Aluminiumoxidation - Reaktion, Verfahren und Anwendung
Mittwoch, 9. Oktober 2024
Aluminium hat die Fähigkeit, aktiv mit Sauerstoff zu reagieren. Das dabei entstehende Aluminiumoxid A1 2 O 3 überzieht die Oberfläche des Produkts mit einer starken und dichten Schicht. Die Oxidation von Aluminium bei normaler Temperatur hört praktisch auf, sobald die maximale Schichtdicke erreicht ist. Die maximale Schichtdicke, nachdem Aluminium bei 20 °C der Luft ausgesetzt wurde, ist nach 7-14 Tagen erreicht und beträgt 5-10 nm.
Die Oxidation von Aluminium lässt sich durch die guten Schutzeigenschaften der Oxidschicht erklären. Dies wird durch den bekannten Grundsatz bestätigt, dass sich eine dichte Schicht mit Schutzeigenschaften bildet, wenn das Verhältnis des Volumens des Oxids zum Volumen des oxidierten Metalls größer als eins ist, und dieses Verhältnis beträgt bei Aluminium 1,24, während es bei Magnesium 0,79 beträgt. Aufgrund der schlechten Schutzeigenschaften der Magnesiumoxidschicht erfolgt ihre Oxidation im Gegensatz zu der von Aluminium kontinuierlich, und die Dicke der Schicht nimmt mit der Zeit linear zu.
Die Oxidation von Aluminium wurde von den Wissenschaftlern schnell erkannt. Denn durch die Reaktion wird die Oberfläche des Metalls praktisch korrosionsbeständig. Solange es nicht durch Kratzen oder Biegen beschädigt wird, ist es die Oxidation von Aluminium, die es sicher macht. Die Reaktion wird durch die Eigenschaften von Aluminiumoxid selbst ermöglicht, wie z. B. seine Fähigkeit, Gase, insbesondere Wasserdampf, zu adsorbieren. Letzterer wird von der Oxidschicht bis zum Schmelzpunkt des Metalls zurückgehalten. Die Aluminiumoxidschicht, die sich durch eine beträchtliche mechanische Festigkeit auszeichnet (20 MPa bei einer Dicke von 10 - 5 cm), wird trotz ihrer im Vergleich zu Aluminium höheren Dichte (2,85-3,95) leicht durch Oberflächenspannungskräfte auf der Metalloberfläche gehalten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Oxidschicht ist fast 6-mal kleiner als der von Aluminium, so dass sich bei Erwärmung des Metalls Risse in der Oxidschicht bilden.
Wenn das oxidierte Aluminium Legierungszusätze enthält, kann sich die Zusammensetzung der Oxidschicht ändern. In der Zusammensetzung der Oxidschicht von silizium- oder magnesiumhaltigen Legierungen wird das Vorhandensein von Sillimanit (Al 2 O 3 -SiO) bzw. Magnesiumspinell (MgO-Al 2 O 3 ) festgestellt. Wenn das oxidierte Aluminium Verunreinigungen mit Alkali- und Erdalkalielementen enthält, ist die Oxidschicht mit deren Oxiden angereichert. Eine solche komplexe Oxidschicht ist lockerer, hygroskopischer und weniger in der Lage, das Metall vor Gasdiffusion zu schützen.
Die Oxidation von Aluminium erschwert den Schweißprozess. Dank seines hohen Schmelzpunkts (2050 °C) schmilzt die Oxidschicht während des Schweißvorgangs nicht und überzieht das Metall mit einer dauerhaften Schicht. Während des Schweißvorgangs müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Schicht zu zerstören und zu entfernen und das Metall vor erneuter Oxidation zu schützen. Aufgrund der hohen chemischen Festigkeit der Verbindung ist es fast unmöglich, Aluminium unter Schweißbedingungen aus dem Oxid zu lösen. Es ist auch nicht möglich, Al 2 O 3 in der Reaktion Säure + Base = Salz zu einer starken Verbindung zu binden. Daher beruht die Wirkung beim Schweißen von Aluminium auf den Prozessen des Auflösens und Abwaschens der dispergierten Oxidschicht.
Schweißpulver und Elektrodenüberzüge zum Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen sind ähnlich aufgebaut. Aluminiumoxidationsmittel sind niedrigschmelzende Mischungen von Chloridsalzen der Alkali- und Erdalkalielemente, denen zur Aktivierung der Flussmittelwirkung eine geringe Menge Fluoridverbindungen zugesetzt wird.
In Aluminiumlegierungen ist die Konzentration der Legierungselemente im Allgemeinen gering und überschreitet selten 5-10 %. Berücksichtigt man die extrem hohe Aktivität von Aluminium gegenüber Sauerstoff und seine Fähigkeit, viele Metalle aus ihren Oxiden zu reduzieren, so sind keine nennenswerten Oxidationsverluste von Elementen wie Cu, Mn, Fe, Si, Zn zu erwarten, die in Legierungen in geringen Konzentrationen vorkommen.
Eine Ausnahme könnte Magnesium sein, das eine viel höhere Affinität zu Sauerstoff hat als Aluminium. Überschlägige Berechnungen zeigen, dass in einer Aluminiumlegierung die stärkste Oxidation von Magnesium zu beobachten ist, wenn sein Anteil in der Legierung einige Zehntelprozent beträgt. Das Vorhandensein einer starken Oxidschicht auf der Metalloberfläche wirkt sich auf die Art der Übertragung von Metalltropfen aus. Beim Schweißen in einer oxidierenden Umgebung erreicht die Größe der aus der Elektrode austretenden Tröpfchen einen hohen Wert und der Lichtbogen brennt instabil. Durch die Verringerung der oxidierenden Wirkung der Atmosphäre und die Verwendung von Beschichtungen auf den Elektroden kann die Größe der übertragenen Tröpfchen verringert werden.
