Алюминий и ортофосфорная кислота реакция

Практические примеры защиты алюминия от коррозии материалами, предлагаемыми НПП НОТЕХ, смотрите по ссылке ЗАЩИТА АЛЮМИНИЯ

Алюминий и его сплавы отличаются хорошей устойчивостью к коррозии в различной окружающей среде. Такое свойство обусловлено высокой химической активностью алюминия – при взаимодействии с агрессивной средой на его поверхности мгновенно образуется инертная оксидная пленка (происходит пассивация металла), которая защищает от коррозии алюминий и его сплавы.

На коррозионную устойчивость алюминия влияет множество факторов:

  • чистота металла (марка АВ1 и АВ2 – высокий показатель чистоты);
  • коррозионная среда;
  • концентрация агрессивных примесей в среде;
  • температура;
  • рН растворов – инертная оксидная пленка образуется только в интервале рН от 3 до 9, она устойчива в водных растворах, в которых уровень рН составляет 4,5 – 8,5.

Атмосферная коррозия алюминия

Алюминий и алюминиевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях благодаря образованию пассивной пленки оксида алюминия (Al2O3), которая защищает поверхность металла от коррозии. Толщина пленки в среднем составляет 0,01-0,04 мкм. При термической обработке алюминия – до 0,1 мкм.

Реакция окисления алюминия:

Водная коррозия алюминия

Пассивированный алюминий не корродирует в дистиллированной воде даже при высоких температурах. Чистый алюминий вступает в реакцию с образованием гидроксида алюминия, которую можно выразить уравнением реакции:

Также корродирует чистый алюминий и в морской воде. Сплавы алюминия с кремнием и магнием устойчивы к коррозии в морской воде. Наличие меди в сплаве значительно снижает коррозийную устойчивость.

Коррозия алюминия в кислотах

Алюминий не устойчив к действию кислот. Исключение – концентрированные азотная и серная кислоты – их окислительные свойства настолько сильны, что при контакте с алюминием он мгновенно пассивируется с образованием инертной оксидной пленки.

Серная кислота средних концентраций вызывает коррозию алюминия:

С концентрированной серной кислотой алюминий вступает в реакцию при нагревании:

При взаимодействии с такими кислотами, как соляная (HCl), бромистоводородная (HBr) и плавиковая (HF), алюминий и его сплавы корродируют:

Концентрированный раствор азотной кислоты при нормальной температуре пассивирует алюминий. Реакция коррозии алюминия под воздействием азотной кислоты при нагревании:

Алюминий достаточно устойчив к уксусной кислоте любых концентраций (до 65 °С). Хромовая и фосфорная кислоты (сильно разведенные), а также лимонная, яблочная, винная, пропионовая кислота не разрушают алюминий при комнатной температуре. В щавелевой, муравьиной и хлорорганических кислотах алюминий поддается коррозии.

Коррозия алюминия в щелочах

Оксидная пленка на поверхности алюминия и его сплавов разрушается под воздействием щелочей, и он вступает в реакцию с водой с выделением водорода и образованием алюминатов:

Силикат натрия или гидроксид аммония не разрушают оксидную пленку.

Языки

Вход на сайт

МИУЗ в соцсетях

Клининговый поиск

Сбор новостей

Коррозия алюминия и его сплавов (док)

Низкая плотность и механическая прочность в сочетании с удовлетворительной стойкостью к коррозии делают алюминий привлекательным конструкционным материалом, который широко используется в строительстве. Однако с химической точки зрения алюминий — один из наиболее реакционноспособных металлов, который активно взаимодействует не только с кислотами и щелочами, но и с водой! Кажущееся противоречие очень просто объясняется: под воздействием кислорода (или других окислителей) поверхность металлического алюминия покрывается прочной, химически устойчивой оксидной пленкой, предохраняющей металл от разрушения. Это явление называется пассивацией. Металл пассивен в том случае, когда при взаимодействии с потенциальным источником коррозии он не подвергается изменениям, и активен тогда, когда агрессивное вещество его разрушает.

Напомним, что коррозией называется процесс разрушения металлов и их сплавов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды.

Металл, стойкий к коррозии в одних условиях, может разрушаться в других. Так, например, алюминий стоек к коррозии, вызываемой жидким топливом, и не стоек к действию натриевой щелочи (так называемое явление пассивности и активности).

Окись алюминия создает химически инертный защитный слой, толщина которого составляет 20—100Å. Алюминий, поверхность которого очищена от защитной пленки, может реагировать с водой, выделяя при этом водород. Под влиянием окислителей поверхность алюминия пассивируется, поэтому кислород, содержащийся в воздухе или растворенный в воде, повышает его коррозионную стойкость.

Коррозионная стойкость алюминия в значительной степени зависит от содержания примесей других металлов. Как известно, при контакте двух металлов, погруженных в среду электролита, образуется гальваническая пара, где более активный металл становится анодом, а менее активный — катодом. В результате электрохимической реакции анод разрушается. Большинство примесей (за исключением металлов, более активных, чем алюминий) играют роль катода по отношению к алюминию, т.е. способствуют его разрушению.

По этой причине алюминий высокой чистоты отличается более высокой коррозионной стойкостью, чем технический металл, который, в свою очередь, более устойчив к коррозии, чем сплавы алюминия. Кроме того, коррозионная стойкость алюминия зависит от характеристик окружающей среды и от реакций, вызываемых этой средой в алюминии.

Механизм коррозии алюминия

В присутствии окислителей поверхность алюминия покрывается защитным слоем окиси алюминия.

Защитный слой, в свою очередь, состоит из двух слоев:

Виды коррозии

Коррозию металлов можно разделить на химическую и электрохимическую.

Электрохимическая коррозия происходит при действии на металл растворов электролитов (т.е. растворов, содержащих носители электрического тока — ионы) и сопровождается возникновением электрического тока.

Читайте также:  Чертежи боевых ножей с размерами

Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих газов, пыли, жидких веществ (не электролитов) и не сопровождается возникновением электрического тока.

Разрушающее действие коррозии всегда начинается с поверхности металла. Затем коррозия распространяется в глубину со скоростью, зависящей от вида металла или сплава, его состава, структуры, характеристик, а также состава и характеристик окружающей среды. Этому процессу чаще всего сопутствуют изменения внешнего вида поверхности: она становится матовой, изменяет цвет, появляются точки, пятна, вздутия и т. д.

В результате взаимодействия алюминия с окружающей средой образуются вещества (продукты коррозии), свойства которых в значительной мере влияют на протекание коррозионных процессов. Рассмотрим возможные разновидности такого влияния:

В зависимости от свойств продуктов коррозии можно выделить следующие разновидности последней:

Электрохимическая коррозия

В техническом алюминии (или в его сплавах) содержатся примеси металлов в виде отдельных вкраплений (магний, титан, железо, марганец и др.)

Благодаря наличию таких вкраплений сплав, погруженный в электролит, представляет собой совокупность большого количества микроскопических гальванических очагов. В результате электрохимической реакции, возникающей в этих очагах, металл, выступающий в роли анода (а в нашем случае это основной компонент сплава, алюминий), растворяется, в то время как на микрокатодах выделяется водород (рис. 2).

Такие микроисточники коррозии по своей природе являются обычными гальваническими элементами и отличаются:

Процесс электрохимической коррозии не всегда является результатом возникновения микроскопических гальванических элементов. В ряде случаев очаги коррозии имеют "видимые" (макроскопические) размеры.

Механизм электромеханического коррозионного разрушения для разной величины поверхности катода (сталь) и анода (алюминий) представлен на рис. 3.

Атмосферная коррозия

Атмосферной коррозией называют процесс разрушения металлов на воздухе в результате происходящих на их поверхности химических и электрохимических реакций. Это наиболее распространенный пример разрушения металлов.

Основной причиной атмосферной коррозии является тонкий слой влаги, который образуется на поверхности металла, если его температура находится ниже точки росы. С понижением температуры или при увеличении содержания водяного пара в воздухе излишек пара оседает в виде капель воды.

Если поверхность негладкая, покрыта пылью и слоями продуктов коррозии, то значительно раньше достижения точки росы во всех углублениях, порах и трещинах конденсируется пар и образуется слой воды.

Некоторые газообразные вещества, содержащиеся в атмосфере, такие как оксиды азота, серы, хлорид водорода и другие, растворяются в конденсированной влаге, образуя кислоты. Поскольку растворимость этих веществ в воде очень высока, они концентрируются в слое воды даже тогда, когда их содержание в воздухе сравнительно невелико.

Скорость коррозии зависит как от характеристик коррозионной среды (внешних факторов), так и от характера самого металла (внутренних факторов).

К внешним факторам относятся:

К внутренним факторам относятся:

Влияние атмосферы на процесс коррозии зависит от климатической зоны, уровня развития промышленности в регионе и загрязненности атмосферы. Наиболее существенными факторами, определяющими коррозионные свойства атмосферы, являются содержание пыли, газов, влажность и температура.

Влиянием этих факторов объясняется различная скорость процесса коррозии в различных точках земного шара. Например, чем ближе к морю, тем больше в воздухе морских солей, ускоряющих коррозию, особенно NaCl. В регионах, где много промышленных объектов, в воздухе много таких соединений, как SO2.

Отметим, что скорость коррозии на воздухе, как правило, значительно ниже, чем в пресной воде или почве. Атмосферную коррозию можно разделить на сухую, влажную и морскую.

Сухая (газовая) атмосферная коррозия проходит в условиях полного отсутствия влаги на поверхности металла. Этот вид коррозии протекает очень медленно. Если в атмосфере содержатся агрессивные газы, то скорость коррозии значительно ускоряется.

Влажная атмосферная коррозия протекает в слое электролита малой толщины. Скорость процесса зависит от влажности воздуха, атмосферных загрязнений и гигроскопичности продуктов коррозии: если эти вещества задерживают влагу на поверхности металла, скорость коррозии возрастает.

Морская атмосферная коррозия. В регионах с морским климатом в состав атмосферы входит большое количество солей, на поверхности металла собираются капли морской воды, соли и другие загрязнения, ускоряющие коррозию.

Взаимодействие алюминия и его сплавов с другими металлами и сплавами

В среде электролита два различных металла, соприкасающиеся между собой или соединенные проводником, образуют гальванический элемент, в котором генерируется электрический ток. Направление движения электронов в гальваническом элементе определяется величинами электродных потенциалов металлов, значения которых приведены в таблице 1. Электроны движутся от металла с более высоким потенциалом (анода) к металлу с низшим потенциалом (катоду). В такой ситуации металл с высоким потенциалом (и большей химической активностью) разрушается.

Таблица 1.

Реакция на
электродах

Стандартный
потенциал
окисления

Ca=Ca 2+ +2e – +2.87 Кальций Mg=Mg 2+ +2e – +2.37 Магний Al=Al 3+ +3e – +1.66 Алюминий Ti=Ti 2+ +2e – +1.63 Титан Mn=Mn 2+ +2e – +1.18 Манганин Zn=Zn 2+ +2e – +0.76 Цинк Cr=Cr 3+ +3e – +0.74 Хром Fe=Fe 2+ +2e – +0.44 Железо Cd=Cd 2+ +2e – +0.40 Кадмий Ni=Ni 2+ +2e – +0.25 Никель Sn=Sn 2+ +2e – +0.136 Олово Pb=Pb 2+ +2e – +0.126 Свинец H2=2H + +2e – 0.000 Водород Cu=Cu 2+ +2e – -0.337 Медь Cu=Cu + +e – -0.521 Медь 2Hg=Hg2 2+ +2e – -0.789 Ртуть Ag=Ag + +e – -0.800 Серебро Hg=Hg 2+ +2e – -0.854 Ртуть Au=Au 3+ +3e – -1.50 Золото

В таблице 1 представлены значения стандартных электродных потенциалов (электрохимический ряд напряжений) для элементов, которые входят в состав алюминиевых сплавов или металлических соединений, использующихся в алюминиевых конструкциях.

Интенсивность коррозии, возникающей при соединении двух металлов, зависит от их расположения в ряду напряжений (разности потенциалов), от соотношения площади поверхности и уровня их поляризации.

Читайте также:  Станок для шпоночных пазов

Чем больше разность потенциалов в гальваническом элементе, тем выше напряжение и тем интенсивнее разрушается анод. Значения потенциалов, приведенные в электрохимическом ряде напряжений, определены для стандартных условий (температура 25°С и единичная активность ионов в растворе электролита). Нужно учитывать, что в зависимости от состава электролита эти значения могут меняться. Так, например, в щелочных растворах алюминий корродирует значительно сильнее, чем в кислых.

Цинк, потенциал которого близок к потенциалу алюминия, может использоваться для непосредственного контакта с алюминием. Если такой контакт происходит в нейтральных и кислых средах, цинк выполняет функцию анода и поэтому защищает катодный алюминий от коррозии. Однако в щелочных средах, наоборот, активность алюминия возрастает, поэтому цинк ускоряет коррозию алюминия.

При контакте стальных оцинкованных деталей (шурупов и т.д.) с алюминием слой цинка вначале обеспечивает защиту алюминия, но после стирания цинка стальная поверхность становится открытой, что может привести к коррозии алюминия. В контакте с алюминием рекомендуется применение стали, оцинкованной горячим методом, поскольку в этом случае толщина покрытия больше, чем при электролитической оцинковке.

Ни в коем случае алюминий не должен соединяться с медью и ее сплавами, поскольку это приводит к быстрой коррозии алюминия (так называемой "катастрофической коррозии"). В связи с этим в алюминиевых конструкциях недопустимы всякого рода элементы и дополнения из меди.

По этой же причине не следует допускать влияния на алюминий дождевой воды, которая стекает с медных крыш и труб непосредственно на алюминиевые конструкции, даже тогда, когда она содержит небольшие количества ионов меди.

Следует также избегать контакта с оловом и его соединениями, особенно в атмосфере, загрязненной промышленными отходами. Соли олова, образующиеся в кислой среде, сильно разрушают поверхность алюминия.

Свинцовый сурик, при наличии влаги, содержащей кислоту, проявляет сильную коррозионную активность. Поэтому при контакте с алюминием следует избегать стальных элементов, покрытых свинцовым суриком.

Ртуть и ее соли уже в присутствии следов влаги вызывают сильную коррозию алюминия. В этом случае процесс коррозии усиливается благодаря образованию амальгамы: амальгамированный алюминий интенсивно взаимодействует с водой в даже отсутствие кислот и щелочей! Поэтому при складировании алюминиевых профилей даже пары ртути (из разбитой лампочки) могут привести к мгновенной коррозии.

Соединение алюминия и стали допустимо в сельской местности, но на приморских и промышленных территориях сталь ускоряет коррозию алюминия. Поэтому при контакте стали и алюминия необходимо избегать их непосредственного контакта, например, путем оцинковки стали, покраски алюминия с одновременным использованием изолирующих прокладок из синтетических материалов.

При соединении железа, никеля и хрома с алюминием возникает значительная разность потенциалов, поэтому их не следует соединять непосредственно друг с другом. Кроме того, соли этих металлов (хлориды, сульфаты и т. д.), которые образуются в результате их коррозии, также способствуют разрушению алюминия.

Химическая коррозия

Процесс химической коррозии протекает при воздействии сухих газов, жидких неэлектролитов и других материалов (в том числе и строительных) на алюминий.

В результате химической коррозии на поверхности алюминия образуется защитный слой, состоящий из продуктов коррозии и препятствующий взаимодействию агрессивных веществ с металлом. Скорость и вид химической коррозии определяет процесс диффузии агрессивного вещества через защитный слой.

Как мы упоминали ранее, слой окиси алюминия возникает на поверхности в результате окисления металла кислородом воздуха. На воздухе в отсутствие влаги толщина этого слоя в течение нескольких минут достигает 10 Å.

Химическая стойкость сплавов алюминия

В дистиллированной воде алюминий проявляет очень хорошие показатели стойкости к коррозии при любой температуре.

Дождевая вода может разрушать алюминий, если в атмосфере содержится значительное количество промышленных газов. Растворяясь в воде, это газы (SO2, NO2, хлороводород и т.д.) образуют кислоты, разрушающие алюминий. Поэтому во избежание коррозии алюминиевые конструкции следует проектировать так, чтобы свести до минимума скапливание дождевой воды на поверхности металла.

Водопроводная вода действует на алюминий по-разному, в зависимости от содержащихся в ней примесей. В кислых или щелочных водах алюминий может подвергаться коррозии. Процесс коррозии ускоряют ионы хлора или тяжелых металлов, содержащиеся в водопроводной воде.

Промышленные сточные воды вызывают очень сильную коррозию, которую ускоряют ионы тяжелых металлов.

Водород, азот и благородные газы (гелий, аргон, неон, криптон, ксенон) не действуют на алюминий даже при повышенных температурах.

Галогены (хлор, бром, йод, фтор) в отсутствие влаги не действуют на алюминий. При взаимодействии с водой они образуют кислоты, агрессивные по отношению к алюминию.

Сухие хлороводород, бромоводород, йодоводород, фтороводород не действуют на алюминий. Но водные растворы этих газов — кислоты, активно разрушающие алюминий.

Сероводород не разрушает алюминий при температуре до 500°С.

Двуокись серы в отсутствие водяного пара не разрушает алюминий (до 400°С), хотя при наличии влаги вызывает коррозию. Аналогично действует и триокись серы.

Аммиак в газообразном состоянии не действует на алюминий даже при высоких температурах.

Оксид углерода СО разрушает алюминий только при температуре свыше 550°С.

Углекислый газ ведет себя аналогично СО. В воде углекислый газ образует угольную кислоту, не вызывающую значительных коррозионных разрушений.

Неорганические соединения

Алюминий не стоек к действию кислот. Исключение составляют концентрированные азотная и серная кислоты — их окислительные свойства настолько сильны, что при контакте с алюминием на его поверхности образуется прочный слой оксида алюминия, препятствующий дальнейшему разрушению металла (поэтому концентрированную азотную или серную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах). Разбавленная азотная или серная кислота — более слабый окислитель — энергично реагирует с алюминием.

Читайте также:  Светодиодные светильники для дома потолочные неисправности

В кислотах алюминий растворяется тем хуже, чем меньше содержит дополнительных примесей. Следует помнить, что анодное окисление не защищает от воздействия кислот, поскольку они разрушают слой Al2O3. Химическая активность кислот увеличивается с ростом температуры. Например, с возрастанием температуры на 10°С скорость коррозии удваивается. Увеличение концентрации кислоты, как правило, увеличивает скорость коррозии (концентрированные серная и азотная кислоты — исключение).

Соляная кислота вызывает сильную коррозию. Действие этой кислоты нельзя ослабить добавлением ингибиторов.

Фтороводородная кислота оказывает самое сильное влияние на алюминий. Даже непродолжительное взаимодействие разбавленной кислоты ведет к полному растворению алюминия.

Кислородсодержащие кислоты хлора (HClO4, HClO3, HClO) вызывают сильную коррозию алюминия.

Серная кислота вызывает равномерную коррозию алюминия, интенсивность которой зависит от концентрации. Разбавленная кислота средней концентрации при комнатной температуре отличается умеренной агрессивностью. Наиболее агрессивна кислота концентрации 80%. Некоторые вещества, входящие в состав алюминиевых сплавов, а также ионы, содержащиеся в воде (особенно фториды и хлориды), усиливают действие серной кислоты.

Сернистая кислота вызывает локальную коррозию алюминия.

Сера и халькогены (селен и теллур) на алюминий не действуют.

Фосфорная кислота разрушает алюминий умеренно или сильно (в зависимости от концентрации).

Мышьяк при комнатной температуре не действует на алюминий.

Мышьяковая кислота (H3AsO4) и окись мышьяка сильно разрушают алюминий, а мышьяковистая кислота (H3AsO3) без нагревания на него не влияет.

Азотистая кислота (HNO2) при комнатной температуре не действует на алюминий.

Азотная кислота (HNO3) воздействует на алюминий по-разному, в зависимости от концентрации. Разбавленные растворы интенсивно разрушают алюминий. В концентрированных растворах вследствие окислительных процессов поверхность алюминия пассивируется и коррозия замедляется. Наиболее сильную коррозию вызывает кислота концентрацией 10-60%. Действие азотной кислоты приводит к равномерной коррозии. С увеличением чистоты алюминия возрастает его стойкость к коррозии. Наличие в составе слава примесей меди, кремния, магния усиливает воздействие азотной кислоты.

Существует масса разновидностей флюса, которые помогают бороться с основными проблемами во время пайки металлов. Ортофосфорная кислота для пайки является достаточно распространенным видом флюса. Она также применяется для очищения металлических деталей от ржавчины последующей защит, так как после ее воздействия на металле появляется защитная пленка, которая помогает защитить от образования коррозии и прочих негативных явлений. Это неорганическое вещество, формула которого выглядит как Н3РО4. При стандартных условиях она имеет вид бесцветных гигроскопичных кристаллов. Если вещество нагреть выше 213 градусов Цельсия, то оно превратится в пирофосфорную кислоту, формула которой является Н4Р2О7.

Когда ортофосфорная кислота применяется для пайки, то ее чаще всего используют для соединения низколегированных и углеродистых сталей, меди, а также сплавов данных материалов. Механизм действия вещества относительно прост, так как флюс растворяет оксидную пленку, которая образуется на металле основного материала и на припое. Она разрыхляется и всплывает на поверхности флюса. После этого в зоне расчистки создается защитная пленка, которая не дает поверхности вновь окисляться. Все остатки вещества можно смыть при помощи воды. Все это подробно показывает, для чего нужна кислота при пайке.

Этот флюс может послужить, когда идет пайка нержавейки, а также никеля и его сплавов. Он имеет практически универсальное применение, так как может работать с черными металлами. Канифоль для пайки не обладает столь широким спектром действия, а также кислотой намного легче паять. Но в то же время кислотой не стоит паять контакты, так как она будет попросту съедать материал. Ортофосфорная кислота может растворяться этаноле и прочих растворителях. Помимо этого вещество используется еще в ряде промышленных направлений. Производство осуществляется согласно ГОСТ 10678-76.

Разновидности ортофосфорной кислоты

Ортофосфорная кислота делится по двум основным направлениям, которые касаются ее применения. Это может быть:

  • Пищевая промышленность. Данная разновидность используется при производстве продуктов питания. К примеру, она может выступать регулятором кислотности газированных напитков. Также она может стать подкислителем для плавленых сырков и сыров. Ее применяют во время производства колбасы, во время хлебопечения, как один из компонентов разрыхлителя, при изготовлении сахара и прочих процедурах. В пищевой промышленности это обозначается как антиоксидант Е338.

  • Техническая промышленность. Это широкий спектр областей использования, так как это может быть кислота для пайки радиаторов в ремонтной сфере, сельское хозяйство, ремонтные мастерские и многое другое.

Состав и физико-химические свойства

Внешне кислота выглядит как светло-желтый раствор или бесцветная масса. Доля хлористого цинка в общей массе составляет минимум 50%. Нерастворимый осадок вещества не должен превышать 0,001% от общей массы вещества. Возможны добавления аммиака, примерно, 0,5%. Исходя из представленной формулы вещества Н3РО4, можно сделать вывод, что это трехосновная кислота, которая имеет среднюю силу. Если она будет взаимодействовать с более сильными кислотами, то будет проявлять признаки амфотерности, а также образовывать фосфорита. При контакте с водой, она проходит через электролитическую диссоциацию.

Вещество нельзя назвать безопасным, так что во время пайки желательно применять средства индивидуальной защиты, чтобы исключить попадание на кожу и глаза. Кислота очень хорошо растекается по основному материалу и обеспечивает высокую эффективность спаивания. Это относительно агрессивная среда, так что при взаимодействии с тонкими контактами или другими деталями, она может оказать негативное влияние на материал. Паяльная кислота или ортофосфорная кислота лучше всего проявляет свои свойства во время спаивания металлов с высокой температурой плавления. Она одинаково хорошо взаимодействует как с черными, так и цветными металлами. Материал хорошо растворяется в воде.