Reakcja aluminium i stali nierdzewnej: jak zapobiegać korozji galwanicznej

W przypadku farmy fotowoltaicznej zapisy konserwacji opowiadały znajomą historię. Białe, kredowe osady gromadziły się wokół śrub ze stali nierdzewnej na aluminiowych szynach montażowych, a pod łbem każdej śruby zaczęły pojawiać się wżery. W praktyce jest to reakcja aluminium i stali nierdzewnej, będąca jedną z najczęstszych przyczyn przedwczesnych uszkodzeń zespołów wykonanych z różnych metali. Reakcja nie oznacza, że ​​tych dwóch metali nigdy nie można używać razem. Oznacza to, że złącze musi być zaprojektowane z pełnym zrozumieniem korozji galwanicznej, co dokładnie opisano w tym artykule.

Jaka właściwie jest reakcja aluminium i stali nierdzewnej

Reakcja aluminium i stali nierdzewnej jest formą korozji galwanicznej, zwanej także korozją bimetaliczną. Kiedy dwa metale są w kontakcie elektrycznym i oba są wystawione na działanie elektrolitu, czy to rozprysków morskich, wody deszczowej, kondensacji, czy po prostu trwałej wilgoci, tworzą parę galwaniczną. Aluminium, metal mniej szlachetny, staje się anodą i zaczyna uwalniać jony metali. Katodą staje się stal nierdzewna, bardziej szlachetny metal. Elektrony przemieszczają się od anody do katody poprzez metalowe połączenie, a elektrolit uzupełnia obwód elektryczny. W rezultacie aluminium koroduje znacznie szybciej niż samo aluminium.

Nie jest to atak chemiczny stali nierdzewnej na aluminium. Stal nierdzewna działa po prostu jak duża, wydajna katoda, która przyspiesza naturalną korozję aluminium. Widoczne oznaki są charakterystyczne: białe lub szare produkty korozji na powierzchni aluminium, wżery wokół łba elementu mocującego lub podkładki, a w ciężkich przypadkach stopniowa utrata siły docisku w miarę utraty grubości aluminium.

Trzy warunki, które muszą być spełnione

Korozja galwaniczna nie zachodzi automatycznie. Wymaga trzech jednoczesnych warunków, a usunięcie któregokolwiek z nich zatrzymuje reakcję.

• Styk elektryczny. Obydwa metale muszą być połączone ścieżką przewodzącą. Śruba ze stali nierdzewnej wkręcona w szynę aluminiową lub wspornik aluminiowy zaciśnięty nakrętką ze stali nierdzewnej zapewnia dokładnie tę ścieżkę.
• Elektrolit. Płyn przewodzący musi łączyć obie powierzchnie. Słona woda jest najbardziej agresywnym elektrolitem, ale woda deszczowa, kondensacja, a nawet wilgoć wchłonięta pod powłoką mogą przyspieszyć reakcję w znaczącym tempie.
• Różnica potencjałów elektrochemicznych. Metalowee muszą różnić się tendencją do korozji. Aluminium i stal nierdzewna różnią się o mniej więcej pół wolta w wodzie morskiej, co jest więcej niż wystarczające, aby wytrzymać znaczną korozję.

Praktyczna konsekwencja jest prosta: utrzymywać metale w stanie suchym, oddzielać je elektrycznie lub zaakceptować korozję aluminium. Każda skuteczna metoda zapobiegania atakuje jeden z tych trzech warunków.

Dlaczego aluminium jest zawsze metalem ofiarnym

Każdy metal ma swoją pozycję w szeregu galwanicznym, który klasyfikuje materiały według ich potencjału korozyjnego w danym środowisku. W wodzie morskiej stal nierdzewna znajduje się znacznie wyżej od aluminium. Oznacza to, że stal nierdzewna jest katodą, a aluminium anodą, gdy są one połączone w mokrym zespole.

Warto poznać jeden niuans. Stal nierdzewna jest szlachetna tylko wtedy, gdy jej pasywna warstwa tlenku jest nienaruszona. Wewnątrz szczelin ubogich w tlen, takich jak szczelina pod łbem śruby lub pomiędzy mocno zaciśniętymi powierzchniami, stal nierdzewna może utracić swoją warstwę pasywną i stać się aktywna. Dlatego też na elementach złącznych ze stali nierdzewnej pojawia się korozja szczelinowa nawet bez obecności aluminium. Jednak w przypadku pary aluminium-stal narażonej na działanie czynników atmosferycznych praktyczny wynik jest spójny: aluminium jest metalem, który traci materiał.

Kiedy aluminium i stal nierdzewna mogą być bezpiecznie używane razem

Reakcja aluminium i stali nierdzewnej nie jest nieunikniona. Niezliczone zespoły z różnych metali zapewniły długą żywotność, ponieważ nigdy nie zostały spełnione warunki korozji galwanicznej.

• W pomieszczeniach suchych. Ogrzewane, wentylowane wnętrze rzadko zapewnia wystarczającą ilość elektrolitu, aby podtrzymać korozję galwaniczną, więc para może pozostać nieaktywna przez dziesięciolecia.
• Uszczelnione złącza. Jeśli interfejs jest pokryty kompatybilnym uszczelniaczem lub oddzielony barierą chroniącą przed wilgocią, elektrolit nie może dotrzeć do złącza, a obwód pozostaje otwarty.
• Korzystny stosunek powierzchni. Gdy część aluminiowa jest duża, a część ze stali nierdzewnej mała, prąd galwaniczny rozprzestrzenia się na szerokiej powierzchni aluminium, więc lokalna szybkość korozji może być akceptowalna w zamierzonym okresie użytkowania. Niebezpieczny przypadek jest odwrotny: mały aluminiowy element przymocowany do dużej konstrukcji ze stali nierdzewnej koncentruje całą korozję na małej anodzie i szybko ulega uszkodzeniu.

W przypadku zastosowań zewnętrznych lub morskich konserwatywne założenie jest takie, że w końcu pojawi się wilgoć. W przypadku regałów fotowoltaicznych, okładzin architektonicznych, okuć do łodzi i sprzętu przemysłowego narażonych na działanie czynników atmosferycznych zapobieganie jest raczej wymogiem projektowym niż opcją.

Jak zapobiegać korozji galwanicznej w zespołach z różnych metali

Najbardziej niezawodnym sposobem zatrzymania korozji galwanicznej jest przerwanie obwodu elektrycznego pomiędzy dwoma metalami lub trzymanie elektrolitu z dala od złącza. Kilka środków działa dobrze w połączeniu.

1. Izolować za pomocą nieprzewodzących barier. Podkładka nylonowa lub włóknista pod łbem łącznika ze stali nierdzewnej w połączeniu z tuleją izolacyjną nad trzpieniem śruby zapobiega bezpośredniemu kontaktowi metalu z metalem. Jest to jedyna najskuteczniejsza metoda.
2. Uszczelnij złącze. Uszczelniacz wielosiarczkowy, poliuretanowy lub butylowy nałożony wokół łba łącznika i wzdłuż krawędzi złącza zapobiega wilgoci i fizycznie oddziela powierzchnie.
3. Używaj powłok ostrożnie. Malowanie proszkowe lub malowanie aluminium przed montażem stanowi barierę, ale każda rysa lub odprysk może spowodować lokalną anodę. Powłoki nigdy nie powinny być jedyną linią obrony.
4. Projekt drenażu. Umieścić złącze w taki sposób, aby woda spływała z łącznika zamiast gromadzić się wokół niego.

Podkładka płaska ze stali nierdzewnej pełni w tym systemie podwójną rolę. Rozkłada siłę zacisku na większym obszarze, co ma znaczenie w przypadku miękkiego aluminium, i zapewnia gładką powierzchnię nośną nakrętki lub łba śruby. Sam w sobie nie zatrzymuje korozji galwanicznej, chyba że zostanie oddzielony od aluminium warstwą izolującą. W połączeniu z nylonową podkładką lub kulką uszczelniającą, płaska podkładka ze stali nierdzewnej 304 zapewnia długą żywotność i stałą skuteczność mocowania.

Podkładka płaska SS304 do śrub M10, DIN125/GB97 Ta płaska podkładka ze stali nierdzewnej 304 rozkłada obciążenia zaciskające na miękkim aluminium i zapewnia gładką powierzchnię nośną, chociaż izolacja galwaniczna nadal wymaga warstwy oddzielającej. Zobacz produkt →

Wybór odpowiedniego gatunku łącznika ze stali nierdzewnej

Jeśli projekt wymaga elementów złącznych ze stali nierdzewnej w kontakcie z aluminium, dostępne są dwie standardowe opcje: stal nierdzewna 304 (A2) i 316 (A4). Obydwa są gatunkami austenitycznymi o znacznie lepszej odporności na korozję niż stal węglowa i oba zajmują podobne pozycje w szeregu galwanicznym. Wybór nie zmienia zachowania galwanicznego pary. Żaden gatunek nie jest znacząco lepszy od drugiego pod względem ochrony aluminium, więc decyzja tak naprawdę opiera się na tym, jak dobrze sam element złączny przetrwa w środowisku użytkowym.

Stal nierdzewna 304 jest domyślna w przypadku większości prac przemysłowych i architektonicznych. Jest odporny na korozję atmosferyczną, słodką wodę i szeroką gamę środków chemicznych. W przypadku śródlądowych paneli fotowoltaicznych lub elewacji budynku łącznik ze stali nierdzewnej klasy 304 jest sprawdzonym i opłacalnym wyborem. Zarówno 304, jak i 316 są produkowane zgodnie z normami DIN 933, GB5783 i ISO 4017, a nasz przewodnik po nich Śruby sześciokątne ze stali nierdzewnej 304 i 316 porównuje te dwa stopnie bardziej szczegółowo.

Śruba z łbem sześciokątnym SS304 M10, norma DIN933 Sprawdzona, niedroga śruba ze stali nierdzewnej 304 do zastosowań śródlądowych lub ogólnych, zapewniająca odporność na korozję atmosferyczną i niezawodną nośność połączeń konstrukcyjnych. Zobacz produkt →

Stal nierdzewna 316 dodaje molibden, co poprawia odporność na chlorki. W przypadku instalacji przybrzeżnych, osprzętu łodzi i wszelkich środowisk narażonych na działanie soli drogowej do elementów złącznych należy używać stali 316, ponieważ element złączny musi wytrzymać montaż w najbardziej wymagających warunkach. Co do zasady, asortyment elementów złącznych ze stali nierdzewnej w przypadku projektów obejmujących różne metale należy wybierać na podstawie ekspozycji na chlorki, a nie na założeniu, że inny gatunek w jakiś sposób ochroni aluminium.

W przypadku instalacji przybrzeżnej najbardziej niezawodną opcją jest połączenie nakrętki sześciokątnej 316 ze śrubą 316, szczególnie w przypadku połączeń gwintowych, które z czasem będą sprawdzane. Różnica w odporności na korozję pomiędzy 304 i 316 w atmosferze morskiej jest na tyle znacząca, że uzasadnia wyższy koszt 316.

Nakrętka sześciokątna SS316 M10, norma DIN934 Nakrętka sześciokątna ze stali nierdzewnej 316 w klasie A4-80, przeznaczona do środowisk morskich i bogatych w chlorki, zapewniająca bezpieczne mocowanie i długoterminową odporność na korozję w połączeniu ze śrubami 316. Zobacz produkt →

Praktyczne wskazówki dotyczące montażu

Zespoły z różnych metali zawodzą, jeśli pomija się podstawy. Poniższa sekwencja okazała się skuteczna w przypadku montażu paneli słonecznych, okuć pokładowych, ram przemysłowych i architektonicznych konstrukcji aluminiowych.

1. Przed montażem oczyść obie przylegające powierzchnie. Tłuszcz, piasek lub zanieczyszczenia przewodzące mogą spowodować powstanie ogniwa korozyjnego, nawet jeśli konstrukcja jest prawidłowa.
2. Najpierw zainstaluj warstwę izolacyjną. Umieścić podkładkę nylonową lub wałek uszczelniający pod łbem łącznika ze stali nierdzewnej i na powierzchni czołowej nakrętki.
3. Dokręcić momentem znamionowym. Nadmierne dokręcenie powoduje zmiażdżenie warstwy izolacyjnej, zniekształcenie aluminium i narażenie złącza na korozję galwaniczną i relaksację naprężeń.
4. Kontrola po pierwszym sezonie ekspozycji. Wczesna korozja objawia się białym proszkiem lub słabymi wżerami. Jeśli wtedy zostanie złapany, rozwiązaniem jest wymiana podkładki i odrobina szczeliwa, a nie naprawa konstrukcyjna.

Wszystko to nie powinno zniechęcać inżynierów i producentów do jednoczesnego stosowania aluminium i stali nierdzewnej. Obydwa materiały dobrze sprawdzają się jako system, jeśli przestrzegane są powyższe zasady. Aluminium koroduje tylko wtedy, gdy obwód galwaniczny jest kompletny i obwód ten można łatwo przerwać.