Reakcia hliníka a nehrdzavejúcej ocele: Ako zabrániť galvanickej korózii

Na solárnej farme rozprávali záznamy o údržbe známy príbeh. Biele kriedové usadeniny sa šírili okolo skrutiek z nehrdzavejúcej ocele na hliníkových montážnych koľajniciach a pod každou hlavou skrutiek sa začali objavovať jamky. Toto je reakcia hliníka a nehrdzavejúcej ocele v praxi a je to jedna z najčastejších príčin predčasného zlyhania v zostavách zo zmiešaných kovov. Reakcia neznamená, že tieto dva kovy nemožno nikdy použiť spolu. To znamená, že spoj musí byť navrhnutý s jasným pochopením galvanickej korózie, čo je presne to, čo tento článok poskytuje.

Čo je vlastne reakcia hliníka a nehrdzavejúcej ocele

Reakcia hliníka a nehrdzavejúcej ocele je formou galvanickej korózie, nazývanej aj bimetalická korózia. Keď sú dva kovy v elektrickom kontakte a oba sú vystavené pôsobeniu elektrolytu, či už morskej sprchy, dažďovej vody, kondenzácie alebo jednoducho pretrvávajúcej vlhkosti, tvoria galvanický pár. Hliník, menej ušľachtilý kov, sa stáva anódou a začína uvoľňovať kovové ióny. Katódou sa stáva nehrdzavejúca oceľ, ušľachtilejší kov. Elektróny putujú z anódy ku katóde cez kovové spojenie a elektrolyt dopĺňa elektrický obvod. Výsledkom je, že hliník koroduje oveľa rýchlejšie, než by bol sám o sebe.

Toto nie je chemický útok nehrdzavejúcej ocele na hliník. Nerezová oceľ jednoducho funguje ako veľká, účinná katóda, ktorá urýchľuje prirodzenú koróziu hliníka. Viditeľné znaky sú charakteristické: biele alebo sivé produkty korózie na hliníkovom povrchu, jamky okolo hlavy upevňovača alebo podložky a v závažných prípadoch postupná strata upínacej sily, keď hliník stráca svoju hrúbku.

Tri podmienky, ktoré musia byť prítomné

Galvanická korózia nie je automatická. Vyžaduje si to tri súčasné podmienky a odstránením ktorejkoľvek z nich sa reakcia zastaví.

• Elektrický kontakt. Tieto dva kovy musia byť spojené vodivou cestou. Presne takú cestu poskytuje skrutka z nehrdzavejúcej ocele zasunutá do hliníkovej koľajnice alebo hliníková konzola zovretá maticou z nehrdzavejúcej ocele.
• Elektrolyt. Tieto dva povrchy musí premostiť vodivá tekutina. Slaná voda je najagresívnejší elektrolyt, ale dažďová voda, kondenzácia a dokonca aj vlhkosť absorbovaná pod povlakom môžu viesť k reakcii zmysluplnou rýchlosťou.
• Rozdiel v elektrochemickom potenciáli. Kovy sa musia líšiť sklonom ku korózii. Hliník a nehrdzavejúca oceľ sa v morskej vode líšia zhruba o pol voltu, čo je viac než dosť na to, aby udržali výraznú koróziu.

Praktický dôsledok je jednoduchý: udržujte kovy suché, udržiavajte ich elektricky oddelené alebo akceptujte, že hliník bude korodovať. Každá účinná metóda prevencie útočí na jednu z týchto troch podmienok.

Prečo je hliník vždy obetným kovom

Každý kov má svoje postavenie v galvanickom rade, ktorý zoraďuje materiály podľa ich korózneho potenciálu v danom prostredí. V morskej vode je nehrdzavejúca oceľ vysoko nad hliníkom. To znamená, že nehrdzavejúca oceľ je katódou a hliník je anódou vždy, keď sú tieto dva spojené v mokrej zostave.

Oplatí sa poznať jednu nuanciu. Nerezová oceľ je len ušľachtilá, zatiaľ čo jej pasívna oxidová vrstva je neporušená. Vo vnútri štrbiny chudobnej na kyslík, ako je medzera pod hlavou skrutky alebo medzi pevne zovretými povrchmi, môže nehrdzavejúca oceľ stratiť svoju pasívnu vrstvu a stať sa aktívnou. Preto sa na nerezových spojovacích materiáloch objavuje štrbinová korózia aj bez prítomnosti hliníka. V páre hliník-oceľ vystavený počasiu je však praktický výsledok konzistentný: hliník je kov, ktorý stráca materiál.

Kedy je možné bezpečne používať hliník a nehrdzavejúcu oceľ

Reakcia hliníka a nehrdzavejúcej ocele nie je nevyhnutná. Nespočetné množstvo zostáv zo zmiešaných kovov má dlhú životnosť, pretože podmienky pre galvanickú koróziu neboli nikdy splnené.

• Vnútorné, suché prostredie. Vyhrievaný, vetraný interiér zriedka poskytuje dostatok elektrolytu na udržanie galvanickej korózie, takže pár môže zostať neaktívny po celé desaťročia.
• Utesnené spoje. Ak je rozhranie potiahnuté kompatibilným tmelom alebo oddelené bariérou vylučujúcou vlhkosť, elektrolyt nemôže dosiahnuť spoj a obvod zostane otvorený.
• Priaznivý pomer plochy. Keď je hliníková časť veľká a časť z nehrdzavejúcej ocele je malá, galvanický prúd sa šíri po širokom hliníkovom povrchu, takže lokálna rýchlosť korózie môže byť prijateľná pre plánovanú životnosť. Nebezpečný prípad je opak: malý hliníkový komponent pripevnený k veľkej konštrukcii z nehrdzavejúcej ocele sústreďuje všetku koróziu na malú anódu a rýchlo zlyhá.

Pre vonkajšie alebo námorné služby je konzervatívny predpoklad, že vlhkosť bude nakoniec prítomná. V solárnych regáloch, architektonických obkladoch, lodnom hardvéri a priemyselných zariadeniach vystavených poveternostným vplyvom je prevencia skôr požiadavkou dizajnu ako možnosťou.

Ako zabrániť galvanickej korózii v zostavách zo zmiešaných kovov

Najspoľahlivejším spôsobom, ako zastaviť galvanickú koróziu, je prerušiť elektrický obvod medzi týmito dvoma kovmi alebo držať elektrolyt mimo spoja. Niekoľko opatrení funguje dobre v kombinácii.

1. Izolujte pomocou nevodivých bariér. Nylonová alebo vláknitá podložka pod hlavou upevňovača z nehrdzavejúcej ocele v kombinácii s izolačným puzdrom na drieku skrutky zabraňuje priamemu kontaktu kovu s kovom. Toto je jediná najúčinnejšia metóda.
2. Utesnite spoj. Polysulfidový, polyuretánový alebo butylový tmel aplikovaný okolo hlavy kotviaceho prvku a pozdĺž okraja spoja vylučuje vlhkosť a fyzicky oddeľuje povrchy.
3. Nátery používajte opatrne. Práškové lakovanie alebo lakovanie hliníka pred montážou pridáva bariéru, ale akýkoľvek škrabanec alebo trieska môže vytvoriť lokálnu anódu. Nátery by nikdy nemali byť jedinou obrannou líniou.
4. Dizajn pre odvodnenie. Umiestnite spoj tak, aby voda odtiekla z upevňovacieho prvku namiesto toho, aby sa okolo neho hromadila.

Plochá podložka z nehrdzavejúcej ocele má v tomto systéme dvojitú úlohu. Roznáša upínacie zaťaženie na širšiu oblasť, čo je dôležité na mäkkom hliníku, a poskytuje hladkú dosadaciu plochu pre hlavu matice alebo skrutky. Sama o sebe nezastaví galvanickú koróziu, pokiaľ nie je oddelená od hliníka izolačnou vrstvou. V spojení s nylonovou podložkou alebo tesniacou guľôčkou poskytuje plochá podložka z nehrdzavejúcej ocele 304 dlhú životnosť a konzistentný upínací výkon.

SS304 Plochá podložka pre skrutky M10, DIN125/GB97 Táto plochá podložka z nehrdzavejúcej ocele 304 rozkladá upínacie zaťaženie na mäkký hliník a poskytuje hladký nosný povrch, hoci galvanická izolácia stále vyžaduje separačnú vrstvu. Zobraziť produkt →

Výber správnej triedy spojovacieho prvku z nehrdzavejúcej ocele

Ak dizajn vyžaduje spojovacie prvky z nehrdzavejúcej ocele v kontakte s hliníkom, dve štandardné možnosti sú nehrdzavejúca oceľ 304 (A2) a 316 (A4). Obidve sú austenitické triedy s oveľa lepšou odolnosťou proti korózii ako uhlíková oceľ a obe sú v podobných pozíciách na galvanickej sérii. Výber nemení galvanické správanie páru. Žiadna trieda nie je zmysluplne lepšia ako druhá pri ochrane hliníka, takže rozhodnutie je skutočne o tom, ako dobre prežije samotný spojovací prvok v prevádzkovom prostredí.

Nerezová oceľ 304 je predvolená pre väčšinu priemyselných a architektonických prác. Odoláva atmosférickej korózii, sladkej vode a širokému spektru chemikálií. Pre vnútorné solárne pole alebo fasádu budovy je osvedčený a cenovo výhodný spojovací prvok z nehrdzavejúcej ocele triedy 304. 304 aj 316 sa vyrábajú podľa noriem DIN 933, GB5783 a ISO 4017 a nášho sprievodcu Šesťhranné skrutky z nehrdzavejúcej ocele 304 oproti 316 podrobnejšie porovnáva tieto dva stupne.

Skrutka SS304 M10 so šesťhrannou hlavou, štandard DIN933 Osvedčená, nákladovo efektívna skrutka z nehrdzavejúcej ocele 304 pre vnútorné alebo všeobecné prostredie, ktorá ponúka odolnosť proti atmosférickej korózii a spoľahlivú nosnosť pre konštrukčné spoje. Zobraziť produkt →

Nerezová oceľ 316 pridáva molybdén, ktorý zlepšuje odolnosť voči chloridom. Pobrežné inštalácie, lodný hardvér a akékoľvek prostredie vystavené cestnej soli by mali používať 316 pre upevňovacie prvky, pretože upevňovací prvok musí vydržať montáž v najnáročnejších podmienkach. Vo všeobecnosti platí, že sortiment spojovacích materiálov z nehrdzavejúcej ocele pre projekty so zmiešaným kovom by sa mali vyberať na základe vystavenia chloridom, nie na predpoklade, že iný druh hliníka nejakým spôsobom ochráni.

Pri pobrežnej inštalácii je spárovanie šesťhrannej matice 316 so skrutkou 316 najspoľahlivejšou možnosťou, najmä pri závitových spojoch, ktoré sa budú časom kontrolovať. Rozdiel v odolnosti proti korózii medzi 304 a 316 v morskej atmosfére je dostatočne významný na to, aby ospravedlnil vyššie náklady na 316.

Šesťhranná matica SS316 M10, norma DIN934 Šesťhranná matica z nehrdzavejúcej ocele 316 s triedou A4-80, navrhnutá pre morské prostredie a prostredie bohaté na chloridy, poskytuje bezpečné upnutie a dlhodobú odolnosť proti korózii v spojení so skrutkami 316. Zobraziť produkt →

Praktické montážne pokyny

Zostavy zo zmiešaných kovov zlyhajú, keď sa preskočia základy. Nasledujúca sekvencia sa ukázala ako účinná pre solárnu montáž, hardvér pre námornú palubu, priemyselné rámy a architektonické hliníkové konštrukcie.

1. Pred montážou očistite oba lícujúce povrchy. Tuk, piesok alebo vodivá kontaminácia môžu vytvoriť korózny článok, aj keď je návrh správny.
2. Najprv nainštalujte izolačnú vrstvu. Umiestnite nylonovú podložku alebo tesniaci pásik pod hlavu upevňovača z nehrdzavejúcej ocele a na dosadaciu plochu matice.
3. Utiahnite na menovitý krútiaci moment. Prílišné utiahnutie rozdrví izolačnú vrstvu, zdeformuje hliník a spoj je náchylný na galvanickú koróziu a uvoľnenie napätia.
4. Skontrolujte po prvej sezóne expozície. Skorá korózia sa prejavuje ako biely prášok alebo slabá jamka. Ak sa potom chytí, opravou je výmena podložky a kvapka tmelu, nie oprava konštrukcie.

Nič z toho by nemalo odradiť inžinierov a výrobcov od spoločného používania hliníka a nehrdzavejúcej ocele. Tieto dva materiály fungujú dobre ako systém, ak sú dodržané vyššie uvedené pravidlá. Hliník koroduje iba vtedy, ak galvanický okruh zostane kompletný a tento okruh sa dá ľahko prerušiť.