آلومینیوم ممکن است در معرض انواع مختلف خوردگی قرار گیرد؛ که کم و بیش با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. انواع اصلی خوردگی‌های آلومینیوم عبارتند از:

خوردگی کلی (جامد)

خوردگی حفره‌ای

خوردگی شکافی

خوردگی استرسی

خوردگی بین دانه‌ای

خوردگی حفره‌ای شایع‌ترین نوع خوردگی در فلز آلومینیوم است که در ادامه، خلاصه‌ای از خوردگی حفره‌ای آلومینیوم توضیح داده می شود. این نوع خوردگی بدون نیاز به ذره‌بین و میکروسکوپ، به صورت یک نقطه واحد روی سطح فلز بدون آسیب، قابل مشاهده است.

      شکل زیر خوردگی حفره‌ای آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم تحت تأثیر یون‌های کلرید را نشان می‌دهد.

  خلاصه تشکیل حفره

خوردگی حفره‌ای، نوعی خوردگی منطقه‌ای می‌باشد؛ که تمام سطح فلز را درگیر نکرده بلکه در قسمت‌های مستعد خوردگی، آثاری از خود به جای می‌گذارد. این نوع خوردگی با تشکیل حفره‌هایی نامنظم در سطح فلز مشخص می‌شود. قطر و عمق این حفره‌ها به پارامترهای مختلفی از جمله: ترکیب شیمیایی و خلوص فلز، محیط‌های خورنده و شرایط کار ارتباط دارد. محیط مناسب تشکیل حفره در آلومینیوم، دارای pH نزدیک به حالت خنثی است. این شرایط شامل محیط‌های طبیعی مانند آب شیرین، آب دریا و هوای مرطوب می‌شود. برخلاف سایر خوردگی‌های فلزی، خوردگی آلومینیوم به دلیل تشکیل رسوبات سفید، حجیم و ژلاتینی آلومینیوم هیدروکسید Al (OH)₃  همیشه به خوبی قابل مشاهده است.

حفره زمانی که فلز در تماس ثابت یا متناوب با یک محیط آبی مانند: آب شیرین، آب دریا و هوای مرطوب باشد تشکیل می‌شود. تجربه نشان می‌دهد، که تشکیل حفره در عرض چند هفته بعد از قرار گرفتن قطعه در یک محیط خورنده اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال: در یک کشتی تفریحی تنها چند هفته پس از انداختن آن در آب، حفره‌هایی روی سطح ظاهر می‌شود. خوردگی حفره ای واقعاً یک پدیده پیچیده است. حتی امروزه، علی رغم تعداد بسیار زیاد مطالعات و انتشارات در مورد این موضوع، مکانیسم آن کاملا مشخص نیست. اما شرایط ایجاد حفره و کند کردن یا توقف کامل تشکیل حفره به خوبی شناخته شده است.

  تشکیل و تعمیق حفره‌های خوردگی

آلومینیوم فلزی است که در سطح آن فیلم اکسید آلومینیوم منفعل وجود دارد. اگر این لایه پسیو دچار آسیب شود؛ آن گاه فلز آلومینیوم از همین ناحیه مستعد خوردگی خواهد بود. که تشکیل حفره، و در شرایط مناسب عمیق شدن حفره را در پی خواهد داشت. به طور کلی خوردگی آلومینیوم از دو مرحله اصلی زیر تشکیل شده است:

1. تشکیل حفره

2. تعمیق حفره

 1. تشکیل حفره :

خوردگی حفره ای در حضور یون کلرید به صورت زیر ایجاد می‌شود:

• جذب یون ^-CL بر روی فیلم آلومینیوم اکسید

• شکستن لایه پسیو

• ایجاد میکرو تر‌ک‌هایی با عرض چند نانومتر

• تشکیل حفره‌های خوردگی

در یک زمان کوتاه تعداد زیادی حفره‌های میکروسکوپی خوردگی (تا 10 میلیون در سانتی متر مربع) تشکیل می شود. چگالی حفره‌ها به نوع آلیاژ آلومینیوم وابسته است به عنوان مثال:

10 هزار در سانتی‌متر مربع برای آلومینیوم خالص ، شامل %1/0 ناخالصی

10 میلیارد در سانتی‌متر مربع برای آلیاژ شامل 4% مس

با این حال، رشد بیشتر این حفره‌های میکروسکوپی در عرض چند روز متوقف می‌شود.

 2. تعمیق حفره :

فقط بخش بسیار کمی از حفره‌های ایجاد شده، در واکنش‌های الکتروشیمیایی شرکت کرده و به رشد خود ادامه می دهند.

مطابق شکل زیرآند ته گودال خوردگی و کاتد، سطح آلومینیوم در اطراف شیار است. به عنوان یک نتیجه از واکنش‌ الکتروشیمیایی در آند، حفره، عمیق تر شده و یون‌های  ⁺³ Al تولید می‌کند. این یون‌ها به سمت خروجی شیار حرکت می‌کنند و با یک ماده قلیایی به شکل^- OH برخورد کرده و در نتیجه کاتد به هیدروکسید آلومینیوم Al (OH)₃ تبدیل می‌شود.

واکنش کامل خوردگی حفره‌ای آلومینیوم به شکل زیر است:

کند و یا حتی متوقف شدن عمل حفره زدن به دلیل تجمع محصولات خوردگی در بالای حفره است؛ که شکلی شبیه به گنبد آتشفشان تشکیل می‌دهند؛ و مانع ورود تدریجی مواد به داخل حفره ‌شده و تبادل یون‌ها بین قسمت پایین گودال و سطح آلومینیوم سخت می‌شود.

سرعت حفره زدن

تجربه نشان می دهد که در بیشتر موارد سرعت تعمیق گودال های خوردگی در حضور آب شیرین، آب دریا و باران با گذشت زمان کاهش می‌یابد. این نشان دهنده عمر مفید بسیار طولانی (چند دهه) آلومینیوم می‌باشد.‌  به همین دلیل از آلومینیوم در ساخت و سازهای ساختمانی (ورق های سقف)، در ساخت کشتی‌ها و غیره استفاده می‌شود.

سرعت تعمیق حفره‌های خوردگی آلیاژ آلومینیوم  متناسب با ریشه سوم زمان کاهش می‌یابد.

d = kt^1/3

عمق حفره = d

زمان = t

 عددی ثابت که وابسته به نوع آلیاژ و شرایط کار است. = k  

از این رابطه می توان نتیجه گرفت که افزایش دو برابری ضخامت دیواره لوله‌های آلومینیومی برای تأمین مایع یا گاز باعث افزایش هشت برابری عمر مفید آن می‌شود.

ویژگی‌های حفره

برخلاف خوردگی یکنواخت، تشکیل و سرعت خوردگی حفره‌ای را از روی جرم کاهش یافته یا سیر تکاملی هیدروژن نمی‌توان برآورد کرد. زیرا این اندازه‌گیری‌ها حساسیت بالایی نداشته و یک حفره عمیق می‌تواند کاهش وزن بسیار ناچیز ایجاد کند، در حالی که تعداد زیادی حفره سطحی کوچک می‌تواند منجر به کاهش وزن زیاد شود. بنابراین، تشکیل حفره بر اساس سه معیار ارزیابی می‌شود.

• دانسیته، یعنی تعداد حفره‌ها در واحد سطح

• سرعت تعمیق حفره

• احتمال خوردگی حفره‌ای

چگالی حفره

اندازه گیری چگالی حفره کار بسیار راحتی است. برای این منظور باید تعداد حفره‌های قابل مشاهده در یک سطح مشخص را شمارش نمایید. تجربه نشان می دهد که 1 دسی‌متر مربع سطح صاف و 1 دسی‌متر لوله برای بدست آوردن اطلاعات مطمئن در مورد تراکم حفره کافی است.

سرعت تعمق حفره‌ها

این فاکتور مهم‌ترین عامل است. سرعت رشد عمق چاله‌های خوردگی بسیار مهم‌تر از چگالی آن‌ها است ، زیرا عمر محصولات آلومینیوم دقیقاً به چگونگی رشد عمق گودال‌های خوردگی بستگی دارد. توجه داشته باشید که عمق چاله های خوردگی مستقل از ضخامت فلز است. عمق حفره‌های خوردگی در پایان دوره آزمون یا یک دوره از پیش تعیین شده اندازه گیری می‌شوند. در یک سطح مشخص، به عنوان مثالdm² 1، عمیق‌ترین گودال‌ها مشخص و عمق آن‌ها معمولاً با استفاده از میکروسکوپ و بزرگنمایی مناسب اندازه‌گیری می‌شود.

درشکل زیر حداکثر عمق حفره‌های ایجاد شده در اثر خوردگی در نمونه‌های آزمایشی در یک محیط دریایی با استفاده از آلیاژهای آلومینیوم 1050، 3003 و 5052 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود سرعت رشد عمق حفره‌های خوردگی متناسب با ریشه سوم زمان است.

احتمال خوردگی حفره‌ای

احتمال خوردگی حفره‌ای به صورت تجربی تعیین می‌شود. برای این کار تعداد زیادی نمونه لازم است. احتمال خوردگی حفره‌ای (در درصد) توسط فرمول زیر تعیین می‌شود.

p = 100 · (Np / N)

p = احتمال خوردگی حفره‌ای

Np = تعداد نمونه‌هایی که در معرض خوردگی حفره‌ای قرار دارند

N = تعداد کل نمونه‌های آزمایش شده

سرعت رشد یا افزایش تعداد حفره‌ها و عمق حفره‌های خوردگی دو عامل مهم در تعیین دوام آلیاژهای آلومینیوم در آب هستند. این دو عامل ارتباطی با یکدیگر ندارند یعنی: آلیاژی از آلومینیوم می‌تواند احتمال بالای تشکیل حفره‌های عمیق را داشته باشد در حالیکه سرعت رشد حفره‌ها کم باشد. یا در حالت معکوس، سرعت رشد حفره‌ها زیاد، اما عمق آن‌ها کم باشد. البته، حالت اول ارجحیت بیشتری دارد.

حساسیت آلیاژ آلومینیوم در تشکیل حفره

تمام آلیاژهای آلومینیوم مستعد ایجاد خوردگی در محیط های طبیعی هستند. تجربه نشان می‌دهد اگر چگالی گودال‌ها در ابتدا زیاد باشد، مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای بیشتر است. برای محصولات با ضخامت کمتر از 100 میکرو‌متر، عمق حفره را می‌توان توسط افزودن 1٪ آهن به آلومینیوم (آلیاژهای A 8011 و 8079) محدود کرد. به طور مشابه، مقدار کمی مس (0.10 - 0.20٪) به آلیاژ 3003، به منظور افزایش مکان‌های شروع تشکیل حفره، روی فلز Al₂Cu افزوده می‌شود. سرعت خوردگی حفره‌ای و عمق حفره‌ها مستقل از ضخامت فلز است.

منبع : واحد تحقیق و توسعه شرکت پویا شیمی شکوفا