Совместимость металлов и сплавов
Обновлено: 05.07.2024
Вопрос определения совместимости разных металлов может возникнуть в нескольких случаях. В их числе стоит упомянуть следующие варианты непосредственного контакта:
· совместная работа деталей из разных сплавов в химически агрессивной среде, морской или пресной воде;
· соединение электрических проводников из разных металлов;
· в результате пайки элементов электронных схем и приборов;
· при изготовлении печатных плат и сборке микросхем.
При касании разнородных несовместимых металлов обычно образоваться гальванические пары, вызывающие усиленную коррозию, а воздух, влага и агрессивные среды значительно ускоряют процесс.
Самой известной гальванической парой являются соединения алюминия и меди. Место контакта начинает нагреваться, ускоряя окисление. При этом, чем выше влажность воздуха, тем быстрее произойдет образование окислов. И даже если полного разрушения не произойдет, то окисные пленки, в зависимости от толщины, очень плохо проводят электрический ток или вообще станут изоляторами.
Образовавшиеся в результате контакта окислы несовместимых металлов и сплавов имеют способность к диссоциации. Так называют процесс распада вещества на заряженные ионы. Процесс диссоциации значительно ускоряется при наличии влаги, которая практически всегда присутствует в воздухе. При этом ионы окислов несовместимых металлов создают течение тока, и образуется электролиз. В результате этого процесса ионы не только переносят электрические заряды, но и перемещаются сами. Начинается разрушение самого металла, и в нем образуются раковины и пустоты. В таком состоянии невозможно обеспечить надежный электрический контакт или целостность детали. Мало того, плохой контакт начинает нагреваться. В итоге ситуация еще больше ухудшается, вплоть до момента возгорания в месте контакта.
Информация о стандартах и нормативах
Несовместимые пары металлов не ограничиваются только медью и алюминием. В производстве и монтаже широко используются разные стали, олово, никель, хром, цинк и их сплавы. И некоторые из них так же не могут работать совместно даже при нормальных условиях, не говоря уже о высоких температурах, влажности, морской воде и химически агрессивных средах.
Полная информация о совместимости пар металлов и сплавов приведена в ГОСТ 9.005-72. Однако его таблицы содержать более 1000 вариантов и ориентироваться там довольно сложно. Стандарт содержит три основных таблицы несовместимости металлов в зависимости от условий эксплуатации:
1. для нормальных атмосферных условий;
2. для жестких и очень жестких условий;
3. для работы соединений в морской воде.
Кроме однозначно недопустимых контактов норматив отмечает моменты ограниченно допустимые при средних атмосферных условиях. Что это означает не совсем понятно.
Более простое решение
Чтобы упростить понимание совместимости металла, здесь приведена таблица наиболее часто встречающихся сочетаний, работающих при нормальных (комнатных) атмосферных условиях.
В нее вошли самые распространенные в производстве, монтаже и строительстве материалы.
Совместимость металлов или как избежать гальванической коррозии?
Контактная коррозия происходит при непосредственном контакте двух разнородных металлов. Нельзя, к примеру, соединять алюминиевые листы медной заклепкой, так как при определенных условиях они образуют сильную гальваническую пару.
Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод).
Почти все пары разнородных металлов, находящиеся в контакте между собой, подвержены коррозии, так как даже влага из воздуха может выступить в роли электролита и активировать их электродный потенциал. Но одни пары уязвимы в большей степени, а другие – в меньшей.
Например, алюминий отлично контактирует с оцинкованной сталью, хромом и цинком, а латунь совершенно не «дружит» со сталью, алюминием и цинком. Чтобы узнать, какие металлы совместимы, а какие нет, обратимся к основам химии.
В ряду электрохимической активности металлы стоят в следующей последовательности:
Электрохимический ряд напряжения металлов
Для примера рассмотрим пару алюминий – медь. Алюминий стоит в ряду слева от водорода и имеет электроотрицательный потенциал равный -1.7В, а медь находится справа и имеет положительный потенциал +0.4В. Большая разница потенциалов приводит к разрушению более активного алюминия. Медь сильнее всех, впереди стоящих элементов, поэтому в паре с любым из них она выйдет победителем. Чем дальше друг от друга в ряду стоят элементы, тем выше их несовместимость и вероятность протекания гальванической коррозии.
Данные о совместимости некоторых металлов представлены в таблице:
| Алюминий | Латунь | Бронза | Медь | Оцинкованная сталь | Железо | Свинец | Нержавеющая сталь | Цинк | |
| Алюминий | Д | Н | Н | Н | Д | О | О | Д | Д |
| Медь | Н | О | О | Д | О | Н | О | Н | Н |
| Оцинкованная сталь | Д | О | О | О | Д | О | Д | О | Д |
| Свинец | О | О | О | О | Д | Д | Д | О | Д |
| Нержавеющая сталь | Д | Н | Н | Н | О | О | О | Д | Н |
| Цинк | Д | Н | Н | Н | Д | Н | Д | Н | Д |
Д – абсолютно допустимые контакты (низкий риск ГК);
О – ограничено допустимые контакты (средний риск ГК);
Н – недопустимые контакты (высокий риск ГК).
Приведенная таблица может служить кратким справочником для определения совместимости некоторых конструкционных металлов. Допустимость и недопустимость контактов разнородных в электрохимическом отношении металлов устанавливает ГОСТ 9.005-72.
Пример недопустимых гальванических пар:
Гальваническое действие может возникнуть, если строительную конструкцию из нержавеющей стали скреплять оцинкованными болтами. В этой нежелательной паре пострадает высоко анодный крепеж, поскольку его электроны будут перемещаться в направлении катодной нержавеющей стали. Поэтому, крепежные детали должны быть изготовлены из менее гальванически активного металла, чем материал металлоконструкции.
На скорость течения гальванокоррозии оказывает влияние площадь поверхности анода и катода. Если большой по размеру анод соединить с маленьким катодом, то анод будет ржаветь медленно, а если сделать наоборот, то быстро. Например, используйте болты из нержавеющей стали для крепления алюминия, но не наоборот.
Степень интенсивности протекания контактной коррозии зависит и от условий эксплуатации соединения. В обычных атмосферных условиях процесс будет протекать менее быстро и возрастает в агрессивной электропроводной среде, например, растворах кислот и щелочей. Присутствие в воде других веществ увеличивает проводимость электролита и скорость коррозии. Поэтому при проектировании конструкций важна оценка окружающей среды.
Как защитить конструкцию или узел от контактной коррозии?
Если по конструктивным соображениям невозможно избежать нежелательного контакта разнородных металлов, то можно попытаться уменьшить гальваническую коррозию с помощью следующих методов:
- окраска поверхностей в районе их стыка;
- нанесение совместимых металлических покрытий;
- изоляция соединения от внешней среды;
- электрическая изоляция;
- установка неметаллических прокладок, вставок, шайб в болтовых соединениях.
Практика показывает, что в тех случаях, когда пренебрегают требованиями к допустимости контактов разных металлов, приходится дорого за это расплачиваться. Неправильная компоновка контактных пар выводит из строя узлы крепления, металлоконструкции и может стоять человеческой жизни.
Нержавеющая сталь, это сплав с хромом и никелем в основном, кстати которых в приведенном ряду нет. Хром стоит между цинком и железом (ближе к цинку), никель - после железа. Собственно поэтому непросто говорить про поведение нержавеющих сталей, многое зависит от соотношения содержания этих элементов. Хрома существенно больше, но не знаю, как это влияет на электрохимическую активность (возможно зависимость совсем не линейна, да и разница потенциалов там разная, не симметрично эти металлы относительно железа стоят). Всё ещё пишут про зависимость от количества углерода. Высокоуглеродистые стали и чугуны менее коррозионностойкие.
Алюминий и нержавейка на яхте вместе не живут. Может из за влаги и соли в воздухе, может еще по какой причине но это факт.
Дмитрий, нержавейка-алюминий нежелательный контакт - это ваши догадки?
Нержавейка-алюминий нежелательный контакт, а в таблице стоит ДА .
Очень нужная статья. Только бы побольше вариантов крепления с алюминием в трущейся паре
Болты из алюминия - свежо!
Нержавеющая сталь - это в основном железо. Оно рядом с цинком. Кто там пару создаёт?
В целом очень поверхностная заметка.
Совместимость металлов и сплавов
20 Ноября 2016
Согласно знаменитой поговорке, "электротехника - наука о контактах".
Любому электромонтажнику известно, что нельзя скручивать между собой медный и алюминиевый провода. Медная шина заземления или латунная стойка для платы плохо сочетаются с оцинкованными винтиками, купленными в ближайшем строительном супермаркете - коррозия может уничтожить электрический контакт. Голая алюминиевая деталь вообще может постепенно превратиться в прах, если к ней приложить даже низковольтное напряжение.
В советских ГОСТах было написано почти всё о допустимых контактах металлов, однако сейчас может быть весьма неудобно искать в старых документах информацию о соединениях. Хабраюзер @teleghost собрал все данные в одной таблице.
Далее приведена выдержка из ГОСТ 9.005-72 для средних атмосферных (т.е. комнатных) условий. Кликабельно.
Буква «А» означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях». Определение данного понятия из ГОСТ под спойлером.
Данные контакты могут применяться в изделиях, конструкционные особенности и эксплуатационные условия которых позволяют периодически возобновлять защиту контактных поверхностей нанесением рабочих или консервационных смазок, лакокрасочных покрытий или при условии допустимости коррозионного поражения контактирующих материалов для назначенного срока службы изделия.
Несколько слов о металлах.
Оцинкованная сталь — основная рабочая лошадка народного хозяйства. В виде различных метизов «оцинковка» встречается в магазинах стройматериалов гораздо чаще, чем, например, нержавейка. Фабричные корпуса ПК, технологические ящички и шкафчики для оборудования чаще всего выполнены из оцинкованной холоднокатанной стали толщиной порядка 1мм.
Нержавеющая сталь — королева сталей: прочная, пластичная, стойкая к коррозии, электропроводная, круто выглядит. Слишком тугая, чтобы резать и гнуть её дома в промышленных масштабах. Хромистые и хромисто-никелевые нержавейки электрически плохо совместимы с цинком и «голой» сталью, зато дают надёжный контакт с медью без помощи олова. Алюминий, а также азотированная, оксидированная и фосфатированная низколегированная сталь ограниченно совместимы при стандартных атмосферных условиях. Нержавейка марки А2 не «магнитится», но существуют и нержавеющие стали с магнитными свойствами. Магнитные свойства не влияют на коррозионную стойкость нержавеющей стали.
Алюминий и его сплавы бывают анодированные (с защитным слоем) и обычные (неанодированные). Алюминий легко обрабатывать в домашних условиях, но необходимо помнить о коррозии. Не используйте голый алюминий в качестве проводника даже с низковольтным напряжением, иначе ток медленно обратит деталь в прах. Обработанным в мастерской алюминиевым и дюралюминиевым деталям показана полная эквипотенциальность (наведённые полями токи вроде бы по фиг, заземлять тоже можно). Алюминий совместим с цинковым покрытием, но для контакта с медью, «голой» или никелированной сталью требуется оловянная «прокладка». Ограниченно допустим контакт алюминия с нержавейкой в атмосферных условиях. Для простоты можно принять, что при контакте с другими металлами и покрытиями алюминий будет корродировать сам по себе, без помощи внешнего электричества.
Медь мягкая и довольно неаппетитно окисляется на воздухе, поэтому изделия из меди заключают в герметичную оболочку или лакируют. Латунные бляхи солдатских ремней и стойки для электронных печатных плат лучше сопротивляются окислению и выглядят аппетитнее позеленевшей меди, особенно если их периодически полировать (я про бляхи, конечно). При этом ни медь, ни её сплав с цинком (латунь) «не дружат» с чистым цинком и его покрытиями. Зато медь совмещается с хромом, никелем и нержавейкой. А если вы держите в руках какую-нибудь клемму, то она наверняка из лужёной (покрытой оловом) меди.
Олово относительно стойко к коррозии (в комнатных условиях) и электрически совместимое почти со всем, кроме чугуна, низколегированных и углеродистых сталей и магния. Не стоит паять оловом и бериллий, будьте внимательны при сборке домашнего ядерного реактора. Олово используют, чтобы из недопустимого электрического контакта получить допустимый, т.е. в качестве «прокладки». Клеммы из лужёной меди — отличный пример.
Не следует использовать олово при низких температурах - с прошлого века известна т.н. «оловянная чума» - полиморфное превращение т. н. "белого олова" в "серое" (b-Sn → a-Sn), при котором металл рассыпается в серый порошок. Причина разрушения состоит в резком увеличении удельного объёма металла (плотность b-Sn больше, чем a-Sn). Переход облегчается при контакте олова с частицами a-Sn и распространяется подобно "болезни". Наибольшую скорость распространения оловянная чума имеет при температуре —33°С; свинец и многие др. примеси её задерживают. В результате разрушения "чумой" паянных оловом сосудов с жидким топливом в 1912 погибла экспедиция Р. Скотта к Южному полюсу.
Оловянная чума (распад олова при низких температурах).
Никелем покрыты блестящие «компьютерные» винтики. Такое покрытие совместимо с медью и бронзой, латунью, оловом, хромом и нержавеющей сталью. Никель несовместим с цинком и алюминием (для алюминия лучше контакт с нержавеющей сталью, см. ниже).
Особенности коррозионной агрессивности неметаллов. Приложение 3б к ГОСТ 9.005-72:
Нужен полный текст и статус документов ГОСТ, СНИП, СП?
Попробуйте профессиональную справочную систему
«Техэксперт: Базовые нормативные документы» бесплатно
Единая система защиты от коррозии и старения
МЕТАЛЛЫ, СПЛАВЫ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ
Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами
Unified system of corrosion and ageing protection. Metals, alloys, metallic and non-metallic coatings. Permissible and impermissible contacts with metals and non-metals
Дата введения 1973-07-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Государственным комитетом СССР по стандартам
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 26.07.72 N 1483
3. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
Номер пункта, приложения
2.1, приложение 3в
4. Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 26.10.92 N 1451
5. ИЗДАНИЕ (декабрь 2003 г.) с Изменением N 1, утвержденным в январе 1989 г. (ИУС N 4-89)
Переиздание (по состоянию на июль 2008 г.)
Настоящий стандарт распространяется на машины, приборы и другие технические изделия (далее - изделия), предназначенные для эксплуатации в различных атмосферных условиях, в морской и пресной воде при температурах, характеризующих природные условия.
Стандарт устанавливает общие требования к допустимости контактов разнородных в электрохимическом отношении металлов, сплавов и металлических и неметаллических неорганических покрытий (далее - металлов) и металлов с неметаллами (в твердом фазовом состоянии) в изделиях и к методам защиты от контактной коррозии.
Стандарт не распространяется на контакты металлических покрытий с металлическим или неметаллическим подслоем, контакты металлов с неметаллами в прецизионных приборах и изделиях электронной техники, контакты металлов с электропроводящими неметаллами.
(Введен дополнительно, Изм. N 1).
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Требования настоящего стандарта должны применяться при проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий и учитываться в стандартах и другой нормативно-технической документации на конкретные изделия.
1.2. Допустимость контактов металлов установлена в настоящем стандарте с учетом разности потенциалов металлов, их поляризуемости в данной среде и омического сопротивления среды.
Для изделий, эксплуатируемых в морской и пресной воде, учитывается также соотношение площадей металлов, находящихся в контакте.
Для контактов металлов с неметаллами в настоящем стандарте допустимость установлена с учетом агрессивности неметалла по отношению к металлу и влияния металла на процессы разрушения неметалла, повышения коррозионной агрессивности атмосферы неметаллом за счет деструкции полимеров и других физико-химических процессов, коррозионной агрессивности продуктов коррозии металла.
1.2а. Допустимость контактов металлов с неметаллами, при которых образуются щели, зазоры и т.п., способствующие протеканию коррозионных процессов, устанавливают в нормативно-технической документации на конкретные изделия по результатам коррозионных испытаний.
1.3. В зависимости от агрессивности среды и степени опасности возникновения контактной коррозии (коррозионного поражения) устанавливаются допустимые, ограниченно допустимые и недопустимые контакты металлов со следующими обозначениями:
Читайте также: