Reakce hliníku a nerezové oceli: Jak zabránit galvanické korozi

Na solární farmě vyprávěly záznamy o údržbě známý příběh. Kolem šroubů z nerezové oceli na hliníkových montážních kolejnicích se šířily bílé křídové usazeniny a pod každým šroubem se začaly objevovat důlky. Toto je reakce hliníku a nerezové oceli v praxi a je to jedna z nejčastějších příčin předčasného selhání v sestavách ze směsných kovů. Reakce neznamená, že tyto dva kovy nelze nikdy použít společně. To znamená, že spoj musí být navržen s jasným pochopením galvanické koroze, což je přesně to, co tento článek poskytuje.

Co vlastně je reakce hliníku a nerezové oceli

Reakce hliníku a nerezové oceli je formou galvanické koroze, nazývané také bimetalická koroze. Když jsou dva kovy v elektrickém kontaktu a oba jsou vystaveny působení elektrolytu, ať už mořské spršky, dešťové vody, kondenzace nebo prostě přetrvávající vlhkosti, tvoří galvanický pár. Hliník, méně ušlechtilý kov, se stává anodou a začíná uvolňovat kovové ionty. Nerezová ocel, ušlechtilejší kov, se stává katodou. Elektrony putují od anody ke katodě přes kovové spojení a elektrolyt doplňuje elektrický obvod. Výsledkem je, že hliník koroduje mnohem rychleji než sám o sobě.

Nejedná se o chemický útok nerezové oceli na hliník. Nerezová ocel jednoduše funguje jako velká účinná katoda, která urychluje přirozenou korozi hliníku. Viditelné znaky jsou charakteristické: bílé nebo šedé produkty koroze na hliníkovém povrchu, důlky kolem hlavy šroubu nebo podložky a v závažných případech postupná ztráta upínací síly, když hliník ztrácí tloušťku.

Tři podmínky, které musí být přítomny

Galvanická koroze není automatická. Vyžaduje tři současné podmínky a odstranění kterékoli z nich zastaví reakci.

• Elektrický kontakt. Oba kovy musí být spojeny vodivou cestou. Nerezový šroub zaražený do hliníkové kolejnice nebo hliníkový držák upnutý maticí z nerezové oceli poskytuje přesně tuto cestu.
• Elektrolyt. Tyto dva povrchy musí přemostit vodivá tekutina. Slaná voda je nejagresivnější elektrolyt, ale dešťová voda, kondenzace a dokonce i vlhkost absorbovaná pod povlakem mohou řídit reakci smysluplnou rychlostí.
• Rozdíl v elektrochemickém potenciálu. Kovy se musí lišit sklonem ke korozi. Hliník a nerezová ocel se v mořské vodě liší zhruba o půl voltu, což je více než dost pro udržení značné koroze.

Praktický důsledek je přímočarý: udržujte kovy v suchu, udržujte je elektricky oddělené nebo se smiřte s tím, že hliník bude korodovat. Každá účinná metoda prevence napadá jednu z těchto tří podmínek.

Proč je hliník vždy obětním kovem

Každý kov má své místo v galvanické řadě, která řadí materiály podle jejich korozního potenciálu v daném prostředí. V mořské vodě je nerezová ocel mnohem lepší než hliník. To znamená, že nerezová ocel je katodou a hliník je anodou, kdykoli jsou tyto dva spojeny v mokré sestavě.

Jedna nuance stojí za to znát. Nerezová ocel je pouze ušlechtilá, zatímco její pasivní oxidová vrstva je neporušená. Uvnitř štěrbiny chudé na kyslík, jako je mezera pod hlavou šroubu nebo mezi pevně sevřenými povrchy, může nerezová ocel ztratit svou pasivní vrstvu a stát se aktivní. Proto se na nerezových spojovacích prvcích objevuje štěrbinová koroze i bez přítomnosti hliníku. U páru hliník-ocel vystavený počasí je však praktický výsledek konzistentní: hliník je kov, který ztrácí materiál.

Kdy lze bezpečně používat hliník a nerezovou ocel

Reakce hliníku a nerezové oceli není nevyhnutelná. Nesčetné sestavy ze smíšených kovů mají dlouhou životnost, protože nebyly nikdy splněny podmínky pro galvanickou korozi.

• Vnitřní, suché prostředí. Vyhřívaný, větraný interiér zřídka poskytuje dostatek elektrolytu k udržení galvanické koroze, takže pár může zůstat nečinný po celá desetiletí.
• Utěsněné spoje. Pokud je rozhraní potaženo kompatibilním tmelem nebo odděleno bariérou vylučující vlhkost, elektrolyt se nemůže dostat ke spoji a obvod zůstane otevřený.
• Příznivý poměr ploch. Když je hliníková část velká a nerezová část malá, galvanický proud se šíří po širokém hliníkovém povrchu, takže místní rychlost koroze může být přijatelná pro zamýšlenou návrhovou životnost. Nebezpečný případ je opak: malá hliníková součástka připevněná k velké nerezové konstrukci soustředí veškerou korozi na malou anodu a rychle selže.

U venkovních nebo námořních služeb je konzervativním předpokladem, že vlhkost bude nakonec přítomna. U solárních regálů, architektonických obkladů, lodního hardwaru a průmyslového vybavení vystaveného povětrnostním vlivům je prevence spíše požadavkem designu než možností.

Jak zabránit galvanické korozi v sestavách ze smíšených kovů

Nejspolehlivějším způsobem, jak zastavit galvanickou korozi, je přerušit elektrický obvod mezi dvěma kovy nebo udržet elektrolyt mimo spojení. Několik opatření funguje dobře v kombinaci.

1. Izolujte pomocí nevodivých bariér. Nylonová nebo vláknitá podložka pod hlavou upevňovacího prvku z nerezové oceli v kombinaci s izolační objímkou ​​na dříku šroubu zabraňuje přímému kontaktu kov na kov. Toto je jediná nejúčinnější metoda.
2. Utěsněte spoj. Polysulfidový, polyuretanový nebo butylový tmel aplikovaný kolem hlavy spojovacího prvku a podél okraje spoje vylučuje vlhkost a fyzicky odděluje povrchy.
3. Používejte nátěry opatrně. Práškové lakování nebo lakování hliníku před montáží vytváří bariéru, ale jakýkoli škrábanec nebo tříska může vytvořit lokální anodu. Nátěry by nikdy neměly být jedinou obrannou linií.
4. Design pro odvodnění. Umístěte spoj tak, aby voda stékala pryč z upevňovacího prvku, místo aby se kolem něj hromadila.

Plochá podložka z nerezové oceli má v tomto systému dvojí roli. Rozkládá upínací zatížení na širší plochu, což je u měkkého hliníku důležité, a poskytuje hladkou dosedací plochu pro hlavu matice nebo šroubu. Samo o sobě nezastaví galvanickou korozi, pokud není odděleno od hliníku izolační vrstvou. Při spárování s nylonovou podložkou nebo těsnicí lištou poskytuje plochá podložka z nerezové oceli 304 dlouhou životnost a konzistentní upínací výkon.

SS304 Plochá podložka pro šrouby M10, DIN125/GB97 Tato plochá podložka z nerezové oceli 304 rozkládá upínací zatížení na měkký hliník a poskytuje hladký dosedací povrch, i když galvanická izolace stále vyžaduje separační vrstvu. Zobrazit produkt →

Výběr správné třídy spojovacího materiálu z nerezové oceli

Pokud konstrukce vyžaduje spojovací prvky z nerezové oceli v kontaktu s hliníkem, dvě standardní možnosti jsou nerezová ocel 304 (A2) a 316 (A4). Obě jsou austenitické třídy s mnohem lepší odolností proti korozi než uhlíková ocel a obě sedí na podobných pozicích na galvanické řadě. Výběr nemění galvanické chování páru. Žádná třída není významně lepší než druhá v ochraně hliníku, takže rozhodnutí je ve skutečnosti o tom, jak dobře samotný spojovací prvek přežije v provozním prostředí.

Nerezová ocel 304 je výchozím nastavením pro většinu průmyslových a architektonických prací. Odolává atmosférické korozi, sladké vodě a široké škále chemikálií. Pro vnitrozemské solární pole nebo fasádu budovy je osvědčenou a cenově výhodnou volbou spojovací prvek z nerezové oceli třídy 304. Jak 304, tak 316 jsou vyráběny podle norem DIN 933, GB5783 a ISO 4017 a našeho průvodce Šestihranné šrouby z nerezové oceli 304 versus 316 porovnává oba stupně podrobněji.

SS304 Šroub se šestihrannou hlavou M10, standard DIN933 Osvědčený, cenově výhodný šroub z nerezové oceli 304 pro vnitrozemské nebo obecné prostředí, který nabízí odolnost proti atmosférické korozi a spolehlivou nosnost pro konstrukční spoje. Zobrazit produkt →

Nerezová ocel 316 přidává molybden, který zlepšuje odolnost vůči chloridům. Pobřežní instalace, lodní hardware a jakékoli prostředí vystavené silniční soli by měly používat 316 pro upevňovací prvky, protože upevňovací prvek musí vydržet montáž v nejnáročnějších podmínkách. Jako obecné pravidlo, řada spojovacích prvků z nerezové oceli pro projekty se smíšenými kovy by měly být vybírány na základě expozice chloridům, nikoli na předpokladu, že jiný druh hliníku nějak ochrání.

Pro pobřežní instalaci je spárování šestihranné matice 316 se šroubem 316 nejspolehlivější možností, zejména u závitových spojů, které budou časem kontrolovány. Rozdíl v odolnosti proti korozi mezi 304 a 316 v mořské atmosféře je dostatečně významný, aby ospravedlnil vyšší cenu 316.

SS316 M10 šestihranná matice, norma DIN934 Šestihranná matice z nerezové oceli 316 třídy A4-80, navržená pro mořské prostředí a prostředí bohatá na chloridy, poskytuje bezpečné upnutí a dlouhodobou odolnost proti korozi ve spojení se šrouby 316. Zobrazit produkt →

Praktické montážní pokyny

Sestavy se smíšenými kovy selžou, když jsou přeskočeny základy. Následující sekvence se osvědčila pro solární montáž, hardware pro námořní palubu, průmyslové rámy a architektonické hliníkové konstrukce.

1. Před montáží očistěte obě lícující plochy. Tuk, písek nebo vodivé znečištění může vytvořit korozní článek, i když je návrh správný.
2. Nejprve nainstalujte izolační vrstvu. Umístěte nylonovou podložku nebo těsnicí kroužek pod hlavu upevňovacího prvku z nerezové oceli a na dosedací plochu matice.
3. Utáhněte na jmenovitý moment. Nadměrné utahování rozdrtí izolační vrstvu, deformuje hliník a zanechává spoj zranitelný jak vůči galvanické korozi, tak vůči relaxaci napětí.
4. Zkontrolujte po první sezóně expozice. Časná koroze se projevuje jako bílý prášek nebo slabá důlková koroze. Pokud se pak chytí, opravou je výměna podložky a kapka tmelu, nikoli strukturální oprava.

Nic z toho by nemělo odradit inženýry a výrobce od společného používání hliníku a nerezové oceli. Tyto dva materiály fungují dobře jako systém, pokud jsou dodržována výše uvedená pravidla. Hliník koroduje pouze v případě, že galvanický obvod zůstane kompletní a tento obvod lze snadno přerušit.