Reaksjon av aluminium og rustfritt stål: Hvordan forhindre galvanisk korrosjon

På en solfarm fortalte vedlikeholdsjournalene en kjent historie. Hvite, kalkholdige avleiringer spredte seg rundt rustfrie stålbolter på monteringsskinner i aluminium, og groper hadde begynt under hvert bolthode. Dette er reaksjonen av aluminium og rustfritt stål i praksis, og det er en av de vanligste årsakene til for tidlig svikt i sammensetninger av blandet metall. Reaksjonen betyr ikke at de to metallene aldri kan brukes sammen. Det betyr at skjøten må utformes med en klar forståelse av galvanisk korrosjon, som er nøyaktig hva denne artikkelen gir.

Hva reaksjonen av aluminium og rustfritt stål faktisk er

Reaksjonen av aluminium og rustfritt stål er en form for galvanisk korrosjon, også kalt bimetallisk korrosjon. Når de to metallene er i elektrisk kontakt og begge utsettes for en elektrolytt, enten det er sjøsprøyt, regnvann, kondens eller ganske enkelt vedvarende fuktighet, danner de et galvanisk par. Aluminium, det mindre edle metallet, blir anoden og begynner å frigjøre metallioner. Rustfritt stål, det mer edle metallet, blir katoden. Elektroner beveger seg fra anoden til katoden gjennom den metalliske forbindelsen, og elektrolytten fullfører den elektriske kretsen. Resultatet er at aluminium korroderer langt raskere enn det ville gjort alene.

Dette er ikke et kjemisk angrep fra rustfritt stål på aluminium. Det rustfrie stålet fungerer ganske enkelt som en stor, effektiv katode som akselererer den naturlige korrosjonen til aluminiumet. De synlige tegnene er karakteristiske: hvite eller grå korrosjonsprodukter på aluminiumsoverflaten, groper rundt festehodet eller skiven, og, i alvorlige tilfeller, et gradvis tap av klemkraft når aluminiumet mister tykkelse.

De tre forholdene som må være tilstede

Galvanisk korrosjon er ikke automatisk. Det krever tre samtidige forhold, og å fjerne en av dem stopper reaksjonen.

• Elektrisk kontakt. De to metallene må kobles sammen gjennom en ledende bane. En bolt i rustfritt stål drevet inn i en aluminiumsskinne, eller en aluminiumsbrakett fastklemt av en rustfri stålmutter, gir akkurat den banen.
• En elektrolytt. En ledende væske må bygge bro mellom de to overflatene. Saltvann er den mest aggressive elektrolytten, men regnvann, kondens og til og med fuktighet absorbert under et belegg kan drive reaksjonen med en meningsfull hastighet.
• En forskjell i elektrokjemisk potensial. Metalllene må være forskjellige i deres tendens til å korrodere. Aluminium og rustfritt stål skiller seg med omtrent en halv volt i sjøvann, noe som er mer enn nok til å opprettholde betydelig korrosjon.

Den praktiske konsekvensen er enkel: Hold metallene tørre, hold dem elektrisk adskilt, eller aksepter at aluminiumet vil korrodere. Hver effektiv forebyggingsmetode angriper en av disse tre tilstandene.

Hvorfor aluminium alltid er offermetallet

Hvert metall har en posisjon på den galvaniske serien, som rangerer materialer etter deres korrosjonspotensial i et gitt miljø. I sjøvann sitter rustfritt stål godt over aluminium. Det betyr at rustfritt stål er katoden og aluminium er anoden når de to er koblet sammen i en våt sammenstilling.

En nyanse er verdt å vite. Rustfritt stål er bare edelt mens det passive oksidlaget er intakt. Inne i en oksygenfattig sprekk, for eksempel gapet under et bolthode eller mellom tett fastklemte overflater, kan rustfritt stål miste sitt passive lag og bli aktivt. Det er grunnen til at sprekkkorrosjon oppstår på rustfrie fester selv uten aluminium. I et værutsatt aluminium-stål-par er imidlertid det praktiske resultatet konsekvent: aluminium er metallet som mister materiale.

Når aluminium og rustfritt stål trygt kan brukes sammen

Reaksjonen av aluminium og rustfritt stål er ikke uunngåelig. Utallige sammenstillinger av blandet metall har gitt lang levetid fordi betingelsene for galvanisk korrosjon aldri ble oppfylt.

• Innendørs, tørre miljøer. Et oppvarmet, ventilert interiør gir sjelden nok elektrolytt til å opprettholde galvanisk korrosjon, så paret kan forbli inaktive i flere tiår.
• Tette skjøter. Hvis grensesnittet er belagt med en kompatibel tetningsmasse, eller adskilt av en fuktighetsekskluderende barriere, kan ikke elektrolytten nå krysset og kretsen forblir åpen.
• Et gunstig arealforhold. Når aluminiumsdelen er stor og den rustfrie delen er liten, sprer den galvaniske strømmen seg over en bred aluminiumsoverflate, slik at den lokale korrosjonshastigheten kan være akseptabel for den tiltenkte levetiden. Det farlige tilfellet er det motsatte: en liten aluminiumskomponent festet til en stor struktur i rustfritt stål konsentrerer all korrosjon på en liten anode og svikter raskt.

For utendørs eller marin service er den konservative antagelsen at fuktighet etter hvert vil være tilstede. I solreoler, arkitektonisk kledning, båtutstyr og industrielt utstyr som er utsatt for været, er forebygging et designkrav snarere enn et alternativ.

Hvordan forhindre galvanisk korrosjon i blandinger av metall

Den mest pålitelige måten å stoppe galvanisk korrosjon på er å avbryte den elektriske kretsen mellom de to metallene, eller å holde elektrolytten borte fra krysset. Flere tiltak fungerer godt i kombinasjon.

1. Isoler med ikke-ledende barrierer. En nylon- eller fiberskive under festehodet i rustfritt stål, kombinert med en isolerende hylse over boltskaftet, forhindrer direkte metall-til-metall-kontakt. Dette er den mest effektive metoden.
2. Tett skjøten. En polysulfid-, polyuretan- eller butylforsegling påført rundt festehodet og langs skjøtekanten utelukker fuktighet og skiller overflatene fysisk.
3. Bruk belegg med forsiktighet. Pulverlakkering eller maling av aluminium før montering legger til en barriere, men enhver ripe eller flis kan skape en lokal anode. Belegg bør aldri være den eneste forsvarslinjen.
4. Design for drenering. Plasser skjøten slik at vannet renner bort fra festet i stedet for å samle seg rundt det.

En flat skive i rustfritt stål har en dobbel rolle i dette systemet. Den sprer klembelastningen over et større område, noe som betyr noe på mykt aluminium, og det gir en jevn bæreflate for mutter- eller bolthodet. Den stopper ikke i seg selv galvanisk korrosjon med mindre den er skilt fra aluminiumet med et isolerende lag. Når den kobles sammen med en nylonskive eller en tetningsvulst, gir en flat skive i 304 rustfritt stål lang levetid og jevn klemytelse.

SS304 Flat Skive for M10 Bolter, DIN125/GB97 Denne flate skiven i 304 rustfritt stål sprer klembelastning på mykt aluminium og gir en jevn lageroverflate, selv om galvanisk isolasjon fortsatt krever et skillelag. Se produkt →

Velge riktig festekvalitet i rustfritt stål

Hvis designet krever rustfrie festemidler i kontakt med aluminium, er de to standardvalgene 304 (A2) og 316 (A4) rustfritt stål. Begge er austenittiske kvaliteter med langt bedre korrosjonsbestandighet enn karbonstål, og begge sitter i lignende posisjoner på den galvaniske serien. Utvalget endrer ikke den galvaniske oppførselen til paret. Ingen av klassene er meningsfullt bedre enn den andre til å beskytte aluminiumet, så avgjørelsen handler egentlig om hvor godt selve festet overlever i servicemiljøet.

304 rustfritt stål er standard for de fleste industrielle og arkitektoniske arbeider. Den motstår atmosfærisk korrosjon, ferskvann og et bredt spekter av kjemikalier. For en innlands solcellepanel eller en bygningsfasade er en rustfri stålfeste i klasse 304 et velprøvd og kostnadseffektivt valg. Både 304 og 316 er produsert i henhold til standardene DIN 933, GB5783 og ISO 4017, og vår guide til 304 versus 316 sekskantbolter i rustfritt stål sammenligner de to karakterene mer detaljert.

SS304 M10 sekskantbolt, DIN933 Standard En velprøvd, kostnadseffektiv 304 rustfri stålbolt for innlands- eller generelle miljøer, som tilbyr atmosfærisk korrosjonsmotstand og pålitelig lastbærende ytelse for strukturelle forbindelser. Se produkt →

316 rustfritt stål tilfører molybden, som forbedrer motstanden mot klorider. Kystinstallasjoner, båtutstyr og ethvert miljø som er utsatt for veisalt bør bruke 316 for festene, fordi festet må overleve monteringen under de mest krevende forhold. Som en generell regel festeserie i rustfritt stål for blandede metallprosjekter bør velges på grunnlag av klorideksponering, ikke ut fra en antagelse om at en annen kvalitet på en eller annen måte vil beskytte aluminiumet.

For en kystinstallasjon er paring av en 316 sekskantmutter med en 316 bolt det mest pålitelige alternativet, spesielt for gjengede forbindelser som vil bli inspisert over tid. Korrosjonsmotstandsforskjellen mellom 304 og 316 i en marin atmosfære er betydelig nok til å rettferdiggjøre den høyere kostnaden for 316.

SS316 M10 sekskantmutter, DIN934 Standard En sekskantmutter i 316 rustfritt stål med A4-80-kvalitet, designet for marine og kloridrike miljøer, og gir sikker fastspenning og langsiktig korrosjonsbestandighet når den er paret med 316 bolter. Se produkt →

Praktiske retningslinjer for montering

Blandede metallsammenstillinger mislykkes når det grunnleggende hoppes over. Følgende sekvens har vist seg effektiv for solcellemontering, maskinvare for marine dekk, industrielle rammer og arkitektoniske aluminiumskonstruksjoner.

1. Rengjør begge flatene før montering. Fett, grus eller ledende forurensning kan skape en korrosjonscelle selv når designet er riktig.
2. Installer det isolerende laget først. Plasser en nylonskive eller en tetningsmasse under festehodet i rustfritt stål og på lagerflaten til mutteren.
3. Trekk til til nominelt dreiemoment. Overmomentering knuser det isolerende laget, forvrenger aluminiumet og gjør skjøten sårbar for både galvanisk korrosjon og spenningsavslapping.
4. Inspiser etter den første sesongen med eksponering. Tidlig korrosjon vises som hvitt pulver eller svak gropdannelse. Hvis den fanges opp, er løsningen en erstatningsskive og en klatt tetningsmasse, ikke en strukturell reparasjon.

Ingenting av dette bør hindre ingeniører og produsenter fra å bruke aluminium og rustfritt stål sammen. De to materialene fungerer godt som et system når reglene ovenfor følges. Aluminiumet korroderer bare hvis den galvaniske kretsen forblir komplett, og den kretsen er lett å avbryte.