Коррозия олова с алюминием

Допустимые и недопустимые контакты металлов. Популярные метрические и дюймовые резьбы

Электронику часто называют наукой о контактах. Многие знают, 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. Почему? Коррозия может уничтожить электрический контакт, и прибор перестанет работать. Если это защитное заземление корпуса, то прибор продолжит работу, но будет небезопасен. Голая алюминиевая деталь вообще может постепенно превратиться в прах, если к ней приложить даже низковольтное напряжение.

Доступные нам металлы не ограничиваются только медью и алюминием, существуют различные стали, олово, цинк, никель, хром, а также их сплавы. И далеко не все они сочетаются между собой даже в комнатных условиях, не говоря уже о жёстких атмосферных или морской воде.

В советских ГОСТах было написано почти всё о допустимых контактах металлов, но если изучение чёрно-белых таблиц из 1000 ячеек мелким шрифтом утомляет, то правильный ответ на «медный» вопрос — нержавейка, либо никелированная сталь, из которой, кстати, и сделан почти весь «компьютерный» крепёж. В эпоху чёрно-белого телевидения были другие понятия об удобстве интерфейса, поэтому для уважаемых читателей (и для себя заодно) автор приготовил цветную шпаргалку.

И, раз уж зашла речь о металлообработке, заодно автор привёл таблицу с популярными в электронике резьбами и соответствующими свёрлами, отобрав из объёмных источников наиболее релевантное по тематике портала. Не все же здесь слесари и металлурги, экономьте своё время.

Преамбула

Да, в век 3D-печати популярность напильника с лобзиком несколько потускнела. Но клетка Фарадея для РЭА по-прежнему является преимуществом, не забываем и про защитное заземление. Да, для печати корпусов РЭА уже доступен электропроводный (conductive) ABS-пластик, но судя по источнику, его удельное сопротивление примерно в миллион раз больше меди. Дескать, пыль уже не липнет, но для заземления всё равно многовато. Напечатать же стальные детали корпуса ПК в домашних условиях пока никак невозможно, да мы и алюминий-то с оловом никак не освоим…

Что же делать? Нашему брату приходится действовать методом Микеланджело, используя для творчества вместо каменной глыбы купленные в DIY-магазине заготовки, либо вообще старые корпуса ПК. Работая как-то с корпусом от старого сервера IBM из шикарной миллиметровой стали, автор впал в ступор, потому что имеющаяся резьба была крупнее М3, но мельче #6-32 (позже выяснилось, что это М3,5). Зачем вообще понадобилось в 2003-м году использовать метизы М3,5, останется загадкой, но о существовании дробной метрической резьбы автор даже не подозревал.

UPD
Для моддеров, кстати, рынок предлагает новые, удобные инструменты арсенала домашней мастерской, и про один из них (осциллорез) я рассказываю в отдельной публикации. Арсенал принадлежностей прекрасно дополнит более привычные циркулярные мини-пилы (aka «дремели»), а отсутствие эффекта «запрессовки зубьев» упростит обработку вязких металлов типа меди и алюминия. Инструмент лёгкий, не такой неуклюжий и опасный, как «болгарка». Можно пилить металл практически на уровне носа и без риска получить рубящий удар от заклинившего или осколок от «взорвавшегося» диска. А так бывает в красочно описанных уважаемыми читателями случаях с УШМ: 300-граммовый блин «болгарки» делает 200 оборотов в секунду, потребляя до 2кВт электричества, и требует чуть ли не костюм сапёра. Работающий же осциллорез травматологи упирают себе пильной стороной прямо в ладонь, чтобы успокоить пришедшего на снятие гипсовой повязки пациента… Впрочем, вернёмся к нашим металлам.

Допустимые и недопустимые контакты металлов по ГОСТ 9.005-72

DISCLAIMER: Предоставляется «как есть». Если уважаемый читатель занимается моделизмом, автомобилизмом или робототехникой, в ГОСТе также приведены: Таблица №2 для жестких и очень жестких атмосферных условий, Таблица №3 для контактов, находящихся в морской воде. Ниже я предлагаю выдержку из Таблицы №1 для средних атмосферных (т.е. комнатных) условий. Буква «А» означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях», подробности в самом ГОСТе.

Кликабельно (спасибо, НЛО):

Пара слов о металлах

Металлурги, поправляйте, если что не так. Коррозия очень объёмная и сложная тема, и я не претендую на полноту её освещения. Я лишь даю выборочные зарисовки, чтобы сформировать у читателя нужные ассоциативные ряды.

Читайте также:  Чем очистить паяльник от олова

Алюминий и его сплавы бывают анодированные (с защитным слоем) и обычные (неанодированные). Алюминий легко обрабатывать в домашних условиях, но помните 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.

Витая пара из омедненного алюминия (Copper Clad/Coated Aluminium, CCA) — это отдельная история, в домашних условиях кабель всё равно не производится.

Пара слов про case modding

Если вы занимались сборкой ПК, то наверняка знаете, что болтики для монтажа приводов CD/DVD, «ноутбучных» дисков 2.5″ и флоппи-дисководов (ха-ха) используют метрическую резьбу M3. В корпусах ПК и жёстких дисках 3.5″ используется более грубая дюймовая резьба #6-32 UNC. Почему? Мягкий металл любит более грубую резьбу, к тому же адепты дюймовой системы пока лидируют на рынке технологий. Стойка 19″ использует (вы не поверите) дюймы в качестве основной меры, однако для монтажа оборудования я встречал только оцинкованные клетевые шайбы и винты с метрической резьбой М6. Дюймово-метрический дуализм в технологиях…

Обустройство своей инженерной кухни я начал с того, что купил защитные очки, набор качественных свёрл по металлу, небольшой вороток и метчики на резьбы M3 и #6-32 UNC, а заодно M4 и M6. Плашки не понадобились.

Популярые виды резьбы, используемой в компьютерной технике
ГОСТ 19257-73 рекомендует использовать следующие диаметры свёрл для металлов. Наверное, стоит учитывать и количество метчиков в наборе: чем твёрже материал, тем больше необходимость в «предварительных» метчиках. У меня их по три штуки, два «грубых» и один «финишный». А как правильно, кстати?

UPD
А как правильно — читайте комментарии, на публикацию-таки зашли мастера слесарного дела, только я не успел отсортировать всю информацию. Пользователь golf2109 любезно принёс сюда прямо из мастерской два правых столбца таблицы для обозначения того, как мягкость (вязкость) металла влияет на диаметр отверстия под резьбу, благодарю за поддержку.

Диаметр резьбы Стандартный шаг, мм Диаметр сверла, мм
ГОСТ Fe Al
M2 0.4 1,6 1.5* (-0.1)
M2,5 0.45 2.0 1.8* (-0.2)
M3 0.5 2.5 2.3 (-0.2)
M3.5 0.6 2.9 2.7* (-0.2)
M4 0.7 3.3 3.2 3.0 (-0.3)
M5 0.8 4.2 3.9 (-0.3)
M6 1.0 5.0 4.9 4.6 (-0.4)
M8 1.25 6.8 6.7 6.3 (-0.5)
M10 1.5 8.5 8.0 (-0.5)
#6-32 UNC 0.794 2.85 2.7* 2.5* (-0.35)

* Я рискнул прикинуть калибры двух дополнительных свёрл для стали и алюминия там, где по ним у меня нет данных в источниках. Обратите внимание, резьба #6-32 UNC по наружному диаметру находится между M3 и M4, а по шагу резьбы вообще ближе к M5.

UPD
Если сверлите что-то толще миллиметрового листа, читайте спойлер про СОЖ .

На известной китайской площадке можно приобрести «пальцевые» винтики (thumb screw), причём и на #6-32, и на M3. Материал и цвет разный.

Источники

» ГОСТ 9.005-72. Единая система защиты от коррозии и старения. Машины, приборы и другие технические изделия. Допустимые и недопустимые контакты металлов. Общие требования.
» ГОСТ 19257-73. Отверстия под нарезание метрической резьбы. Диаметры.
» Unified Coarse Thread ANSI B1.1 (резьбы UNC ANSI B1.1).

Источник

Гальваническая коррозия алюминия

Следует подчеркнуть, что стойкость алюминия и алюминиевых сплавов к нормальным условиях окружающей среды является очень высокой. Главным источником защиты от коррозии является прочная, самовосстанавливающаяся оксидная пленка, которая всегда присутствует на алюминии в условиях окружающей воздушной атмосферы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Естественная защита алюминия от коррозии – поверхностная оксидная пленка [4]

Основные типы коррозии алюминия

Для коррозии алюминия характерны следующие основные типы [4]:

  • Общая коррозия
  • Щелевая коррозия
  • Фреттиниг-коррозия
  • Коррозия под напряжением
  • Гальваническая коррозия
  • Точечная (питтинговая) коррозия
  • Межзеренная коррозия
  • Подповерхностная коррозия

Рисунок 2 – Общая коррозия алюминия: растворение естественной оксидной пленки
растворами сильных щелочей и некоторых кислот [4]


Рисунок 3 – Щелевая коррозия алюминия [4]


Рисунок 4 – Фреттинг-коррозия алюминия: взаимное трение двух алюминиевых компонентов
в условиях шероховатого контакта [4]


Рисунок 5 – Коррозия алюминиевых сплавов под напряжением: при некоторых условиях
в сплавах Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn-Mg [4]


Рисунок 6 – Гальваническая коррозия алюминиевого сплава
происходит в условиях его мокрого или влажного контакта
с другим, более “благородным” металлом, таким как медь [4]

Читайте также:  Полная характеристика элемента олово


Рисунок 7 – Питтинговая (точечная) коррозия алюминия
под воздействием хлоридных ионов [4]


Рисунок 8 – Межзеренная коррозия и подповерхностная коррозия [4]

В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения. Кроме того, неправильное применение алюминиевых деталей и изделий может усугублять коррозионные процессы.

Гальваническая коррозия алюминия

Наиболее частые ошибки проектирования алюминиевых конструкций связаны с гальванической коррозией. Гальваническая или электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который (ток) и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла из этой пары.

Сущность гальванической коррозии

Когда два различных металла находятся в прямом контакте с электропроводящей жидкостью, то опыт показывает, что один из них может корродировать, то есть подвергаться коррозии. Это называют гальванической коррозией.

Другой металл не будет корродировать, наоборот, он будет защищен от этого вида коррозии.

Этот вид коррозии отличается от тех видов коррозии, которые могли бы возникнуть, если бы оба эти металлы были помещены раздельно в ту же самую жидкость. Гальваническая коррозия может случиться с любым металлом, как только два различных металла будут находиться в контакте в электропроводящей жидкости.

Внешний вид гальванической коррозии

Внешний вид гальванической коррозии является очень характерным. Эта коррозия не раскидывается по всей поверхности изделия, как это бывает с точечной – питтинговой – коррозий. Гальваническая коррозия плотно локализована в зоне контакта алюминия с другим металлом. Коррозионное воздействие на алюминий имеет равномерный характер, он развивается в глубь в виде кратеров, которые имеют более или менее округлую форму [3[.

Все алюминиевые сплавы подвергаются идентичной гальванической коррозии [3].

Принцип батареи

Гальваническая коррозия работает как батарея, которая состоит из двух электродов:

  • катода, где происходит реакция восстановления
  • анода, где происходит реакция окисления.

Эти два электрода погружены в проводящую жидкость, которая называется электролитом. Электролит – это обычно разбавленный кислотный раствор, например, серной кислоты, или соляной раствор, например, сульфат меди. Эти два электрода соединены снаружи электрической цепью, которая обеспечивает циркуляцию электронов. Внутри жидкости передача электрического тока происходит путем перемещения ионов. Жидкость, таким образом, обеспечивает ионное электрическое соединение (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип гальванической ячейки [3]

Рисунок 1 показывает ячейку, в которой электролитом является раствор серной кислоты. Серная кислота полностью диссоциирована в воде (поскольку является сильной кислотой) путем образования ионов Н + , которые определяют кислотность среды. Происходит следующая электрохимическая реакция [3]:

  • цинковый анод окисляется:

на медном катоде восстанавливаются протоны Н + :

Полная реакция имеет вид:

Эта ячейка производит электричество за счет потребления цинка, который выделяется в виде гидроксида цинка Zn(OH)2.

Для работы ячейки необходимо одновременное выполнение трех условий:

  • два различных металла, которые образуют два электрода;
  • присутствие электролита;
  • непрерывность всей электрической цепочки.

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, например, если нарушается электрический контакт, то ячейка не будет производить электричество, и окисления на аноде не будет происходить (также как и восстановления на катоде).

Условия для гальванической коррозии

Гальваническая коррозия основана на том же самом принципе и для того, чтобы она происходила необходимо одновременное выполнение следующих трех условий [3]:

  • различные типы металлов;
  • присутствие электролита;
  • электрический контакт между двумя металлами.

Различные типы металлов

Для любых металлов, которые относятся к различным их типам, гальваническая коррозия является возможной. Металл с электроотрицательным потенциалом (или более электроотрицательный металл, если они оба электроотрицательные) действует как анод.

Тенденцию различных металлов образовывать гальванические пары и направленность электрохимического действия в различных коррозионных средах (морской воде, тропическом климате, промышленной атмосфере и т.д.) показывают в так называемых гальванических рядах. Чем далее удалены друг от друга металлы в этих рядах, тем более серьезной может быть электрохимическая коррозия. В разных коррозионных средах эти последовательности металлов могут быть разными (рисунок 10).

Присутствие электролита

Область контакта должна быть смочена водным раствором, чтобы обеспечивать ионную электропроводимость. В противном случае отсутствует возможность для гальванической коррозии.

Электрический контакт между металлами

Электрический контакт между металлами может происходить или путем прямого контакта между двумя металлами, или через крепежное соединение, например, болт.

Рисунок 10 [1]

Как видно из графиков рисунка 10 алюминий и его сплавы становятся анодами в гальванических ячейках с большинством металлов, и алюминий корродирует, как говорят, жертвенно и защищает от коррозии другой металл гальванической пары.

Только магний и цинк, включая и оцинкованную сталь, являются более анодными и поэтому, сами подвергаясь коррозии, защищают от нее алюминий.

Читайте также:  Назовите аллотропные модификации олова

Алюминий и кадмий вообще имеют почти одинаковые электродные потенциалы и поэтому ни алюминий, ни кадмий не подвергаются гальванической коррозии. К сожалению, кадмий признан весьма токсичным и все реже применяется, а во многих странах просто запрещен, как антикоррозионная защита.

Гальванические пары

Относительное расположение двух металлов или сплавов в гальваническом ряду указывает только возможность гальванической коррозии, если различие их гальванических потенциалов является достаточно большим. Больше этот ряд ничего не говорит, и особенно ничего – о скорости или интенсивности гальванической коррозии. Она может быть нулевой или несущественной или даже незаметной. Ее интенсивность зависит от типов металлов, которые входят в контакт – гальванической пары.

Пара: алюминий – нелегированная сталь

В строительных конструкциях алюминиевые детали, которые открыты для воздействия климатических и погодных воздействий, могут соединяться винтами из обычной стали. Опыт показывает, что алюминий в контакте со стальными винтами подвергается только очень поверхностной коррозии. Возникающая ржавчина, которая не оказывает никакого влияния на алюминий, полностью пропитывает слой оксида алюминия и образует на поверхности пятна. Фактически, для алюминиевой конструкции в контакте с незащищенной сталью важнее будет ее влияние на внешний вид и декоративные качества, а не способность сопротивляться коррозии.

Это явление имеет следующее объяснение:

  • на поверхностях контакта образуются пленки с продуктами коррозии – ржавчины на стали и оксида алюминия на алюминии, которые и замедляют электрохимические реакции.

Пара: алюминий – оцинкованная сталь

Судя по гальваническому ряду, цинк является более электроотрицательным, чем алюминий. Крепеж из оцинкованной стали может, поэтому, применяться для соединения и сборки конструкций из алюминиевых сплавов. Надо помнить, что когда цинковое покрытие станет слишком изношенным, чтобы защищать сталь и алюминий, наступает предыдущий сценарий контакта между алюминием и голой сталью [3] .

Пара: алюминий – нержавеющая сталь

Хотя и существует большая разность потенциалов между нержавеющей сталью и алюминиевыми сплавами – около 650 мВ, очень редко можно увидеть гальваническую коррозию на алюминии в контакте с нержавеющей сталью. Поэтому алюминиевые конструкции очень часто собираются с применением болтов и винтов из нержавеющей стали [3].

Пара: алюминий – медь

Контакт между алюминиевыми сплавами и медью, а также медными сплавами (бронза, латунь) приводит к совершенно незначительной гальванической коррозии алюминия под воздействием атмосферных условий. Тем не менее, рекомендуется обеспечивать электрическую изоляцию между этими двумя металлами, чтобы локализовать коррозию алюминия.

Необходимо отметить, что продуктом коррозии меди является, так называемая, патина. Эта патина – голубовато-зеленый налет на меди, который состоит в основном из карбоната меди. Эта патина химически воздействует на алюминий и может восстанавливаться с образованием малых частиц меди. Эти медные частицы, в свою очередь, могут вызывать локальную питтинговую коррозию алюминия [3].

Ближе к контакту – больше коррозия

Ускоренная гальваническая коррозия обычно наиболее интенсивна вблизи мест соединения двух металлов; с удалением от мест соединения ее интенсивность уменьшается. Существенное влияние на скорость коррозии оказывает величина отношения площади поверхности катода, контактирующей с электролитом, к площади незащищенной поверхности анода. Желательно иметь малое отношение площади катода к площади анода.

Как избежать гальванической коррозии

  1. Выбирать в пару алюминию или его сплаву металл, который как можно более ближе к нему в гальваническом ряду для рассматриваемой коррозионной среды (см. рисунок 10).
  2. Применять «катодный» крепеж. Избегать комбинаций с неблагоприятным (большим) отношением площадей катода к аноду (рисунок 3).
  3. Обеспечивать полную электрическую изоляцию двух соединяемых металлов. Это может быть выполнено с помощью изолирующих прокладок, втулок, шайб и т.п. (рисунок 12).
  4. Если применяется окраска, всегда нужно красить катод. Если покрасить только анод, любая царапина на нем даст неблагоприятное отношение поверхностей катода к аноду и приведет к коррозии царапины.
  5. Увеличивать толщину анода или устанавливать в соединение заменяемые массивные прокладки из анодного металла.
  6. По возможности размещать гальванический контакт вне коррозионной среды.
  7. Избегать резьбовых соединений из металлов, образующих гальваническую пару. Заменять их паяными или сварными соединениями.
  8. Если возможно, применять ингибиторы коррозии, например, в системах с циркуляцией жидкости, которая может играть роль электролита для гальванической коррозии.
  9. В случаях, когда металлы должны оставаться в электрическом контакте через наружную электрическую цепь, нужно разнести их как можно дальше друг от друга для увеличения сопротивления жидкой цепи (электролита).
  10. При необходимости и там, где это возможно, применять катодную защиту с цинковым или магниевым жертвенными анодами.
  11. В наиболее агрессивных средах только цинк, кадмий и магний могут быть в контакте с алюминием без возникновения гальванической коррозии. Заметим, что применение кадмиевых покрытий в значительной степени ограничено из-за их экологической небезопасности.

Рисунок 11 [1]

Рисунок 12 [1]

Источник