی‌شماری مجموعه‌های مخلوط فلزی عمر طولانی دارند زیرا شرایط برای خوردگی گالوانیکی هرگز برآورده نشد.

• محیط های سرپوشیده و خشک. یک فضای داخلی گرم و تهویه شده به ندرت الکترولیت کافی برای حفظ خوردگی گالوانیکی را فراهم می کند، بنابراین ممکن است این زوج برای چندین دهه غیرفعال بمانند.
• اتصالات مهر و موم شده. اگر رابط با یک درزگیر سازگار پوشانده شود، یا توسط یک مانع بدون رطوبت از هم جدا شود، الکترولیت نمی تواند به محل اتصال برسد و مدار باز می ماند.
• نسبت مساحت مطلوب هنگامی که قسمت آلومینیومی بزرگ و قسمت فولاد ضد زنگ کوچک است، جریان گالوانیکی روی سطح آلومینیومی گسترده پخش می شود، بنابراین نرخ خوردگی موضعی می تواند برای عمر طراحی مورد نظر قابل قبول باشد. مورد خطرناک برعکس است: یک جزء کوچک آلومینیومی متصل به یک سازه بزرگ فولادی ضد زنگ، تمام خوردگی را روی یک آند کوچک متمرکز می کند و به سرعت از بین می رود.

برای خدمات در فضای باز یا دریایی، فرض محافظه کارانه این است که در نهایت رطوبت وجود خواهد داشت. در قفسه‌های خورشیدی، روکش‌های معماری، سخت‌افزار قایق و تجهیزات صنعتی که در معرض آب و هوا قرار دارند، پیشگیری یک الزام طراحی است تا یک گزینه.

نحوه جلوگیری از خوردگی گالوانیکی در مجموعه های فلزی مخلوط

مطمئن ترین راه برای جلوگیری از خوردگی گالوانیکی قطع کردن مدار الکتریکی بین دو فلز یا دور نگه داشتن الکترولیت از محل اتصال است. چندین معیار در ترکیب به خوبی کار می کنند.

1. با موانع غیر رسانا ایزوله کنید. یک واشر نایلونی یا الیافی زیر سر بست فولادی ضد زنگ، همراه با یک آستین جداکننده روی ساق پیچ، از تماس مستقیم فلز با فلز جلوگیری می کند. این تنها موثرترین روش است.
2. مفصل را ببندید. درزگیر پلی سولفید، پلی اورتان یا بوتیل که در اطراف سر بست و در امتداد لبه اتصال اعمال می شود، رطوبت را از بین می برد و سطوح را از نظر فیزیکی جدا می کند.
3. از پوشش ها با احتیاط استفاده کنید. پوشش پودری یا رنگ آمیزی آلومینیوم قبل از مونتاژ یک مانع اضافه می کند، اما هر خراش یا تراشه می تواند یک آند محلی ایجاد کند. پوشش ها هرگز نباید تنها خط دفاعی باشند.
4. طراحی برای زهکشی محل اتصال را طوری قرار دهید که آب به جای جمع شدن در اطراف آن از بست خارج شود.

واشر تخت فولاد ضد زنگ نقش مضاعفی در این سیستم دارد. بار گیره را در ناحیه وسیع تری پخش می کند، که روی آلومینیوم نرم اهمیت دارد، و سطح یاتاقان صافی را برای سر مهره یا پیچ فراهم می کند. به خودی خود خوردگی گالوانیکی را متوقف نمی کند مگر اینکه توسط یک لایه جداکننده از آلومینیوم جدا شود. هنگامی که با یک واشر نایلونی یا یک مهره درزگیر جفت می شود، یک واشر تخت فولاد ضد زنگ 304 عمر طولانی و عملکرد گیره ثابتی را ارائه می دهد.

واشر تخت SS304 برای پیچ و مهره های M10، DIN125/GB97 این واشر تخت فولاد ضد زنگ 304 بارهای گیره را روی آلومینیوم نرم پخش می کند و سطح باربری صافی را فراهم می کند، اگرچه جداسازی گالوانیکی همچنان به یک لایه جداکننده نیاز دارد. مشاهده محصول →

انتخاب درجه مناسب اتصال دهنده فولاد ضد زنگ

اگر طراحی نیاز به اتصال دهنده های فولادی ضد زنگ در تماس با آلومینیوم داشته باشد، دو گزینه استاندارد فولاد ضد زنگ 304 (A2) و 316 (A4) هستند. هر دو گرید آستنیتی با مقاومت در برابر خوردگی بسیار بهتر از فولاد کربنی هستند و هر دو در موقعیت‌های مشابهی در سری گالوانیکی قرار دارند. انتخاب رفتار گالوانیکی زوج را تغییر نمی دهد. هیچ یک از دو درجه در محافظت از آلومینیوم به طور معنی داری بهتر از دیگری نیستند، بنابراین تصمیم در واقع در مورد این است که خود بست در محیط سرویس چقدر خوب دوام می آورد.

فولاد ضد زنگ 304 پیش فرض برای اکثر کارهای صنعتی و معماری است. در برابر خوردگی اتمسفر، آب شیرین و طیف وسیعی از مواد شیمیایی مقاوم است. برای یک آرایه خورشیدی داخلی یا نمای ساختمان، یک بست فولادی ضد زنگ در درجه 304 یک انتخاب اثبات شده و مقرون به صرفه است. هر دو 304 و 316 مطابق با استانداردهای DIN 933، GB5783 و ISO 4017 تولید می شوند و راهنمای ما برای پیچ شش گوش فولاد ضد زنگ 304 در مقابل 316 این دو درجه را با جزئیات بیشتری مقایسه می کند.

پیچ سر شش گوش SS304 M10 استاندارد DIN933 یک پیچ ثابت و مقرون به صرفه از جنس استنلس استیل 304 برای محیط های داخلی یا عمومی، که مقاومت در برابر خوردگی جوی و عملکرد قابل اعتماد باربری را برای اتصالات ساختاری ارائه می دهد. مشاهده محصول →

فولاد ضد زنگ 316 مولیبدن را اضافه می کند که مقاومت در برابر کلریدها را بهبود می بخشد. تاسیسات ساحلی، سخت افزار قایق و هر محیطی که در معرض نمک جاده قرار دارد باید از 316 برای اتصال دهنده ها استفاده کنند، زیرا بست باید در سخت ترین شرایط از مونتاژ دوام بیاورد. به عنوان یک قاعده کلی، محدوده بست فولادی ضد زنگ برای پروژه های فلزی مخلوط باید بر اساس قرار گرفتن در معرض کلرید انتخاب شود، نه بر این فرض که درجه متفاوت به نحوی از آلومینیوم محافظت می کند.

برای نصب در ساحل، جفت کردن مهره شش گوش 316 با پیچ 316 قابل اعتمادترین گزینه است، به ویژه برای اتصالات رزوه ای که به مرور زمان بررسی می شوند. تفاوت مقاومت در برابر خوردگی بین 304 و 316 در اتمسفر دریایی به اندازه کافی قابل توجه است که هزینه بالاتر 316 را توجیه می کند.

مهره شش گوش SS316 M10، استاندارد DIN934 مهره شش گوش از جنس استنلس استیل 316 با گرید A4-80، طراحی شده برای محیط های دریایی و غنی از کلرید، در صورت جفت شدن با پیچ و مهره های 316، گیره ایمن و مقاومت درازمدت در برابر خوردگی را فراهم می کند. مشاهده محصول →

دستورالعمل‌های مونتاژ عملی

مونتاژهای فلزی مخلوط زمانی که اصول اولیه نادیده گرفته می شوند شکست می خورند. توالی زیر برای نصب خورشیدی، سخت افزار عرشه دریایی، قاب های صنعتی و سازه های آلومینیومی معماری موثر است.

1. قبل از مونتاژ هر دو سطح فایینگ را تمیز کنید. گریس، شن، یا آلودگی رسانا می تواند سلول خوردگی ایجاد کند حتی زمانی که طرح درست باشد.
2. ابتدا لایه ایزوله را نصب کنید. یک نایلون واشر یا یک مهره درزگیر را زیر سر بست فولادی ضد زنگ و روی سطح یاتاقان مهره قرار دهید.
3. تا گشتاور نامی سفت کنید. گشتاور بیش از حد لایه ایزوله را خرد می کند، آلومینیوم را مخدوش می کند و اتصال را در برابر خوردگی گالوانیکی و کاهش استرس آسیب پذیر می کند.
4. پس از اولین فصل قرار گرفتن در معرض، بازرسی کنید. خوردگی اولیه به صورت پودر سفید یا حفره کم رنگ ظاهر می شود. در صورت گیر افتادن، راه حل یک واشر جایگزین و یک لایه درزگیر است، نه تعمیر ساختاری.

هیچ یک از اینها نباید مهندسان و سازندگان را از استفاده از آلومینیوم و فولاد ضد زنگ با هم منصرف کند. این دو ماده زمانی که از قوانین بالا پیروی می کنند، به عنوان یک سیستم عملکرد خوبی دارند. آلومینیوم فقط در صورتی خورده می شود که مدار گالوانیکی کامل بماند و آن مدار به راحتی قطع شود.