Reaktion av aluminium och rostfritt stål: Hur man förhindrar galvanisk korrosion

På en solgård berättade underhållsprotokollen en välbekant historia. Vita, kalkhaltiga avlagringar spreds runt bultar av rostfritt stål på monteringsskenor av aluminium, och gropbildning hade börjat under varje bulthuvud. Detta är reaktionen av aluminium och rostfritt stål i praktiken, och det är en av de vanligaste orsakerna till för tidigt fel i blandade metallenheter. Reaktionen betyder inte att de två metallerna aldrig kan användas tillsammans. Det betyder att fogen måste utformas med en tydlig förståelse av galvanisk korrosion, vilket är precis vad den här artikeln tillhandahåller.

Vad är reaktionen i aluminium och rostfritt stål faktiskt

Reaktionen av aluminium och rostfritt stål är en form av galvanisk korrosion, även kallad bimetallisk korrosion. När de två metallerna är i elektrisk kontakt och båda utsätts för en elektrolyt, oavsett om det är havssprut, regnvatten, kondens eller helt enkelt ihållande fukt, bildar de ett galvaniskt par. Aluminium, den mindre ädla metallen, blir anoden och börjar släppa ut metalljoner. Rostfritt stål, den ädlare metallen, blir katoden. Elektroner färdas från anoden till katoden genom den metalliska anslutningen, och elektrolyten fullbordar den elektriska kretsen. Resultatet är att aluminium korroderar mycket snabbare än det skulle göra på egen hand.

Detta är inte ett kemiskt angrepp av rostfritt stål på aluminium. Det rostfria stålet fungerar helt enkelt som en stor, effektiv katod som accelererar den naturliga korrosionen av aluminiumet. De synliga tecknen är utmärkande: vita eller gråa korrosionsprodukter på aluminiumytan, gropbildning runt fästhuvudet eller brickan, och, i svåra fall, en gradvis förlust av klämkraft när aluminiumet tappar tjocklek.

De tre villkoren som måste vara närvarande

Galvanisk korrosion är inte automatisk. Det kräver tre samtidiga förhållanden, och om du tar bort någon av dem stoppas reaktionen.

• Elektrisk kontakt. De två metallerna måste anslutas genom en ledande bana. En bult av rostfritt stål som drivs in i en aluminiumskena, eller ett aluminiumfäste som kläms fast med en mutter av rostfritt stål, ger exakt den vägen.
• En elektrolyt. En ledande vätska måste överbrygga de två ytorna. Saltvatten är den mest aggressiva elektrolyten, men regnvatten, kondens och till och med fukt som absorberas under en beläggning kan driva reaktionen i en meningsfull hastighet.
• En skillnad i elektrokemisk potential. Metalllerna måste skilja sig åt i deras tendens att korrodera. Aluminium och rostfritt stål skiljer sig med ungefär en halv volt i havsvatten, vilket är mer än tillräckligt för att upprätthålla betydande korrosion.

Den praktiska konsekvensen är enkel: håll metallerna torra, håll dem elektriskt åtskilda eller acceptera att aluminiumet kommer att korrodera. Varje effektiv förebyggande metod attackerar ett av dessa tre tillstånd.

Varför aluminium alltid är offermetallen

Varje metall har en position i den galvaniska serien, som rangordnar materialen efter deras korrosionspotential i en given miljö. I havsvatten sitter rostfritt stål långt över aluminium. Det betyder att rostfritt stål är katoden och aluminium är anoden när de två är anslutna i en våt sammansättning.

En nyans är värd att veta. Rostfritt stål är bara ädelt medan dess passiva oxidskikt är intakt. Inuti en syrefattig springa, som springan under ett bulthuvud eller mellan hårt fastklämda ytor, kan rostfritt stål tappa sitt passiva lager och bli aktivt. Det är därför spaltkorrosion uppstår på rostfria fästelement även utan aluminium. I ett väderutsatt aluminium-stål-par är dock det praktiska resultatet konsekvent: aluminium är metallen som förlorar material.

När aluminium och rostfritt stål kan användas tillsammans på ett säkert sätt

Reaktionen av aluminium och rostfritt stål är inte oundviklig. Otaliga sammansättningar av blandade metaller har gett långa livslängder eftersom villkoren för galvanisk korrosion aldrig uppfylldes.

• Inomhus, torra miljöer. En uppvärmd, ventilerad interiör ger sällan tillräckligt med elektrolyt för att upprätthålla galvanisk korrosion, så paret kan förbli inaktiva i årtionden.
• Tätade fogar. Om gränssnittet är belagt med ett kompatibelt tätningsmedel, eller separerat av en fuktuteslutande barriär, kan elektrolyten inte nå förbindelsen och kretsen förblir öppen.
• Ett gynnsamt ytförhållande. När aluminiumdelen är stor och den rostfria delen är liten sprids den galvaniska strömmen över en bred aluminiumyta, så den lokala korrosionshastigheten kan vara acceptabel för den avsedda livslängden. Det farliga fallet är det motsatta: en liten aluminiumkomponent fäst vid en stor struktur av rostfritt stål koncentrerar all korrosion på en liten anod och misslyckas snabbt.

För utomhus- eller marinservice är det konservativa antagandet att fukt så småningom kommer att finnas. I solstativ, arkitektonisk beklädnad, båtbeslag och industriell utrustning som utsätts för väder, är förebyggande ett designkrav snarare än ett alternativ.

Hur man förhindrar galvanisk korrosion i blandade metallenheter

Det mest tillförlitliga sättet att stoppa galvanisk korrosion är att avbryta den elektriska kretsen mellan de två metallerna, eller att hålla elektrolyten borta från korsningen. Flera åtgärder fungerar bra i kombination.

1. Isolera med icke-ledande barriärer. En nylon- eller fiberbricka under fästhuvudet i rostfritt stål, kombinerat med en isoleringshylsa över bultskaftet, förhindrar direkt metall-till-metall-kontakt. Detta är den enskilt mest effektiva metoden.
2. Täta fogen. Ett polysulfid-, polyuretan- eller butyltätningsmedel applicerat runt fästhuvudet och längs fogkanten utesluter fukt och separerar ytorna fysiskt.
3. Använd beläggningar med försiktighet. Pulverlackering eller målning av aluminium innan montering lägger till en barriär, men varje repa eller chip kan skapa en lokal anod. Beläggningar bör aldrig vara den enda försvarslinjen.
4. Design för dränering. Placera fogen så att vattnet rinner bort från fästelementet istället för att samlas runt det.

En plattbricka i rostfritt stål har en dubbel roll i detta system. Den sprider spännbelastningen över ett större område, vilket är viktigt på mjukt aluminium, och det ger en slät bäryta för mutter- eller bulthuvudet. Den stoppar inte i sig galvanisk korrosion om den inte är skild från aluminiumet med ett isolerande skikt. När den kombineras med en nylonbricka eller en tätningspärla, ger en 304 rostfri plattbricka en lång livslängd och konsekvent spännprestanda.

SS304 Flat Bricka för M10 Bultar, DIN125/GB97 Denna plattbricka i 304 rostfritt stål sprider klämbelastningar på mjukt aluminium och ger en jämn lageryta, även om galvanisk isolering fortfarande kräver ett avskiljande lager. Visa produkt →

Att välja rätt fästelement av rostfritt stål

Om konstruktionen kräver fästelement i rostfritt stål i kontakt med aluminium, är de två standardvalen 304 (A2) och 316 (A4) rostfritt stål. Båda är austenitiska kvaliteter med mycket bättre korrosionsbeständighet än kolstål, och båda sitter på liknande positioner på den galvaniska serien. Urvalet ändrar inte parets galvaniska beteende. Ingen av klasserna är meningsfullt bättre än den andra på att skydda aluminiumet, så beslutet handlar egentligen om hur väl själva fästelementet överlever i servicemiljön.

304 rostfritt stål är standard för de flesta industriella och arkitektoniska arbeten. Den motstår atmosfärisk korrosion, sötvatten och ett brett utbud av kemikalier. För en solpanel i inlandet eller en byggnadsfasad är ett fästelement i rostfritt stål i klass 304 ett beprövat och kostnadseffektivt val. Både 304 och 316 är tillverkade enligt standarderna DIN 933, GB5783 och ISO 4017, och vår guide till 304 mot 316 sexkantsbultar i rostfritt stål jämför de två betygen mer i detalj.

SS304 M10 Sexkantsbult, DIN933 Standard En beprövad, kostnadseffektiv 304-bult av rostfritt stål för inre eller allmänna miljöer, som erbjuder atmosfärisk korrosionsbeständighet och pålitlig lastbärande prestanda för strukturella anslutningar. Visa produkt →

316 rostfritt stål tillsätter molybden, vilket förbättrar motståndet mot klorider. Kustinstallationer, båtutrustning och alla miljöer som utsätts för vägsalt bör använda 316 för fästelementen, eftersom fästelementet måste hålla längre än monteringen under de mest krävande förhållanden. Som en allmän regel gäller sortiment av fästelement i rostfritt stål för blandade metallprojekt bör väljas på basis av kloridexponering, inte utifrån antagandet att en annan kvalitet på något sätt kommer att skydda aluminiumet.

För en kustnära installation är att para ihop en 316 sexkantsmutter med en 316 bult det mest pålitliga alternativet, särskilt för gängade anslutningar som kommer att inspekteras med tiden. Korrosionsbeständighetsskillnaden mellan 304 och 316 i en marin atmosfär är tillräckligt stor för att motivera den högre kostnaden för 316.

SS316 M10 Sexkantmutter, DIN934 Standard En sexkantsmutter av 316 rostfritt stål med A4-80-kvalitet, designad för marina och kloridrika miljöer, ger säker fastspänning och långvarig korrosionsbeständighet när den paras ihop med 316 bultar. Visa produkt →

Praktiska monteringsanvisningar

Blandade metallsammansättningar misslyckas när grunderna hoppas över. Följande sekvens har visat sig vara effektiv för solcellsmontering, marin däck, industriella ramar och arkitektoniska aluminiumkonstruktioner.

1. Rengör båda falsytorna före montering. Fett, grus eller ledande föroreningar kan skapa en korrosionscell även när designen är korrekt.
2. Installera det isolerande lagret först. Placera en nylonbricka eller en tätningspärla under fästhuvudet av rostfritt stål och på mutterns lageryta.
3. Dra åt till det nominella vridmomentet. Övervridning krossar det isolerande lagret, förvränger aluminiumet och gör fogen känslig för både galvanisk korrosion och spänningsavslappning.
4. Inspektera efter den första exponeringssäsongen. Tidig korrosion uppträder som vitt pulver eller svaga gropfrätningar. Om det fastnar då är fixen en ersättningsbricka och en klick tätningsmedel, inte en strukturell reparation.

Inget av detta bör avskräcka ingenjörer och tillverkare från att använda aluminium och rostfritt stål tillsammans. De två materialen fungerar bra som ett system när reglerna ovan följs. Aluminiumet korroderar endast om den galvaniska kretsen förblir komplett, och den kretsen är lätt att avbryta.