Aluminium en enkele verschijningsvormen van corrosie

Aluminium (Al) komt als element op de tweede plaats van de meest voorkomende metalen in de aardkorst. Ondanks dat aluminium in ruime mate aanwezig is, kon het pas omstreeks 1930 op commerciële schaal worden gewonnen. De reden hiervan is de zeer grote affiniteit van aluminium met zuurstof.


J. Noordzij -  (artikel gepubliceerd in Aluminium nummer 1, 1997- artikel 12)


In de natuur komt aluminium alleen voor als verbinding met name als hydroxide en silicaat zoals mineraal bauxiet. Bauxiet heeft als samenstelling : 55% Al2O3; 25% Fe2O3; 7% SiO2; 10% H2O en 3% andere verbindingen waaronder TiO2. De bereiding van aluminium uit Al2O3 vindt plaats door middel van een elektrolyseproces, waarvoor veel energie nodig is. De wereldproductie van aluminium bedraagt circa 107 ton per jaar.


Enkele belangrijke fysische eigenschappen van aluminium zijn:
 

• atoomnummer 13
• atoomgewicht 27
• smeltpunt 658 °C
• soortelijke massa 2. 7 g/cm3
• uitzettingscoëfficiënt 24.10-7°C (20-100°C)
• hoog reflectievermogen
• goede corrosiebestendigheid

Zuiver aluminium is een zacht materiaal. De treksterkte en de andere mechanische eigenschappen kunnen worden verbeterd door legeren met magnesium, silicium, mangaan, koper en zink. De vele aluminiumlegeringen die er momenteel bestaan worden aangeduid met een combinatie van letters en cijfers. Van harmonisatie in de aanduiding is echter nog geen sprake, zodat er voor velen onduidelijkheid bestaat.  Zoals eerder genoemd is aluminium goed bestand tegen corrosie in niet al te agressieve milieus (zowel basisch als zuur); de zuurgraad (pH) moet dan wel binnen de grenzen blijven van 4 < pH < 8.5. Bij een andere zuurgraad zal de corrosiesnelheid hoger zijn. In eerste instantie zou men dit niet verwachten aangezien aluminium in hoge mate onedel is. Aluminium heeft een negatieve elektrochemische potentiaal ten opzichte van de meeste andere metalen en hun legeringen. Slechts beryllium en magnesium zijn minder edel. De condities vooreen thermodynamisch stabiel gedrag van aluminium met een oxidehuid is weergegeven in het Pourbaix-diagram (afb. 1). Uit het diagram kan worden afgeleid op welke wijze het aluminium met een oxidehuid zich gedraagt, bij verschillende pH-waarden (zuurgraad) en potentiaalwaarden (elektrochemische 'corrosie' potentiaal).



Afbeelding 1. Het Pourbaix-diagram voor aluminium met een A2O3. 3H2O-laag bij 25°C.


Toch is aluminium goed bestand tegen onder andere atmosferische corrosie. Dit is te danken aan een zeer dunne, tamelijk dichte en goed hechtende oxidehuid van Al2O3, die zich op blank aluminium in de lucht onmiddellijk vormt. De oxidehuid is doorzichtig, zodat de kleur van het onderliggende aluminium zichtbaar blijft. De dikte van het huidje bedraagt circa 0.01 μm. Een Al2O3 huid van deze natuurlijke dikte is vaak toch nog iets poreus, zodat in enigszins reducerende milieus putvormige aantasting kan optreden. In het algemeen verstoppen de corrosieproducten deze poriën, zodat de corrosiesnelheid meestal afneemt of zelfs nul wordt. Onzuiverheden in het aluminium veroorzaken defecten in de oxidehuid (niet-gesloten huid) en verminderen daarmee de corrosievastheid.  Het is mogelijk om chemisch of elektrolytisch, een kunstmatige oxidehuid met een dikte tot circa 50 μm aan te brengen (anodiseren). Hierdoor neemt de corrosieweerstand toe. Omdat deze oxidehuid een vrij hoge hardheid heeft (ca. 400 kg/mm2 ) neemt tevens de weerstand tegen slijtage toe.

VERSCHIJNINGSVORMEN VAN CORROSIE

Enkele bekende verschijningsvormen van corrosie zijn:
 

• Algemene corrosie - Kenmerk: Een gelijkmatige aantasting over het gehele oppervlak. In het algemeen noemt men aluminium of een aluminiumlegering goed bestand tegen algemene corrosie bij een aantasting < 0,013 mm/jaar en niet bestand bij een aantasting> 1,33 mm/jaar.
• Putcorrosie - Kenmerk : Plaatselijke aantasting door putvorming. De putvormige aantasting kan optreden door onzuiverheden in het aluminium zoals uitscheidingen met name door ijzer-en titaanverbindingen. Pitting kan ook van buitenaf worden geïnduceerd, zoals door chloride-ionen of door verontreinigingen van zware metalen (in bijv. koelwater) zoals Fe, Zn, Cu en Ni. Deze metalen zetten zich af op het aluminium oppervlak en vormen dan een lokaalelement, waardoor in het algemeen het onedele lokaalelement (aluminium) in oplossing gaat.
• Interkristallijne corrosie - Kenmerk: Aantasting langs de korre/grenzen. Bepaalde legeringen zijn hiervoor gevoelig: Al-Cu-legeringen en AlMg-(Si)-legeringen. Vaak is de interkristallijne corrosie te wijten aan een onjuist uitgevoerde warmtebehandeling. De oorzaak is dan ook (meestal) te vinden in gevormde uitscheidingen langs/op de korrelgrenzen.
• Spanningscorrosie - Kenmerk: Aantasting eveneens meestal langs de korrelgrenzen. Voorwaarde voor spanningscorrosie is de aanwezigheid van trekspanningen in het materiaal. Al-legeringen met een hoog percentage Mg en de Al-Zn-Mg-legeringen zijn gevoelig voor spanningscorrosie. Dit wordt vaak veroorzaakt door de aanwezigheid van uitscheidingen langs/op de korrelgrenzen in combinatie met aanwezige trekspanningen en het corrosieve milieu. Men kan de gevoeligheid van aluminium (-legeringen) voor spanningscorrosie verminderen door een juiste warmtebehandeling uit te voeren (spanningsarmgloeien).
• Filiforme corrosie - Een minder bekende vorm van corrosie is filiforme corrosie. Deze corrosievorm treedt op onder coatings in de vorm van willekeurig georiënteerde, fijne filamenten (draadvormige structuur). Waarschijnlijk vanwege het wormvormige uiterlijk, wordt filiforme corrosie ten onrechte wel als een vorm van biologische corrosie bestempeld. Bij aluminium treedt deze corrosievorm op wanneer het oppervlak is bedekt met een organische, dunne coating en deze wordt geëxposeerd aan een atmosfeer met een relatief hoge luchtvochtigheidsgraad (65-90 %). Hoewel de temperatuur van ondergeschikt belang is op de vorming van filiforme corrosie zal in het algemeen de groeisnelheid toenemen bij een hogere temperatuur. De aanwezigheid van zuurstof is absoluut noodzakelijk bij filiform corrosie.

Onder de coating ter plaatse van de initiatie van de filiforme corrosie treden zuurstofconcentratieverschillen op. Bovendien is aan de uiteinden van de draadvormige aantastingen (filamenten) een aanzienlijke verhoging van de zuurgraad; in de literatuur vindt men waarden tussen pH 1,5 en pH 2,5, met in het aanwezige elektrolyt grote
chlorideconcentraties. De chlorides zijn afkomstig uit de vochtige atmosfeer en door de geringe afmetingen van de chloride-ionen penetreren/diffunderen deze eenvoudig door de coating heen. De gevormde corrosieproducten zijn vaak gelvormig en melkachtig van kleur. Een typisch voorbeeld van filiforme corrosie is gegeven op afbeelding 2. De groeisnelheid (= corrosiesnelheid) van een filament bedraagt gemiddeld 0.1 mm/dag. De penetratiediepte is daarentegen zeer gering(± 15 µm).



Afbeelding 2. Filiforme corrosie van aluminium lamellen. De corrosie heeft de lamellen volledig gepenetreerd. Vergroting= 6 x.



Om de kans op filiforme corrosie te verkleinen zijn de volgende maatregelen mogelijk:
 

• verlaging van de relatieve vochtigheid tot onder 60%
• het toepassen van het multi-coating systeem

Metaaloppervlakken waarop vooraf bij het aanbrengen van een organische coating eerst een fosfaathoudende coating of chroomhoudende coating is aangebracht zijn minder gevoelig voor filiforme corrosie. Het aanbrengen van dergelijke lagen is echter geen garantie dat filiforme corrosie niet optreedt. Vanzelfsprekend zou het achterwege laten van een coating een goede oplossing zijn om filiforme corrosie te voorkomen. In de meeste gevallen zal dit niet mogelijk zijn, tenzij men een andere materiaalkeuze toepast. Toch is uit een recent onderzoek gebleken, dat ook onbewust coatings op aluminiumoppervlakken zich kunnen vormen, waarvan hieronder een voorbeeld is gegeven.



Praktijkvoorbeeld

De lucht in een pakhuis moet worden gekoeld van 13°C naar 8°C om op deze manier de luchtvochtigheid te verlagen. Het koelen vindt plaats door de vochtige lucht door een luchtbehandelingskast te leiden. Hiertoe zijn in de kast een aantal koelerblokken ingebouwd bestaande uit een groot aantal roestvast stalen pijpen met aluminium vinnen. Deze gevinde pijpen worden regelmatig behandeld met een vloeibaar product om vuilophoping en bacteriegroei tegen te gaan. Echter door het op onregelmatige tijdstippen schoonmaken kon zich op het oppervlak van de aluminium vinnen een dunne gel-achtige coating vormen. Aangezien de luchtvochtigheid in de luchtbehandelingskast tot 100% oploopt kon zich onder de gevormde coating filiform corrosie vormen (afb. 2). De toepassing van een gel-vormend product heeft hier dus uiteindelijk geleid tot corrosie. Regelmatig reinigen van de blokken (verwijderen van de gevormde gel-coating) had deze corrosie kunnen voorkomen.  Niettegenstaande de geringe corrosieweerstand van aluminium kan deze groep materialen door een juiste keuze van legeringtype en oppervlaktetoestand toch veel worden toegepast. Kennis van het corrosiegedrag in de diverse milieus is hierbij essentieel.