Соединение алюминия и стали

При разработке тех или иных изделий различного назначения, особенно которые будут находиться в агрессивных средах, следует избегать непосредственного контакта разнородных металлов, так как при попадании влаги вместе их касания, образуются недопустимые гальванические пары вызывающие усиленную коррозию.

С чего обычно начинаются работы по добавлению функционала наших машин? Правильно – с посещения сайтов и форумов, чтобы посмотреть, как другие реализовали подобные идеи, подчерпнуть что-то интересное и не совершать чужих ошибок. Но всегда ли стоит верить тому, что написано на форумах? Чужой опыт не всегда является истиной и редко описывается человеком, достигшим Дзен в данном вопросе. Вспоминаю свои первые посты – такую ерунду писал, да еще и отстаивал свою правоту, да так убедительно. А ведь кто-то может этим воспользоваться. Так же помню читал раньше, где уже не помню, о том, что ни в коем случае нельзя выполнять отделку кузова алюминием. Звучало это приблизительно так: «Ребята, да Вы что, совсем физику не учили?! При контакте алюминия и железа Вы создаете гальваническую пару и у Вас кузов за полгода сгниет весь, растворится! Головой-то надо думать хоть иногда!». Гальваническая пара создается, да, но будет ли таким плачевным результат? Об этом далее.
По моей новой профессии отправили меня учится на повышение квалификации в Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет, где в течении двух недель кандидаты технических наук рассказывали мне о коррозии металла и как с ней бороться. Эта статья не будет научно-публицистической, дабы не забивать Вам голову, постараюсь все рассказать на примере яблок, образно.
Итак, по механизму протекания коррозия делится на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия протекает в неэлектролитической среде при высокой температуре. Так как мы рассматриваем кузов автомобиля, то данный тип коррозии не применим. Нас интересует электрохимическая коррозия, электролитом в которой выступает влага. Из курса физики и химии мы все помним, что все металлы имеют кристаллическую решетку, в которой электроны свободно двигаются и называется такая решетка металлосвязью. Эта связь атомов не очень крепкая и ее свойства позволяют активно использовать данные материалы в нашей жизни.
Но тот факт, что она не крепкая доставляет нам проблемы. Например, диполи воды (а вода, в силу своего строения, является довольно агрессивной средой) разбивают металлосвязь и наиболее активно это происходит в местах, где количество электронов недостаточно, вытягивая молекулы металла и создавая с ними более стабильное соединение. Эти места являются очагами коррозии. Как же возникают участки металла с малым количеством электронов? Связано это как раз со способностью электронов свободно перемещаться в кристаллической решетке металла. Все металлы имеют естественный потенциал (электростатический), отличный от нуля. Железо в естественных условиях имеет потенциал, равный приблизительно -0,44 Вольта, цинк -0, 76 В, алюминий -1, 67 В, магний -2,3 В. Но даже металл одной природы, например, лист железа, в разных своих частях имеет отличающиеся потенциалы. Незначительно, но отличаются. Это связано с различными причинами, в том числе с механическими напряжениями в структуре металла, различными вкраплениями, острыми краями, заусенцами, царапинами, наклёпами, сварочными швами и т.д. Такие места имеют более отрицательный потенциал по отношению к другим частям и они являются анодными зонами, т.е. анодами (остальные части соответственно являются катодами).
При протекании электрохимической коррозии в электролите анод насыщает электронами через проводник катод, тем самым теряя силу молекулярной связи и разрушается под действием агрессивной среды.
Вспомните места, где наиболее часто гниет кузов – это сгибы кузова, швы, соединения различных частей и т.д., т.е. в местах, где присутствует влага и есть дополнительные факторы, создающие анодные зоны. Те же полики на наших машинах не гниют равномерно по всей площади. Очаги начинают развиваться в углах и на сгибах. Каждый из Вас может в качестве подтверждения провести один небольшой и не сложный опыт: Возьмите два одинаковых гвоздя. Один из них согните на 90 градусов. Затем обезжирьте оба и не касаясь пальцами (можно брать их бумажкой) положите в раствор поваренной соли (NaCl). Коррозия будет протекать наиболее интенсивно на согнутом гвозде в месте изгиба. На прямом гвозде она будет протекать более равномерно по всей площади и менее интенсивно. Кому доводилось разбирать деревянные постройки, в которых ржавые гвозди, могут вспомнить, что согнутые гвозди в местах сгибов очень легко ломаются и практически все место слома ржавое насквозь.
От действия коррозии кузов защищает изоляция, в роли которой выступают краска и грунтовка. Но тут есть один момент – в местах нарушения изоляции коррозия будет развиваться более интенсивно, нежели бы весь металл был голым, без изоляции.
Так какое же все-таки влияние оказывает алюминий на железо в местах контакта? Металлы с более отрицательным естественным потенциалом при соприкосновении с железом выступают в роли анода, т.е. защищают металл от коррозии. К таким металлам относятся цинк, алюминий и магний. Т.е. при отделке кузова алюминием при наличии электролита между ними в качестве анода будет выступать алюминий и именно он будет разрушаться. Процесс этот длительный, а при условии, что алюминий редко несет серьезные механические нагрузки – еще и безболезненный. На данном принципе построена протекторная защита металлоконструкций от коррозии, например, нефтепроводов.
Конечно, никто Вам гарантий того, что уложив лист алюминия на полик Вы полностью защите кузов от коррозии, здесь не дает. На этот процесс влияет много факторов, в том числе токи, протекающие по кузову от электроприемников, различные агрессивные среды, разлитые масла, химические жидкости и т.д. Но хуже алюминием Вы не сделаете, даже наоборот.
Здесь еще стоит отметить, что в местах контакта кузова с металлами, имеющими меньший естественный потенциал по отношению к железу, железо уже не будет катодом, а станет анодом, как следствие процесс коррозии будет протекать более интенсивно. К таким металлам относятся никель, олово, свинец, медь. Серебро и золото тоже, но они думаю у вас в машинах не валяются.

Вот собственно и все о коррозии и с чем ее едят, не сильно кратко, но и не очень заумно) Надеюсь, что статья оказалась для Вас полезной!

Надежный способ сваривание железа и алюминия через биметалл.

• Биметалл-это композиционный материал состоящий из нескольких слоев разнородных металлов.

Способы его изготовления путем одновременного проката через валы. Происходит диффузия молекул между слоями. Алюминирование горячим непрерывны и прерывным методом. Погружают в флюс металл, дают просохнуть, обрабатывают реакционным газом. Поверхность металла становится чистой и слегка пористой. После погружения в горячую ванну алюминиевого расплава держат до полного прогрева элемента и удерживаю некоторое время. Алюминий проникает в пористую поверхность. После элемент изымают и часть расплавленного металла закупоривается в поверхности образуется прочное соединения. Электролитический способ самый затратный и энергоемкий.

На примере рассмотрим как сварить алюминий со сталью. Возьмем брусок алюминиевый, биметалл состоящий из слоев алюминия и нужной нам стали, саму сталь. Перед сваркой поверхности обработать и обезжирить.

• Привариваем сперва алюминий к алюминиевой подложки биметалла. При этом не перегреваем. А желательно лучше сваривать хорошим полуавтоматом сваркой MIG. Проволока тоже алюминиевая. Здесь и скорость большая и можно регулировать глубину проваривания. Затем даем остыть.
• После стальную часть пластины привариваем к самой стали. Уже проволокой для стали. Алюминий играет очень важную роль по отводу тепла. Если допустить перегревания метало особенно алюминий, то произойдет экзотермическая реакция со сталью. Образуется на границе сплавления очень хрупкое соединения FeAl3 и ему подобных.

На фотографии выглядит примерно так.

В разнородных сварках металла часто используют буферный металл или биметалл.

Бытует мнение что многим удавалась сварка алюминия со сталью. Весь процесс тщательно скрывают и показывают конечный результат.Одни действительно тестируют ломают и показывают что такое соединение не надежно. Другие показывают что возможно и даже шлифуют разрезают, но при этом не ломают. Результат один и тот же сварка не надежна. Соединение хрупкое на излом. Что можно сделать в домашних условиях. Это обработать раствором сталь для образования пор. Нанести флюс и дать высохнуть. Расплавить алюминий чистый А0. Довести до температуры свыше точки кипения примерно 750 Цельсия. Когда погружаете сталь Флюс вступает в реакцию с оксидной пленкой алюминия и растворяет ее на поверхности освобождает тем самым доступ к открытым порам стали. Как и описывал выше происходит алюминизация поверхности. Желательно использовать тонкую сталь. Процесс будет протекать быстрее. Дальше проводим сварку алюминия со сталью. Две обработанные поверхности алюминия и нашего куска стали соединяем и варим TIG сваркой. Пруток тоже используем чистый алюминий. Свариваем по краю со стороны алюминиевой заготовки. Она заберет большую часть тепла.

На видео хорошо видно стальную заготовку.Кончик которой алюминизирован. В этом случае происходит проваривания алюминия с алюминиевым слоем на стали.

А что такое сварка каждый сварщик знает. Неразделимое соединение выполненное путем свариванием металла. А однородное оно или нет умалчивается.

А вот как соединить сталь с алюминием тут уже множество вариантов.Несколько из методов описывал на верху. Методом пайки осуществляют такие соединения с применением припоев. Клепочным способом. Самый бюджетный и простой на мой взгляд но не везде применимый. В судостроении там свою технологию не раскрывают по сварке алюминия и стали. А так в основном применяют тугоплавкие припои на основе серебра, с применением различных флюсов.

Сам заинтересован в методе сварки алюминия со сталью. Все об этом говорят изображают, показывают, снимают видео. А задокументировать и доказать о надежности такой сварки пока еще не осилили.