Połączenie aluminium i stali pozwala tworzyć wytrzymałe, lekkie i ekonomiczne konstrukcje. Jednak zestawienie tych dwóch metali wiąże się z pewnym zagrożeniem, które nie zawsze jest widoczne na pierwszy rzut oka.
W określonych warunkach między nimi może dochodzić do korozji galwanicznej, która stopniowo uszkadza całe połączenie. Jak przebiega ten proces, kiedy rzeczywiście stanowi problem i jak zapobiegać mu podczas produkcji lub montażu?
Gdy połączenie metali zaczyna działać jak mała bateria
Wyobraź sobie stalową ramę, do której mocujesz blachę aluminiową. Konstrukcja jest stabilna, materiały mają odpowiednie parametry i nic nie wskazuje na to, że mogą pojawić się problemy. Jednak gdy do połączenia przedostanie się woda, mogą rozpocząć się reakcje elektrochemiczne.
Korozja galwaniczna, nazywana również korozją bimetaliczną lub kontaktową, powstaje wtedy, gdy dwa metale o różnym potencjale elektrochemicznym są połączone elektrycznie w obecności elektrolitu. Może nim być woda deszczowa, kondensat lub wilgoć zawierająca rozpuszczone sole.
Całe połączenie zaczyna zachowywać się podobnie jak proste ogniwo galwaniczne. Jeden metal pełni funkcję anody, a drugi katody. Metal mniej szlachetny ulega przy tym szybszemu roztwarzaniu, niż gdyby był samodzielnie narażony na działanie tych samych warunków.
Warto pamiętać, że sam kontakt dwóch różnych metali nie oznacza automatycznie wystąpienia korozji galwanicznej. Jeśli połączenie pozostaje stale suche i nie ma kontaktu z elektrolitem, ogniwo galwaniczne nie może działać.
Co koroduje szybciej – aluminium czy stal?
W typowym połączeniu aluminium ze stalą węglową metalem mniej szlachetnym pod względem elektrochemicznym jest aluminium. Zazwyczaj staje się ono anodą, przez co jest bardziej narażone na korozję galwaniczną. Stal pełni w takim przypadku funkcję katody.
Na powierzchni aluminium mogą stopniowo pojawiać się drobne wżery, białawe produkty korozji lub miejscowe uszkodzenia materiału. Największe zniszczenia często występują bezpośrednio w pobliżu połączenia, na przykład pod śrubą lub w miejscu zakładki dwóch blach.
Nie oznacza to jednak, że stal zawsze pozostanie nienaruszona. Jeśli nie jest zabezpieczona odpowiednią powłoką ochronną, może jednocześnie ulegać zwykłej korozji atmosferycznej. W efekcie może wystąpić kilka procesów korozyjnych jednocześnie.
Na szybkość korozji galwanicznej wpływają również konkretny stop aluminium, gatunek stali, stan powierzchni obu materiałów oraz środowisko, w którym znajduje się konstrukcja. Dlatego zachowania elektrochemicznego nie można wiarygodnie przewidzieć wyłącznie na podstawie nazw zastosowanych metali.
Dlaczego wielkość poszczególnych elementów metalowych ma znaczenie?
Jednym z mniej znanych czynników jest stosunek powierzchni obu metali wystawionych na działanie elektrolitu. To właśnie on może decydować o tym, czy korozja galwaniczna będzie postępować powoli, czy też znacznie przyspieszy.
- Jeśli niewielki element aluminiowy jest połączony elektrycznie z dużą powierzchnią stalową, a oba metale są narażone na wilgoć, prąd korozyjny może koncentrować się na stosunkowo małej powierzchni aluminium. W rezultacie jego uszkodzenia mogą być bardziej intensywne.
- Odwrotna sytuacja, czyli duża blacha aluminiowa mocowana za pomocą kilku stalowych elementów złącznych, może być korzystniejsza pod względem korozji galwanicznej. Nie oznacza to jednak, że takie połączenie można automatycznie uznać za bezpieczne. Znaczenie mają konkretna konstrukcja, warunki otoczenia i zabezpieczenie powierzchni.
Gdzie połączenie aluminium i stali najczęściej powoduje problemy?
W praktyce połączenie tych materiałów spotyka się na elewacjach, wiatach, bramach, balustradach, urządzeniach technologicznych i konstrukcjach samochodowych. Ryzyko nie jest jednakowe w każdym z tych zastosowań.
- W suchych pomieszczeniach prawidłowo zaprojektowane połączenie może służyć przez wiele lat bez większych uszkodzeń korozyjnych. Znacznie trudniejsze warunki panują na zewnątrz, gdzie zmieniają się temperatury, dochodzi do kondensacji wilgoci, a do połączeń przedostaje się woda deszczowa.
- Szczólnej uwagi wymagają konstrukcje znajdujące się w pobliżu dróg, gdzie zimą stosuje się sól drogową. Rozpuszczone chlorki zwiększają przewodność elektrolitu i mogą znacznie pogarszać warunki korozyjne.
- Problemy pojawiają się również w miejscach, w których woda pozostaje uwięziona przez dłuższy czas. Typowe przykłady to zakładki dwóch blach, wąskie szczeliny lub połączenia, które trudno wysychają po deszczu. Takie detale mogą mieć większy wpływ na trwałość konstrukcji niż sam wybór materiału podstawowego.
Jak zapobiegać korozji galwanicznej przy łączeniu aluminium i stali?
Najskuteczniejszą metodą ochrony jest wyeliminowanie warunków sprzyjających korozji galwanicznej. W praktyce oznacza to przede wszystkim ograniczenie kontaktu elektrycznego różnych metali lub uniemożliwienie przedostawania się wilgoci do połączenia.
Oddziel metale warstwą izolacyjną
Jednym z najbardziej niezawodnych rozwiązań jest umieszczenie materiału izolacyjnego między aluminium a stalą. Można zastosować na przykład odpowiednie podkładki z tworzywa sztucznego, taśmy polimerowe lub uszczelki gumowe.
W połączeniach śrubowych należy oddzielić nie tylko stykające się powierzchnie, ale w razie potrzeby również samą śrubę od ścianek otworu. Służą do tego tuleje i podkładki izolacyjne.
Zapobiegaj gromadzeniu się wody
W konstrukcjach zewnętrznych pomocne jest odpowiednie zaprojektowanie szczelin, otworów odpływowych i zakładek. Woda powinna swobodnie odpływać, a połączenie mieć możliwość naturalnego wysychania.
Tam, gdzie pozwala na to konstrukcja, można również zabezpieczyć miejsca styku odpowiednim uszczelnieniem. Ważne jest jednak, aby uszczelnienie nie tworzyło przestrzeni, w której wilgoć będzie gromadzić się przez długi czas.
Zastosuj odpowiednią ochronę powierzchni
Ryzyko korozji galwanicznej można znacznie ograniczyć, stosując wysokiej jakości powłokę ochronną. Zabezpieczenie powinno być kompatybilne z obydwoma materiałami i przeznaczone do warunków, w których konstrukcja będzie użytkowana. Szczólną uwagę należy zwrócić na krawędzie, otwory i miejsca dodatkowej obróbki. To właśnie tam często dochodzi do uszkodzenia warstwy ochronnej.
Czy stal ocynkowana pomaga? A co ze stalą nierdzewną?
Przy wyborze materiału często pojawia się pytanie, czy w kontakcie z aluminium lepiej sprawdzi się zwykła stal, stal ocynkowana czy nierdzewna.
Blachy ocynkowane są pokryte ochronną warstwą cynku, która zabezpiecza stal przed korozją. Cynk również uczestniczy jednak w procesach elektrochemicznych zachodzących w kontakcie z innymi metalami. Jego obecność nie oznacza więc automatycznie, że każde połączenie z aluminium będzie bezpieczne.
Podobnie jest w przypadku stali nierdzewnej. Choć charakteryzuje się ona dobrą odpornością na korozję, w wilgotnym środowisku i przy bezpośrednim kontakcie z aluminium może przyczyniać się do jego uszkodzeń galwanicznych.
- Szczególnie w przypadku konstrukcji zewnętrznych nie należy więc kierować się wyłącznie ogólną odpornością poszczególnych metali na korozję. Kluczowe znaczenie ma ich wzajemne połączenie oraz sposób montażu.
Blachy trawione a korozja galwaniczna – na co zwrócić uwagę?
Do produkcji stalowych ram, uchwytów i innych elementów konstrukcyjnych często wykorzystuje się również blachy trawione. Ich zaletą jest czystsza powierzchnia pozbawiona zgorzeliny, co ułatwia dalszą obróbkę i przygotowanie do nakładania powłok ochronnych.
Samo trawienie nie zapewnia jednak trwałej ochrony antykorozyjnej. Jeśli blacha stalowa po trawieniu będzie narażona na wilgoć bez odpowiedniego zabezpieczenia, może korodować tak samo jak inna niezabezpieczona stal węglowa.
Dlatego przy produkcji konstrukcji łączącej stal i aluminium warto najpierw zakończyć obróbkę i przygotowanie elementów stalowych, następnie zastosować wymagane zabezpieczenie powierzchni, a dopiero potem połączyć elementy z użyciem odpowiednich przekładek izolacyjnych.
Jak rozpoznać, że korozja galwaniczna już się rozpoczęła?
Pierwszym sygnałem ostrzegawczym jest zwykle zmiana wyglądu powierzchni w pobliżu połączenia. Na aluminium mogą pojawić się jasne naloty, drobne wżery lub stopniowe uszkodzenia powierzchni. Na elementach stalowych mogą jednocześnie występować rdzawe plamy.
Nie każda biała plama na aluminium oznacza jednak korozję galwaniczną. Podobne objawy mogą występować również w przypadku innych rodzajów korozji. Podczas kontroli należy zatem sprawdzić, czy oba metale są połączone elektrycznie, czy do danego miejsca dociera woda i w jakim stanie są warstwy ochronne. W przypadku konstrukcji nośnych trzeba również ocenić ewentualny ubytek materiału i wytrzymałość połączenia.
Jeśli korozja już postępuje, samo oczyszczenie powierzchni zazwyczaj nie rozwiąże problemu. Konieczne jest usunięcie przyczyny, odtworzenie uszkodzonej ochrony, a w razie potrzeby również zmiana rozwiązania konstrukcyjnego.
Zadbaj o trwałość konstrukcji już na etapie wyboru materiałów
Łączenie aluminium i stali nie jest samo w sobie błędem konstrukcyjnym. Oba materiały można z powodzeniem stosować razem, jeśli projekt uwzględnia ich właściwości elektrochemiczne oraz warunki, w których będą użytkowane.
Najczęstsze błędy nie pojawiają się podczas wyboru blachy lub profilu, lecz dopiero na etapie montażu. Nieodpowiednia śruba, brak podkładki izolacyjnej lub źle odprowadzająca wodę szczelina mogą skrócić żywotność nawet solidnej konstrukcji.
Przy łączeniu różnych metali nie wystarczy więc uwzględnić jedynie wytrzymałości i wymiarów. Równie ważne są ochrona powierzchni, sposób wykonania połączenia i ograniczenie dostępu wilgoci. To właśnie te szczegóły decydują o tym, czy konstrukcja będzie niezawodnie służyć przez wiele lat.
Czytaj również:
Stal kwadratowa ciągniona – właściwości i zastosowanie
Rury ocynkowane DX51D i S195 – czym się różnią i jak wybrać?
Wymiary calowe rur stalowych: jak je przeliczać?
© Atreon