铝是地球上第二丰富的金属元素。据估计,地壳的8%是由铝组成的,通常在地球上发现铝土矿的形式。从量来看,铝已成为使用最广泛的材料有色金属.
原铝产量是指在特定时期内生产的原铝的数量,以及从罐中抽出的熔融或液态金属的数量,在转移到保温炉或进一步加工之前称量。
根据国际铝业协会,生产了541.4万吨铝2019年3月全球。
铝的化学性质和铝的腐蚀
铝是AN两性可以与酸性和碱性物质反应。刚生产出来的铝具有很高的活性,能与水和/或空气自发反应,立即形成一层薄薄的氧化铝(氧化铝)表面上。这是原因之一铝阳极被用作牺牲阳极为阴极保护(CP)系统。
铝在腐蚀性环境中的良好性能是由于铝的抗腐蚀性能被动由这种保护性的氧化膜.保护膜是电绝缘体,但具有较高的绝缘体强度热导率(30 Wm-1K-1).
氧气的影响腐蚀的铝加速了腐蚀过程。在高浓度的溶解氧,特别是在酸性溶液中。在…的情况下真空解决方案,腐蚀速率速度非常慢。(了解更多关于计算腐蚀速率的文章腐蚀速率转换:在普通腐蚀单元之间转换数据的简单方法.)
氧化铝在氧气存在下的化学式是:
4 + 3 o2——> 2 al2O3.
以下是铝和水可能发生的反应:
2 + 6 h2O - > 2 al (OH)3.+ 3 h2
2 + 4 h2O - > 2ALO(OH)+ 3H2
2 + 3 h2O - > 22O3.+ 3 h2
从室温到铝的熔点660°C(1220°F),所有这些反应都是热力学上有利的。所有人都是高度的放热.从室温到280°C(536°F),铝(OH)3.是最稳定的产物,而在280-480°C(526-896°F)时,AlO(OH)是最稳定的产物。高于480°C(896°F),铝2O3.(氧化铝或氧化铝)是最稳定的产品。
氧化铝膜的形成
在正常大气条件下,氧化膜由两层组成(图1)氧化层靠近金属底座的是紧凑型非晶屏障层的厚度仅由环境温度决定;在氧气、干燥空气或潮湿空气中,极限屏障的厚度是相同的。覆盖的屏障层更厚,更厚渗透水合氧化物外层。
图1所示。在铝上形成的被动氧化膜示意图。
氧化膜的热力学稳定性条件用Pourbaix图(图2)。作为图示,铝仅在大约4到9的pH范围内被动;根据温度的限制。在较高的温度下,氧化膜可以由铝旁边的薄无定形阻挡层组成,并且在阻挡层旁边的较厚的晶体层(勃姆石,氧化铝氢氧化物ALOOH)。在较低的温度下,通过腐蚀产生的主要形式是八铁矿和氧化铝Trihydroxide Al(OH)3..因为产生的氧化铝的形式取决于腐蚀条件,它的识别有时有助于确定腐蚀的原因。
图2。铝的Pourbaix图显示了铝在25°C下的腐蚀、免疫和钝化区域。
铝在其钝化范围(pH值范围为4至9)之外,在水溶液中腐蚀,因为它的氧化物可溶于许多酸和碱。当这一层与氯它产生一个反应,释放出氢气,生成六氯化二铝(AlCl3.).在水的条件下,它形成酸雾,破坏保护层,最终的结果是各种形式的腐蚀,如缝隙腐蚀,晶间腐蚀,电化学腐蚀等。
如果这种氧化物薄膜损坏了,它可以被改造(re-rust)立即在大多数环境中,并继续保护铝不受腐蚀,但当膜被删除或损坏的条件下,不能发生自我修复,然后腐蚀发生。(发现自我修复的金属氧化物自我修复金属氧化物作为防腐蚀方法的研究.)
研究了在环境压力和低温条件下金属表面氧化膜的生长由卡布雷拉和莫特详述.在它们的模型中,来自金属的电子穿过不断增长的氧化物,形成阴离子表面有氧气氧负离子和金属正离子阳离子在氧化物下方产生所谓的莫特电势。
Mott电势降低了氧阴离子和/或金属阳离子通过氧化物的迁移障碍。因此,生长速度增加,并且开始时非常快。然而,随着氧化物厚度的增加,Mott电势的附加效应减小,当这种效应太小而不能显著影响离子输运时,氧化物停止生长,达到极限厚度.
一些研究人员已经证明,氧化铝层在铝金属上可以达到约4nm的厚度在环境温度下在空气中形成。考虑到环境条件,氧化铝层会表现出不同的生长速率.
氧化铝的应用和用途
的主要用途特种氧化铝在耐火材料,陶瓷,抛光和磨料应用程序。大吨位也用于制造沸石、涂层钛颜料以及作为防火/抑烟剂。
铝及其合金的应用和用途
铝的大多数应用合金有一种或多种元素的添加物,可以改善所产生的材料的机械、物理和化学性能。与铝一起使用的主要合金添加剂有铜、锰、硅、镁和锌.这些元素的总量可以构成合金成分的10%(%重量)。铝及其合金是非磁性的高导电性,热导率高,高反射率和非催化行动。
铝合金腐蚀
不含铜作为主要合金成分的普通铝合金能抵抗未污染的海水。在变形合金中,5XXX系列(以镁为主要合金元素的铝合金)具有最高的耐海水性能,考虑到它们的其他可取特性,它们是在海洋应用中应用最广泛的。
铝合金腐蚀在海水中主要是点蚀型的,这可以从它的盐度和足够的溶解氧作为阴极反应物使合金极化到它们的预期点蚀电位.
作为阶级的铝基合金对普通的户外暴露条件具有高度抗性。含有铜作为主要合金化成分(超过1%)的合金比其它铝基合金有些较小,而镀铝合金通常是最耐腐蚀的。
的铝合金在土壤中的腐蚀作用取决于土壤的成分和气候条件.在干燥、沙质土壤中,腐蚀可以忽略不计,但在潮湿、酸性或碱性土壤中,腐蚀可能是严重的。
大多数气体在无水和室温或室温附近时,对铝基合金几乎不起作用或根本不起作用。在水的存在下,酸性气体,如HCl和HF是腐蚀性的,和湿的SO2导致腐蚀。硫化氢,氨和卤代烃在水上和室温下或略高于室温或略微上,在铝基合金的作用具有可忽略的作用。然而,甲基氯和甲基溴具有腐蚀性不得与铝基合金接触使用。
接近干燥或接近沸点的苯酚和四氯化碳对铝合金有很强的腐蚀性。这种行为可以通过存在微量水来防止。
金属汞对铝的作用是独一无二的。它易于在室温下与铝混合,在有水分的情况下产生非常高的腐蚀速率,并产生大量柱状腐蚀产物。
电流流动是铝腐蚀的一个原因
铝腐蚀的原因和形式与铝与铝之间的电流流动有关阳极和阴极地区。这种情况下的腐蚀强度取决于两个区域的电位差异,这是由于制造、焊接和其他连接方法造成的微观组织缺陷。合金材料的电势差异进一步增强了这种效应(合金从来都不是完全均匀的,所以在一些微观区域,合金材料的数量会稍微大一些)。(详情请参见铝及其合金的腐蚀性能.)
铝及其合金的腐蚀形式可以是下列任何一种: