Data:26 maja 2024 16:12

Utlenianie aluminium - reakcja, proces i zastosowanie

Aluminium ma zdolność aktywnego współdziałania z tlenem. Powstały w wyniku tego oddziaływania tlenek glinu A1 2 O 3 pokrywa powierzchnię produktu mocnym i gęstym filmem. Utlenianie aluminium w normalnej temperaturze po osiągnięciu maksymalnej grubości powłoki praktycznie ustaje. Maksymalna grubość folii po wystawieniu aluminium na działanie powietrza o temperaturze 20 ° C ustala się po 7-14 dniach i osiąga 5-10 nm.

Skąd bierze się utlenianie aluminium?

Utlenianie aluminium można wytłumaczyć dobrymi właściwościami ochronnymi warstwy tlenkowej. Potwierdza to znana zasada, zgodnie z którą gęsty film o właściwościach ochronnych tworzy się, jeśli stosunek objętości tlenku do objętości utlenionego metalu jest większy niż jeden, a dla aluminium stosunek ten wynosi 1,24, zaś dla magnezu 0,79. Ze względu na słabe właściwości ochronne warstwy tlenku magnezu, jej utlenianie, w przeciwieństwie do aluminium, zachodzi w sposób ciągły, a grubość warstwy zwiększa się liniowo w czasie.

Naukowcy szybko docenili utlenianie aluminium. Reakcja ta bowiem sprawia, że powierzchnia metalu jest praktycznie odporna na korozje. Póki nie dojdzie do jej uszkodzenia w postaci zarysowania czy pogięcia bezpieczeństwo zapewnia jej właśnie utlenianie aluminium. Reakcja jest możliwa ze względu na cechy samego tlenku glinu, jaką jest jego zdolność do adsorpcji gazów, zwłaszcza pary wodnej. Ten ostatni jest zatrzymywany przez warstwę tlenku aż do temperatury topnienia metalu. Wyróżniająca się znaczną wytrzymałością mechaniczną (20 MPa przy grubości 10 -5 cm) warstewka tlenku glinu, pomimo większej od aluminium gęstości (2,85-3,95), łatwo utrzymuje się na powierzchni metalu za pomocą sił napięcia powierzchniowego. Współczynnik rozszerzalności cieplnej warstwy tlenku jest prawie 6 razy mniejszy niż współczynnik rozszerzalności aluminium, dlatego po nagrzaniu metalu w warstwie tlenku powstają pęknięcia.

Rodzaje filmu na aluminium

Jeżeli utlenione aluminium zawiera dodatki stopowe, skład warstwy tlenkowej może ulec zmianie. W składzie warstwy tlenkowej stopów zawierających krzem lub magnez wykrywa się odpowiednio obecność sylimanitu (Al 2 O 3 -SiO) i spinelu magnezowego (MgO-Al 2 O 3 ). Jeśli utlenione aluminium zawiera zanieczyszczenia pierwiastkami alkalicznymi i ziem alkalicznych, warstwa tlenkowa jest wzbogacana ich tlenkami. Tak złożona warstwa tlenkowa jest luźniejsza, bardziej higroskopijna i gorzej chroni metal przed dyfuzją gazów.

Utlenianie aluminium komplikuje proces spawania. Dzięki wysokiej temperaturze topnienia (2050°C) warstwa tlenku nie topi się podczas procesu spawania i pokrywa metal trwałą powłoką. Podczas spawania należy podjąć działania mające na celu zniszczenie i usunięcie warstwy oraz zabezpieczenie metalu przed ponownym utlenieniem. Ze względu na dużą wytrzymałość chemiczną połączenia, odzysk aluminium z tlenku w warunkach spawania jest prawie niemożliwy. Niemożliwe jest również związanie Al 2 O 3 w mocny związek w reakcji kwas + zasada = sól. Dlatego działanie przy spawaniu aluminium opiera się na procesach rozpuszczania i zmywania rozproszonej warstwy tlenkowej.

Podobnie skonstruowane są topniki i powłoki elektrod do spawania aluminium i jego stopów. Środek na utlenianie aluminium to niskotopliwe mieszaniny soli chlorkowych pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych, do których dodaje się niewielką ilość związków fluorkowych, które aktywują działanie topnika.

Stopy aluminium

W stopach aluminium stężenie pierwiastków stopowych jest z reguły niewielkie i rzadko przekracza 5-10%. Jeśli weźmiemy pod uwagę wyjątkowo dużą aktywność aluminium w stosunku do tlenu i jego zdolność do redukcji wielu metali z ich tlenków, to nie możemy spodziewać się znaczących strat w wyniku utleniania takich pierwiastków jak Cu, Mn, Fe, Si, Zn, który występuje w małych stężeniach w stopach.

Wyjątkiem może być magnez, który ma znacznie większe powinowactwo do tlenu niż aluminium. Przybliżone obliczenia pokazują, że w stopie aluminium największe utlenianie magnezu obserwuje się, gdy jego zawartość w stopie wynosi kilka dziesiątych procent. Obecność silnej warstwy tlenku na powierzchni metalu wpływa na charakter przenoszenia kropelek metalu. Podczas spawania w środowisku utleniającym wielkość kropelek wychodzących z elektrody osiąga dużą wartość, a spalanie łuku jest niestabilne. Ograniczenie utleniającego działania atmosfery oraz zastosowanie powłok na elektrodach pozwala zmniejszyć wielkość przenoszonych kropel.